一种石墨烯泡沫及其制备方法、石墨烯碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯泡沫及其制备方法和石墨烯碳复合材料及其制备方法。所述石墨烯碳复合材料包括石墨烯和填充在石墨烯层间的碳材料。本发明专利技术可以根据石墨烯和碳的不同的含量设置不同导热性能的石墨烯碳复合材料，本发明专利技术的石墨烯碳复合材料沿着定向的方向拥有非常高的导热性能。

Graphene foam and preparation method thereof, graphene carbon composite material and preparation method thereof

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯泡沫及其制备方法、石墨烯碳复合材料及其制备方法
本专利技术涉及高导热材料领域，具体涉及石墨烯碳复合材料及其制备方法。
技术介绍
碳碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，拥有优异的力学性能和化学惰性，被广泛应用在航空航天、汽车工业、医学等领域中。现有技术中，碳碳复合材料的胚体都是以碳纤维编制等制备而成，再通过浸渍其他物质，经炭化、石墨化形成，或者通过CVD沉积碳而成的复合材料。虽然碳碳复合材料能够达到一定的结构强度，但是其热传导能力仍不高，导热系数为几十至上百W/m·K，并且没有很强的定向热传导能力。
技术介绍
部分的内容仅仅是专利技术人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
技术实现思路
针对现有技术存在问题中的一个或多个，本专利技术提供一种石墨烯碳复合材料，根据石墨烯和碳的比例设置材料的不同导热性能和不同结构强度，并能够沿着定向的方向拥有非常高的导热性能。本专利技术提供一种石墨烯泡沫，密度为0.1-1.0g/cm3，优选0.15-0.4g/cm3。优选地，所述石墨烯泡沫的导热系数为100-1000W/m·K，优选150-350W/m·K。石墨烯泡沫层与层之间具有一定的距离(几十纳米至几微米且不均匀分布)，热量沿着石墨烯定向排列的方向传输，石墨烯的导热能力与热扩散系数和密度有关，导热系数＝热扩散系数*密度*比热容，密度越大，石墨烯的导热能力越强。根据本专利技术的一个方面，所述石墨烯泡沫的形状包括板状、圆柱体或圆筒状。优选地，板状的石墨烯泡沫厚度为0.1-300mm，优选0.1-100mm，进一步优选0.2-5mm。优选地，圆柱体的石墨烯泡沫最大直径为100-500mm，优选200-500mm。优选地，圆筒状的石墨烯泡沫外径为100-500mm，优选200-500mm。进一步优选地，所述圆筒状的石墨烯泡沫的侧壁厚度为4-100mm，优选30-50mm。本专利技术还提供一种石墨烯泡沫的制备方法，将氧化石墨烯膜制备成片或卷材，再进行高温处理，得到石墨烯泡沫。根据本专利技术的一个方面，所述氧化石墨烯膜为面内定向组装排列的氧化石墨烯膜。氧化石墨烯是片状的二维材料，面内定向组装排列就是二维氧化石墨烯片层层整齐排列。如果氧化石墨烯分散不好、表面含有特殊的结构或内部有杂质，则无法形成面内定向组装排列或组装排列的整齐程度不足，则会影响最终的导热系数。根据本专利技术的一个方面，所述高温处理的方法为：将氧化石墨烯膜放入高温炉内，升温至1000-3000℃。优选地，所述升温的速率为0.02-10℃/min。进一步优选地，温度在400℃以下时，升温速率为0.02-0.5℃/min，优选0.05-0.1℃/min；温度大于400℃且在1500℃以下时，升温速率为2-10℃/min；温度大于1500℃时，升温速率为2-4℃/min。炉内的升温速度会影响石墨烯片层的间距。炉温400℃以下时，升温速率的快慢对石墨烯泡沫的层间距影响很大，越快的升温速率使反应过程中同时生成了大量的气体并逃逸，得到的石墨烯泡沫片层的间距越大，炉温大于400℃时，升温速率对层间距的影响减小，主要的原因是氧化石墨烯的官能团和结合水在400℃时大部分已分解和脱离。优选地，高温炉内温度在400℃以下时，高温炉内的气体为空气；温度大于400℃且在1500℃以下时，将空气置换为氮气；温度大于1500℃时，将氮气置换为氩气。进一步优选地，所述高温处理的时间为1-2h。进一步优选地，所述高温处理时，对氧化石墨烯膜施加1-100KPa的压力，优选30-60KPa。高温处理时，氧化石墨烯膜所受到的压力对氧化石墨烯膜片层的间距也有一定影响，施加的压力越大，片层的间距越小。本专利技术还提供一种石墨烯碳复合材料，包括石墨烯和填充在石墨烯层间的碳材料。根据本专利技术的一个方面，所述石墨烯碳复合材料的密度为1.0-2.2g/cm3。石墨烯的层与层之间存在一定间距，层间的间距可以填充其他碳材料。层间的空隙被填充，强度得到了提升，也提升了一定的导热能力。虽然碳材料能够起到一定的导热作用，但是在导热性能方面起决定性作用的还是沿着石墨烯层的面内热量传输，碳材料的加入主要的作用是增大石墨烯碳复合材料的密度，提升石墨烯碳的结构强度，从而能将石墨烯碳材料应用在结构件上。石墨烯材料导热性强，尤其是在定向导热方面，可以达到很高的导热系数，但是石墨烯材料非常轻，结构强度不够大。在石墨烯的片层之间填充碳材料，能够增大石墨烯碳材料的密度，增强石墨烯碳材料的结构强度。优选地，所述石墨烯碳复合材料中石墨烯的质量分数为5-80wt％，碳材料的质量分数为20-95wt％。优选地，所述石墨烯碳复合材料的导热系数为500-1000W/m·K。石墨烯碳复合材料的导热系数指的是沿着石墨烯层的定向的导热系数。根据本专利技术的一个方面，所述石墨烯碳复合材料的形状包括板状、圆柱体或圆筒状。优选地，板状的石墨烯碳复合材料厚度为0.1-300mm，优选0.1-100mm，进一步优选0.2-5mm。优选地，圆柱体的石墨烯碳复合材料最大直径为100-500mm，优选200-500mm。优选地，圆筒状的石墨烯碳复合材料外径为100-500mm，优选200-500mm。进一步优选地，圆筒状的石墨烯碳复合材料的侧壁厚度为4-100mm，优选30-50mm。本专利技术还提供一种石墨烯碳复合材料的制备方法，将所述石墨烯泡沫浸渍于可流动状态的碳材料中；和将浸渍了碳材料的石墨烯泡沫热处理。石墨烯泡沫具有优异的定向导热性能，如何在保持石墨烯泡沫的基础上增强石墨烯碳复合材料的导热性能和结构强度，成为一个需要攻克的难点。如果石墨烯在还没有形成泡沫结构之前就与碳材料复合，那么则失去了石墨烯本身具有的强大的定向导热的能力；但是在石墨烯形成固定结构的石墨烯泡沫之后，片层之间的间隙很窄，难以再填充碳材料。本专利技术的专利技术人深入研究发现，将碳材料制成可流动状态，在高温高压的条件下，让可流动状态的碳材料渗入具有固定结构的石墨烯泡沫层间，既保持了石墨烯泡沫原有的定向导热性能，填充的碳材料还能在一定程度上增强石墨烯碳材料的导热性和结构强度。根据本专利技术的一个方面，重复浸渍和热处理工序2-3次，直至碳材料填充满石墨烯泡沫层间的空隙。根据本专利技术的一个方面，所述石墨烯泡沫由所述石墨烯泡沫的制备方法制备而成。根据本专利技术的一个方面，所述可流动状态的碳材料包括沥青。可流动状态的沥青在高温高压下可以流动地进入石墨烯泡沫的片层之间。进一步优选地，所述沥青包括石油沥青、天然沥青或煤焦沥青。所述的沥青为高温时具有流动性能的沥青，而不是液体沥青。液体沥青高温下分解为小分子，在进行热处理时小分子有机物会逃逸，炭化后残留的碳较少，因此不采用液体沥青。根据本专利技术的一个方面，浸渍时先将温度升高到200-600℃，再进行保温。加热到200-600℃，沥青变成可流动状态，流动性增加，渗进石墨烯层间的空隙内。优选地，所述升温速率为1-10℃/min。优选地，所述保温的时间为1-3h。优选地，浸渍时压力≥100Mpa。在高的压力下，经过炭化产生的气体和沥青中的一些气体溢出较慢，能够减小对材料的破坏，越高的压力越有利于得到浸渍效果好的石墨烯碳复合材料。碳的氧化物或者小分子有机物以气体的形式逃离石墨烯泡沫膜时产生空隙，因此在浸渍时给炉内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯泡沫，其特征在于：所述石墨烯泡沫的密度为0.1‑1.0g/cm

