泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料及其制备方法技术

一种泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料及其制备方法，所述复合材料由泡沫衬底、石墨烯强化层、基体材料组成，或在其中加入强化颗粒。泡沫衬底为泡沫金属或泡沫陶瓷或泡沫碳。基体材料包括铝及铝基合金。强化颗粒为高导热金刚石粉、石墨烯、碳纳米管中的至少一种或复合，或为增加复合材料机械强度及降低热膨胀系数的高导热低膨胀陶瓷颗粒。本发明专利技术制得的复合材料因石墨烯与铝在三维空间内保持连续分布，形成了网络互穿结构，从而弱化了复合界面对材料热学和电学性能的显著影响，既能不降低金属基体在复合材料中的良好塑韧性，又能使增强相成为一个整体，最大限度地发挥增强体的导热和导电效率，使复合材料的热导率、导电率及机械强度相比较传统复合材料有极大提高，是一种很有潜力的新型多功能复合材料。

Foam graphite matrix reinforced aluminum matrix composite and preparation method thereof

A foamed graphite matrix reinforced aluminum matrix composite material and its preparation method are made up of foam substrate, graphene strengthening layer and base material, and reinforced particles are added into the composite material. The foam substrate is made of foam metal or foam ceramic or foam carbon. The matrix materials include aluminum and aluminum base alloys. The strengthening particles are high thermal conductivity diamond powder, graphene, carbon nanotubes at least one or composite, or to increase the mechanical strength of composite materials and reduce thermal expansion coefficient of high thermal conductivity and low expansion ceramic particles. The composite material prepared by graphene and aluminum in the three-dimensional space to maintain continuous distribution, formation of interpenetrating networks, thus weakening the effect of composite material interface thermal and electrical properties of both metal matrix composite materials in the good plasticity and toughness is not reduced, but also can make a reinforcement as a whole, to maximize the reinforcement efficiency of thermal and electrical conductivity, the thermal conductivity of composites, conductivity and mechanical strength compared to the traditional composite materials have greatly improved, is a potential new type of multifunctional composite materials.

【技术实现步骤摘要】
泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料及其制备方法
本专利技术公开了一种泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料及其制备方法，属于复合材料制备

技术介绍
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。2014年05月08日，中航工业航材院的一组年轻科研人员在国际石墨烯研究领域首创“烯合金”材料，这一具有里程碑意义的重大自主创新，不但专利技术了一类具有优异性能的新型高端合金材料，也使我国成为石墨烯这一材料科学前沿基础和应用研究的领跑者。烯合金的研制成功，宣告一代新型具有特殊优异性能的系列材料横空出世，填补了世界材料科学领域的空白，进而将这门学科推向全新的领域。石墨烯是目前热导率(最高可达5300W/mK)最高的人造材料，而且热膨胀系数和密度极低，将石墨烯作为增强相与高导热金属复合，在保证拥有理想热膨胀系数和低密度的同时，可获得更为优异的导热性能。在常见的高导热金属中，铝具有低密度(2.7g/cm3)、高热导率(237W/mK)、低成本、耐腐蚀和易加工等优点，是电子封装领域广泛使用的一种散热材料。因此，将石墨烯与铝复合使其兼具高热导、低热膨胀和低密度等优异的综合性能，现已成为新一代电子封装材料的研究热点。目前国内外烯合金的主要研究思路是增加石墨烯粉末含量和改善石墨烯/铝的复合界面，均取得了较好的效果。然而，此种复合结构中的石墨烯粉末(热导率5300W/mK)犹如一座座由金属铝(热导率237W/mK)连接的导热孤岛，既增加了两相界面数量，又难产生协同作用，使石墨烯优异的导热性能难以充分发挥。本专利技术的创新思路是在复合材料中构建连续的石墨烯网络骨架，变高导热孤岛为高导热通道。然而，对于传统的颗粒增强型复合材料，网络互穿结构的制备难度很大。中国专利技术专利CN105112754A提出了一种三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料及制备方法，其中金属三维网络骨架衬底采用机械加工方法制备或采用金属线编织而成。然而，传统的机械加工方法属于多维加工，加工工序多，成本较高。此外，机械加工受制于传统机械加工手段和设备的束缚，对三维多孔骨架内部孔径、联通性的精细控制难度较大。采用金属线编织的方法，存在三维孔隙间含有缝隙，且工艺流程复杂等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足，提供一种泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料及其制备方法。本专利技术制备的复合材料可以完整地复制泡沫金属的结构，高导热材料以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，以三维网络的形式均匀地分布于复合材料中，具有优异的连续导热能力、电荷传导能力和极低密度，有效提高复合材料的热导率、导电率及机械强度相。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，所述复合材料包括增强体、基体材料，所述增强体包括泡沫骨架衬底、石墨烯强化层，所述泡沫骨架衬底表面设有石墨烯强化层；所述泡沫骨架衬底选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一种，所述基体材料选自铝及铝基合金。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所述泡沫陶瓷骨架选自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一种。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，所述泡沫骨架衬底中，泡沫孔径为0.01-10mm，开孔率40-99.9％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，所述石墨烯强化层选自石墨烯膜、石墨烯墙、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆石墨烯中的一种。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，石墨烯强化层中，石墨烯包覆金刚石是指在金刚石表面原位生长石墨烯，且石墨烯垂直于金刚石表面形成石墨烯墙；碳纳米管包覆石墨烯是指在石墨烯表面原位生长碳纳米管，且碳纳米管垂直于石墨烯表面形成碳纳米管林。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，基体材料中还添加有强化颗粒，强化颗粒选自高导热颗粒、超硬耐磨颗粒、导电颗粒中的至少一种；所述高导热颗粒选自金刚石粉、石墨烯、碳纳米管、石墨烯包覆金刚石微球、碳纳米管包覆金刚石微球、碳纳米管包覆石墨烯中的至少一种；超硬耐磨颗粒选自金刚石粉、SiC、TiC、TiN、AlN、Si3N4、Al2O3、BN、WC、MoC、Cr7C3中的至少一种；导电颗粒选自石墨、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，复合材料中，各组分的体积百分含量为：各组分的体积百分含量为：基体材料体积分数为40-99.9％，增强体体积分数为0.01-60％，强化颗粒体积分数为0-30％，各组分体积百分之和为100％。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，强化相中，石墨烯强化层体积分数为1-80％，泡沫骨架体积分数为0.1-20％，各组分体积百分之和为100％。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，在基体中，增强体以单体增强或多体阵列增强，所述多体阵列增强是指增强体以层片状平行分布或以柱状平行分布于基体中。本专利技术一种泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤：第一步：增强体的制备将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面原位生长石墨烯膜，得到增强体；沉积参数为：沉积石墨烯膜：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；或将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面原位生长石墨烯墙、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆石墨烯，沉积过程中在泡沫骨架衬底上施加等离子辅助生长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束在泡沫骨架近表面，强化等离子对泡沫骨架表面的轰击，使石墨烯垂直于泡沫骨架表面生长，形成石墨烯墙，得到增强体；沉积工艺为：沉积石墨烯墙：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；等离子电流密度为0-50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；沉积石墨烯包覆金刚石：首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-10.0％；生长温度为600-1000℃，生长气压为103-104Pa；然后，再在金刚石表面沉积石墨烯墙，石墨烯垂直于金刚石表面生长，形成石墨烯墙，沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为本文档来自技高网...

