石墨烯包覆镍合金复合粉体及其制备方法技术

本发明专利技术属石墨烯复合材料技术领域，为解决现有石墨烯/镍复合材料开发中的石墨烯分散性差、石墨烯与镍基体之间界面结合强度低等制约高性能石墨烯/镍复合材料开发的瓶颈，提供一种石墨烯包覆镍合金复合粉体及其制备方法。先将可溶性固体碳源涂敷在预处理过的镍合金粉体颗粒表面，与隔离剂混合后在保护气氛下进行高温退火和快速冷却处理，通过碳元素的溶解‑析出机制在镍合金颗粒表面生长石墨烯而获得石墨烯包覆的镍合金复合粉体。有效抑制石墨烯团聚、与金属颗粒界面结合强度低等问题，石墨烯包覆镍合金复合粉体适用于传统粉末冶金或多种增材制造过程，用于开发轻质高强，兼具导电、导热、耐磨、耐腐蚀等功能特性的结构功能一体化镍基复合材料。

Graphene-coated Ni-alloy composite powders and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
石墨烯包覆镍合金复合粉体及其制备方法
本专利技术属于石墨烯复合材料
，具体涉及一种石墨烯包覆镍合金复合粉体及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接密堆积构成的一个或几个原子层厚度的二维晶体材料，特殊的结构决定了它具有高强度（拉伸强度和弹性模量高达130GPa、1.02TPa）、高导热导电性（载流子迁移率和热导率分别为15000cm2/(V·s)和5150W/(m·K)）、大比表面积（2630m2/g）、轻质（密度约为2.1g/cm3）以及化学稳定等特性。凭借这些独特的物理性能，它被认为是目前最为理想的增强体材料，有望突破镍基复合材料的塑/韧性瓶颈，开发出轻质高强，并同时兼备导电、导热、耐磨、耐腐蚀等功能特性的结构功能一体化镍基复合材料。然而，受石墨烯自身性质（低密度、难分散、难润湿等）以及复合加工技术的制约，传统粉末冶金制备的石墨烯/镍复合材料的综合性能仍然远低于理论预期，尤其是强度-塑/韧性的倒置关系依旧十分突出。主要是因为：（1）石墨烯的比表面积大，具有很多的表面原子和悬键，表面活性能很高，因而纳米片层之间趋于彼此重叠以降低表面能，导致石墨烯在复合材料制备和加工过程中产生团聚，并对复合材料的性能产生不利影响；（2）碳原子间的强方向性饱和sp2键及均匀分布的非局域键决定了石墨烯表面缺少有效键合位置，加之常温下碳元素在镍中的溶解度很低，石墨烯与镍基体之间只靠简单的机械啮合和化学吸附作用结合在一起，导致极易在外加载荷作用下发生界面脱粘而损伤复合材料性能。因此，如何实现石墨烯在镍基体中的均匀分散及其与镍基材料之间的良好界面结合，成为了发展具有优异综合性能的石墨烯/镍基复合材料亟待解决的关键问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有石墨烯/镍复合材料开发中存在的石墨烯分散性差、石墨烯与镍基体之间界面结合强度低等制约高性能石墨烯/镍复合材料开发的瓶颈，本专利技术提供了一种石墨烯包覆镍合金复合粉体及其制备方法。该方法低成本、易操作、适宜规模化生产。本专利技术由如下技术方案实现的：一种石墨烯包覆镍合金复合粉体，先将可溶性固体碳源涂敷在预处理过的镍合金粉体颗粒表面，与隔离剂混合后在保护气氛下进行高温退火和快速冷却处理，通过碳元素的溶解-析出机制在镍合金颗粒表面生长石墨烯而获得石墨烯包覆的镍合金复合粉体。制备所述的一种石墨烯包覆镍合金复合粉体的方法，步骤如下：（1）配制可溶性固体碳源溶液和预处理镍合金粉体：按质量比1:100～1:1000分别称取可溶性固体碳源和镍合金粉体，将可溶性固体碳源分别溶解到水、乙醇、丙酮、四氯化碳、苯甲醚、N-甲基吡咯烷酮溶剂中配制溶液，将镍合金粉体浸入5wt.