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯泡沫，其特征在于：所述石墨烯泡沫的密度为0.1-1.0g/cm3，优选0.15-0.4g/cm3；优选地，所述石墨烯泡沫的导热系数为100-1000W/m·k，优选150-350W/m·k。2.根据权利要求1所述的石墨烯泡沫，其特征在于：所述石墨烯泡沫的形状包括板状、圆柱体或圆筒状；优选地，板状的石墨烯泡沫厚度为0.1-300mm，优选0.1-100mm，进一步优选0.2-5mm；优选地，圆柱体的石墨烯泡沫最大直径为100-500mm，优选200-500mm；优选地，圆筒状的石墨烯泡沫外径为100-500mm，优选200-500mm；优选地，圆筒状的石墨烯泡沫的侧壁厚度为4-100mm，优选30-50mm。3.一种石墨烯泡沫的制备方法，其特征在于：将氧化石墨烯膜制备成片或卷材，再进行高温处理，得到石墨烯泡沫；优选地，所述氧化石墨烯膜为面内定向组装排列的氧化石墨烯膜；优选地，所述高温处理的方法为：将氧化石墨烯膜放入高温炉内，升温至1000-3000℃；优选地，所述升温的速率为0.02-10℃/min；进一步优选地，高温炉内温度在400℃以下时，升温速率为0.02-0.5℃/min，优选0.05-0.1℃/min；温度大于400℃且在1500℃以下时,升温速率为2-10℃/min；温度大于1500℃时，升温速率为2-4℃/min；优选地，高温炉内温度在400℃以下时，高温炉内的气体为空气；温度在大于400℃且在1500℃以下时，将空气置换为氮气；温度大于1500℃时，将氮气置换为氩气；优选地，所述高温处理的时间为1-2h；优选地，所述高温处理时，对氧化石墨烯膜施加1-100KPa的压力，优选30-60KPa。4.一种石墨烯碳复合材料，其特征在于：包括石墨烯和填充在石墨烯层间的碳材料；优选地，所述石墨烯碳复合材料的密度为1.0-2.2g/cm3；优选地，所述石墨烯碳复合材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：周步存，周仁杰，卢静，
申请(专利权)人：常州富烯科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32