一种石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，包括：S1,对石墨片的表面处理，清除表面杂质；S2，对石墨片表面进行进一步除杂和还原；S3，石墨烯的垂直生长：通入甲烷气体，为石墨烯生长提供所需的碳源，得到石墨片原位生长石墨烯复合碳材料；S4，将石墨片原位生长石墨烯复合碳材料与铝粉进行低能球磨以制备均匀混合的复合粉体；S5，将制备得到的复合粉体放入石墨模具中，经过真空热压烧结获得石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料。本发明专利技术制备的复合材料不仅在石墨片面内方向具有高导热性能，在石墨片的厚度方向也具有较高导热性能，且相较于原始天然石墨片增强的铝基复合材料，弯曲强度显著提升。

Preparation of graphene reinforced aluminium matrix composites by in-situ growth of graphite sheets

【技术实现步骤摘要】
一种石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法
本专利技术涉及碳铝复合材料、高导热材料领域，具体的，涉及一种石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法。
技术介绍
随着电子工业的快速发展，电子器件逐渐趋于微型化和高功率化，因而对于具有高导热，低膨胀优异热学性能的热管理材料的需求也逐渐增大。在这种背景下，首先出现的是具有良好导热性能的纯金属，例如铜，铝，银，金，但由于其热膨胀系数较高，密度大，成本高昂制约了其发展和应用。近年来，碳材料逐渐引起了科研人员的重视，由于其具有多种不同结构，因而种类繁多，特点各异，适用于不同场景的应用，比如天然石墨，金刚石，碳纳米管等等都是具有低膨胀，高导热性能的材料，将其与铝制备成铝基复合材料，可以有效提高其导热性能，降低热膨胀系数，并进一步降低密度。其中天然石墨片成本低廉，将其作为增强相还可以使复合材料具有良好的加工性能，因此在工业应用的角度上是一种非常有潜力的材料。但是天然石墨片的各向异性十分明显，在沿着晶体平面方向的热导率可以达到1000W/mK,但是垂直晶体平面方向的热导小于10W/mK。因而，这种特点使得以其为增强相的复合材料的厚向热导急剧降低。这限制了以其为增强体的复合材料的应用：在高功率的电子器件的高能流密度下，与其相连的散热装置往往需要先经过厚度方向的有效热传导将热量逐层传递到其他相邻的散热层，以充分发挥面内方向的高散热效率。例如现在主流的PCB铝基板，其厚度方向的导热性很差，导致电子元器件高强度工作释放的热量难以通过其厚度方向传导至其他散热层，实际散热效率降低，因此厚度方向热导率的提高至关重要。经检索发现，公开号为CN109022868A的中国专利，公开了一种原位合成Cu-石墨烯杂聚体增强铝基复合材料的制备方法，包括如下的步骤：Cu-石墨烯杂聚体的制备：将三水合硝酸铜、葡萄糖以及氯化钠混合均匀于去离子水中，将混合均匀的溶液置于-20℃的环境中48h，采用冷冻干燥技术，获得前驱体粉末，利用化学气相沉积方法煅烧还原，最后用去离子水洗去氯化钠模板获得Cu-石墨烯杂聚体；Cu-石墨烯/铝基复合粉末的混合；将所得的复合粉末置于500MPa的条件下冷压成型，将冷压后的块体材料在管式炉中通过氩气保护烧结1h,最后以1:40的挤压比在600MPa的环境条件下热挤压，得到Cu-石墨烯/铝的块体复合材料。但是上述专利存在以下不足：石墨烯沿着平面生长，容易团聚，这种情况下，石墨烯会成为复合材料的缺陷，反而会降低导热率。检索中还发现，公开号为CN109234563A中国专利技术专利，提出了一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，包括：(1)以天然鳞片石墨为原料，将其氧化为氧化石墨，离心水洗至pH为中性得到下层氧化石墨浆料；将下层氧化石墨浆料重新分散到去离子水中，离心取上层氧化石墨烯溶液，(2)先用液氮进行冷冻，然后干燥得到氧化石墨烯粉末；在强还原剂水合肼中还原，去离子水和乙醇进行反复洗涤，真空干燥得到石墨烯粉末；(3)将石墨烯粉末分散到无水乙醇中，超声得石墨烯分散液，再将金属基粉体加入到石墨烯分散液中，球磨，真空干燥，然后通过热等静压和热挤压制备石墨烯-金属基复合材料。但是上述专利存在以下不足：石墨烯直接混合到金属基体中，即使在有分散剂帮助的情况下，仍旧难以均匀分散，团聚程度非常明显，无法发挥石墨烯优良的导热性能。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，解决了石墨片增强铝基复合材料的厚度方向热导率极低导致散热效率降低的问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，包括：S1,对石墨片的表面处理，清除表面杂质；S2，对所述石墨片表面进行进一步除杂和还原，将所述石墨片在氩气、氢气的环境气氛中升温至设定温度，并进行保温；S3，石墨烯的垂直生长：通入甲烷气体，为所述石墨烯生长提供所需的碳源，得到石墨片原位生长石墨烯复合碳材料；S4，制备铝与石墨片原位生长石墨烯复合增强体的复合粉体：将所述石墨片原位生长石墨烯复合碳材料与铝粉进行球磨以制备均匀混合的复合粉体；S5，制备石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料：将制备得到的复合粉体放入石墨模具中，经过真空热压烧结获得石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料。