%稀盐酸溶液中除去颗粒表面的氧化层后过滤、真空干燥；（2）制备固体碳源均匀包覆的镍合金颗粒前驱体：将预处理过的镍合金粉体倒入固体碳源溶液中，搅拌2小时混合均匀，过滤后在150～200℃下真空保温1h，得到固体碳源均匀包覆的镍合金颗粒前驱体；（3）高温退火和快速冷却处理：所得到的固体碳源均匀包覆的镍合金颗粒前驱体与氧化物隔离剂按质量比1:1～1:3混合均匀，然后置于真空快速加热冷却炉中，先抽真空至10～10-1Pa，关闭真空通入Ar气300～500sccm，快速加热至750～1100℃，紧接着通入H2气100～200sccm，保温20～30min后在Ar/H2气氛中快速冷却至室温；（4）获得石墨烯包覆的镍合金复合粉体：将高温退火和快速冷却处理后得到的混合粉末浸入5wt.%稀盐酸中除尽隔离剂，过滤后真空干燥，即可得到石墨烯包覆的镍合金复合粉体。所述石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、多层石墨烯、纳米石墨片具有石墨烯结构的二维碳材料中的一种或多种。步骤（1）中所述镍合金粉体为粒径0.1～100μm、纯度大于99%的纯镍、镍铁、镍铝、镍铜、镍钛、镍铬、镍钴、镍铌、镍硅、镍磷、镍钼、镍钨、镍钌、镍铼商用镍基合金中的一种或任意组合。步骤（1）中所述可溶性固体碳源为分子量350～100000、纯度大于90%、溶于水或者乙醇、丙酮、四氯化碳、苯甲醚、N-甲基吡咯烷酮有机溶剂的蔗糖、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇低聚物中的一种或多种。步骤（3）中所述隔离剂为粒径0.1～100μm、纯度大于99%的氧化镁、氧化钙陶瓷粉体中的一种或多种。步骤（3）中所述高温热处理和快速冷却工艺为先抽真空至10～10-1Pa，关闭真空通入Ar气300～500sccm，以15～20℃/min的速率加热至750～1100℃，紧接着通入H2气100～200sccm，保温20～30min后在Ar/H2气氛保护下空冷至室温。本专利技术的石墨烯包覆镍合金复合粉体的制备方法低成本、易操作、效率高，所获得的石墨烯包覆镍合金复合粉体能够有效抑制石墨烯片层的团聚，并同时显著提高石墨烯与镍合金颗粒之间的界面结合强度。此法所生产的石墨烯包覆镍合金复合粉体中单层或少层石墨烯均匀的分布在镍合金颗粒表面或者完全包覆镍合金颗粒，适用于传统的粉末冶金和多种增材制造领域，可用于制造具有轻质、高强高韧、耐磨损、抗腐蚀等特性的镍基复合材料。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术实施例1制备的石墨烯包覆镍复合粉体的XRD谱图。图2为本专利技术实施例1制备的石墨烯包覆镍复合粉体的拉曼光谱图。图3为本专利技术实施例1制备的石墨烯包覆镍复合粉体的SEM照片。图4为本专利技术实施例3制备的石墨烯包覆镍钼合金复合粉体的XRD谱图。图5为本专利技术实施例3制备的石墨烯包覆镍钼合金复合粉体的SEM照片。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1：一种石墨烯包覆镍合金复合粉体，其特征在于：先将可溶性固体碳源涂敷在预处理过的镍合金粉体颗粒表面，与隔离剂混合后在保护气氛下进行高温退火和快速冷却处理，通过碳元素的溶解-析出机制在镍合金颗粒表面生长石墨烯而获得石墨烯包覆的镍合金复合粉体。