【技术保护点】
泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括增强体、基体材料，所述增强体包括泡沫骨架衬底、石墨烯强化层，所述泡沫骨架衬底表面设有石墨烯强化层；所述泡沫骨架衬底选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一种，所述基体材料选自铝或铝基合金；所述石墨烯强化层选自石墨烯膜、石墨烯墙、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆石墨烯中的一种；所述增强体采用下述方案制备：将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，先采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在衬底表面沉积镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合金属层，然后，置于纳米晶和微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中，加热至沸腾后，于超声波中震荡、分散均匀，得到网孔中间镶嵌大量纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底；对泡沫骨架衬底采用化学气相沉积在泡沫骨架表面或金刚石颗粒表面原位生长石墨烯膜、石墨烯墙、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆石墨烯，得到增强体。

【技术特征摘要】
1.泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括增强体、基体材料，所述增强体包括泡沫骨架衬底、石墨烯强化层，所述泡沫骨架衬底表面设有石墨烯强化层；所述泡沫骨架衬底选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一种，所述基体材料选自铝或铝基合金；所述石墨烯强化层选自石墨烯膜、石墨烯墙、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆石墨烯中的一种；所述增强体采用下述方案制备：将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，先采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在衬底表面沉积镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合金属层，然后，置于纳米晶和微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中，加热至沸腾后，于超声波中震荡、分散均匀，得到网孔中间镶嵌大量纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底；对泡沫骨架衬底采用化学气相沉积在泡沫骨架表面或金刚石颗粒表面原位生长石墨烯膜、石墨烯墙、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆石墨烯，得到增强体。2.根据权利要求1所述的泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，其特征在于，所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所述泡沫陶瓷骨架选自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一种。3.根据权利要求1所述的泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，其特征在于，所述泡沫骨架衬底中，泡沫孔径为0.01-10mm，开孔率40-99.9％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。4.根据权利要求1所述的泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，其特征在于，石墨烯强化层中，石墨烯包覆金刚石是指在金刚石表面原位生长石墨烯，且石墨烯垂直于金刚石表面形成石墨烯墙；碳纳米管包覆石墨烯是指在石墨烯表面原位生长碳纳米管，且碳纳米管垂直于石墨烯表面形成碳纳米管林。5.根据权利要求1-4任意一项所述的泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，其特征在于，基体材料中还添加有强化颗粒，强化颗粒选自高导热颗粒、超硬耐磨颗粒、导电颗粒中的至少一种；所述高导热颗粒选自金刚石粉、石墨烯、碳纳米管、石墨烯包覆金刚石微球、碳纳米管包覆金刚石微球、碳纳米管包覆石墨烯中的至少一种；超硬耐磨颗粒选自金刚石粉、SiC、TiC、TiN、AlN、Si3N4、Al2O3、BN、WC、MoC、Cr7C3中的至少一种；导电颗粒选自石墨、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。6.根据权利要求5所述的泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，其特征在于，复合材料中，各组分的体积百分含量为：基体材料体积分数为40-99.9％，增强体体积分数为0.01-60％，强化颗粒体积分数为0-30％，各组分体积百分之和为100％。7.根据权利要求6所述的泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，其特征在于，在基体中，增强体以单体增强或多体阵列增强，所述多体阵列增强是指增强体以层片状平行分布或以柱状平行分布于基体中。8.一种泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤：第一步：增强体的制备将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，先采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在衬底表面沉积镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合金属层，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏秋平，马莉，周科朝，余志明，李志友，叶文涛，张岳峰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43