优选地，S1中，所述石墨片的片径大小为500-800μm。采用该范围内的片径大小有利于石墨片自然堆叠成沿着平面排布。优选地，S2中将所述石墨片在氩气、氢气的环境气氛中升温至设定温度，并进行保温，所述设定温度为800-1000℃；升温速率为5-20℃/min；所述保温时间为10-60min。对石墨片表面进行充分的除杂，以利于之后石墨烯的生长。优选地，S2中所述氩气的流速为100-600sccm；进一步的，所述氢气的流速为100-600sccm。对石墨片表面进行充分的除杂，以利于之后石墨烯的生长。优选地，S3中，通入所述甲烷气体的流速为10-200sccm；所述甲烷气体的通气时间为1-15h。易于甲烷裂解并生长出沿垂直方向排布的石墨烯。通过调节甲烷的气体流速以及通气的持续时间控制石墨片原位生长石墨烯增强体的密度从而控制复合材料的性能。优选地，S4中，在低于250rpm的转速下进行球磨；所述低能球磨的球料比为1-10；所述低能球磨的时间为5-24h。进一步的，所述低能球磨的转速为80-200rpm。通过球磨使复合增强体与铝粉充分混合均匀，且复合增强体的结构受损程度较低。优选地，S5中，所述真空热压烧结的热压温度为550-650℃；所述真空热压烧结的热压压力为30-80Mpa；所述真空热压烧结的保温时间为30-180min。真空热压烧结使得在复合材料的致密度可以得到保证的情况下降低铝碳之间的反应程度。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：(1)本专利技术工艺简单，由于石墨片是碳材料，以其作为基底，裂解后的碳原子在由同类元素组成的粗糙的石墨表面容易均匀形核长大，因此，无需催化剂即可在石墨片表面生长大量的石墨烯，本专利技术的效果显著。(2)本专利技术所制备的石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料不仅在石墨片面内方向具有高导热性能，在石墨片的厚度方向也具有较高导热性能，且相较于原始天然石墨片增强的铝基复合材料，弯曲强度显著提升，有在航空航天，电子工业，通信产业等领域广泛应用的前景。而本专利技术上述制备方法中，通过在石墨片上均匀地垂直生长石墨烯，制备成在两个方向都有优良导热性能的复合增强体，可以有效地提升复合材料的综合导热性能。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法流程图；图2为本专利技术一实施例所涉及的石墨片原位生长石墨烯复合碳材料不同工艺参数下的xy-plane与z-plane的热导率；图3为本专利技术一实施例所涉及的石墨片原位生长石墨烯复合碳材料不同工艺参数下的弯曲强度。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：S1,对石墨片的表面处理，清除表面杂质；S2，对所述石墨片表面进一步除杂和还原：将所述石墨片在同时通入氩气、氢气的环境气氛中升温至设定温度，并进行保温；S3，石墨烯的垂直生长：通入甲烷气体，为所述石墨烯生长提供所需的碳源，得到石墨片原位生长石墨烯复合碳材料；S4，制备铝与石墨片原位生长石墨烯复合增强体的复合粉体：将S3得到的所述石墨片原位生长石墨烯复合碳材料与铝粉进行球磨以制备均匀混合的复合粉体；S5，制备石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料：将S4得到的所述复合粉体放入石墨模具中，经过真空热压烧结获得石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：S1,对石墨片的表面处理，清除表面杂质；S2，对所述石墨片表面进一步除杂和还原：将所述石墨片在同时通入氩气、氢气的环境气氛中升温至设定温度，并进行保温；S3，石墨烯的垂直生长：通入甲烷气体，为所述石墨烯生长提供所需的碳源，得到石墨片原位生长石墨烯复合碳材料；S4，制备铝与石墨片原位生长石墨烯复合增强体的复合粉体：将S3得到的所述石墨片原位生长石墨烯复合碳材料与铝粉进行球磨以制备均匀混合的复合粉体；S5，制备石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料：将S4得到的所述复合粉体放入石墨模具中，经过真空热压烧结获得石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料。2.根据权利要求1所述的石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述石墨片的片径大小为500-800μm。3.根据权利要求1所述的石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，S2中，所述设定温度为800-1000℃，升温速率为5-20℃/min，所述保温的时间为10-60min。4.根据权利要求1所述的石墨片原位生长石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，S2中所述氩气的流速为100-600sccm；和/或，所述氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳求保，王超宇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31