按质量比1:1000分别称取分子量为100000、纯度为90%的聚甲基丙烯酸甲酯0.1g和粒径为10μm、纯度为99.9%的镍粉10g，将聚甲基丙烯酸甲酯溶解到四氯化碳中配制浓度为0.1mg/ml的溶液；同时将镍合金粉体浸入5wt.%稀盐酸溶液中除去颗粒表面的氧化层后过滤、真空干燥。把预处理后的镍合金粉体倒入聚甲基丙烯酸甲酯溶液中，搅拌2小时混合均匀，过滤后在180℃下真空保温1h，得到聚甲基丙烯酸甲酯均匀包覆的镍颗粒前驱体。随后，将前驱体与氧化镁隔离剂按质量比1:2混合均匀，放入真空管式炉。先抽真空至10Pa，关闭真空通入Ar气500sccm，快速加热至1000℃，紧接着通入H2气100sccm，保温30min后在Ar/H2气氛中快速冷却至室温。最后，将高温退火和快速冷却处理后得到的混合粉末浸入5wt.%稀盐酸中除尽氧化镁隔离剂，过滤后真空干燥，即可获得石墨烯包覆镍复合粉体，检测图谱见附图1、2、3。从XRD谱图（图1）和Raman光谱图（图2）中可以看出，该方法能够在镍金属颗粒表面原位生长高质量的石墨烯包覆层，不仅保证了石墨烯与镍之间的良好界面结合，而且复合颗粒分散均匀（图3），可有效解决石墨烯/镍复合材料制备加工过程中石墨烯团聚的问题。实施例2：一种石墨烯包覆镍合金复合粉体，其特征在于：先将可溶性固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯包覆镍合金复合粉体，其特征在于：先将可溶性固体碳源涂敷在预处理过的镍合金粉体颗粒表面，与隔离剂混合后在保护气氛下进行高温退火和快速冷却处理，通过碳元素的溶解‑析出机制在镍合金颗粒表面生长石墨烯而获得石墨烯包覆的镍合金复合粉体。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包覆镍合金复合粉体，其特征在于：先将可溶性固体碳源涂敷在预处理过的镍合金粉体颗粒表面，与隔离剂混合后在保护气氛下进行高温退火和快速冷却处理，通过碳元素的溶解-析出机制在镍合金颗粒表面生长石墨烯而获得石墨烯包覆的镍合金复合粉体。2.制备权利要求1所述的一种石墨烯包覆镍合金复合粉体的方法，其特征在于：步骤如下：（1）配制可溶性固体碳源溶液和预处理镍合金粉体：按质量比1:100～1:1000分别称取可溶性固体碳源和镍合金粉体，将可溶性固体碳源分别溶解到水、乙醇、丙酮、四氯化碳、苯甲醚、N-甲基吡咯烷酮溶剂中配制溶液，将镍合金粉体浸入5wt.%稀盐酸溶液中除去颗粒表面的氧化层后过滤、真空干燥；（2）制备固体碳源均匀包覆的镍合金颗粒前驱体：将预处理过的镍合金粉体倒入固体碳源溶液中，搅拌2小时混合均匀，过滤后在150～200℃下真空保温1h，得到固体碳源均匀包覆的镍合金颗粒前驱体；（3）高温退火和快速冷却处理：所得到的固体碳源均匀包覆的镍合金颗粒前驱体与氧化物隔离剂按质量比1:1～1:3混合均匀，然后置于真空快速加热冷却炉中，先抽真空至10～10-1Pa，关闭真空通入Ar气300～500sccm，快速加热至750～1100℃，紧接着通入H2气100～200sccm，保温20～30min后在Ar/H2气氛中快速冷却至室温；（4）获得石墨烯包覆的镍合金复合粉体：将高温退火和快速冷却处理后得到的混合粉末浸入5wt.%稀盐酸中除尽隔离剂，过滤后真空干...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘颖，郑峰，吴艳霞，王剑，张彩丽，董楠，韩培德，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14