一种石墨烯基导热／导电复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及新材料及其应用技术领域，具体涉及一种石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法。将具有三维连通结构的开孔泡沫金属叠层压制，将压制完的泡沫金属在适宜的温度和气氛条件下退火。利用化学气相沉积工艺，在泡沫金属模板表面催化生长石墨烯层。去除金属基底后，得到开孔密排结构的泡沫石墨烯网络骨架。利用真空浸渍工艺向所述具有密排三维连通结构的泡沫石墨烯网络骨架孔隙中填充聚合物基体，并选择合适的工艺完成固化。本发明专利技术工艺简单，生产成本低廉。所制备的石墨烯基复合材料，具有优异的导热、导电性能。在导热、导电、电磁屏蔽等领域具有巨大的应用潜力。等领域具有巨大的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及新材料及其应用
，具体涉及一种石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着科技的发展，高分子导热/导电复合材料得到了越来越广泛的应用。与传统的金属材料相比，高分子导热/导电复合材料即具有高分子基体本身所特有的轻质、柔性、耐腐蚀、易加工和低成本等特点，同时又可以通过添加填料实现导热、导电等功能。传统的高分子导热/导电复合材料一般是将填料颗粒直接混合在环氧树脂等高分子材料中制得的复合材料，通过大量填料的添加形成填料紧密堆积的结构来实现相应功能(如：导热性、导电性等)。然而，在这些复合材料中，由于填料颗粒一般是杂乱无章地分布在高分子基体中，而且被高分子基体包裹分离开，因此严重制约了填料性能的发挥。大量导热填料的加入不仅增加了成本和重量，而且会严重影响材料的力学性能和加工性能，但材料的导热、导电性能却很难得到明显提升。碳材料因导热/导电性能优异、密度低、化学性质稳定等优点被作为高性能导热/导电复合材料的填料选择之一。目前商用的高性能碳基导热/导电复合材料主要是直接在基体材料中直接添加碳纤维或高导电炭黑制得，导热率一般在40W/m K，导电率一般在300S/cm以下。一方面，包括高性能碳纤维填料在内的原料和产品被外企垄断，存在卡脖子风险；另一方面，现有产品的导热/导电性能仍不够理想，且由于过大的填料添加量，严重影响了复合材料的力学性能。
[0003]石墨烯自被发现以来就以卓越的导热(其热导率可达5300W/mK，是传统的铜、银的10倍以上，是氧化铝的100倍以上)、导电、高强度、目前已知最轻薄的材料等性能受到广泛关注，在导热、导电复合材料等领域具有巨大的应用潜力。然而，高性能石墨烯基复合材料的开发也面临着诸多难题和挑战：石墨烯的导热、导电性能受其结晶质量影响显著。目前可宏量制备石墨烯的工艺，要么制备的石墨烯缺陷很多，结晶质量很差(氧化法制备的石墨烯)，要么层数形态不可控，表面惰性难以分散(插层法制备的石墨烯)；相比于球形结构的传统导热填料，将常规的片层状石墨烯粉体直接作为填料添加使用，其作为异形填料极难在基体材料中获得良好分散，添加量对复合材料的粘度、硬度等影响也更为显著；不同于各向同性的三维体相材料，片层状的石墨烯表现出明显的各向异性，不同方向上导热/导电性能差异巨大。其面内导热率可达面外导热率的500倍以上；片层状的石墨烯对聚合物基体有明显的阻隔、分割作用，对复合材料的强度等影响明显。综上，石墨烯填料的结晶质量、形态、分布、添加量以及其在基体中的有序程度极大的影响复合材料的导热/导电性能和硬度、强度等使用性能。
[0004]利用模板预先构建石墨烯天然连通定向密排的高效导热/导电网络，然后再将其与聚合物基体进一步复合，是降低石墨烯添加量，提升复合导热/导电性能和使用性能的有效途径。然而，目前构建石墨烯定向导热网络的工艺主要是利用易于分散的氧化石墨烯组装构建。后续的还原重结晶过程需要经过长达十几个小时缓慢升温碳化工艺和随后的八小
时以上的超高温石墨化过程(温度一般要到2800℃以上，非常耗能)。同时，此类利用片层状态石墨烯(除氧化石墨烯冰模板法还包括利用石墨烯膜形变制备褶皱石墨烯等工艺)构建的网络基本都为闭孔结构，高分子材料很难注入网络孔隙，后续复合材料制备工艺困难。因此，克服现有工艺弊端，开发性能更为优异的高性能碳基导热/导电复合材料极具实用价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，本专利技术工艺简单，生产成本低廉。所制备的石墨烯基复合材料，具有优异的导热、导电性能。在导热、导电、电磁屏蔽等领域具有巨大的应用潜力。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]一种石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0008](1)将具有三维连通结构的开孔泡沫金属叠层压制，压缩率为90～99％；
[0009](2)在载气保护气氛下将退火炉腔体加热到设定温度1000～1800℃；
[0010](3)向退火炉腔体恒温区内放入经过压制的泡沫金属基体，通入还原气体，保温0min～60min，在载气保护气氛下将泡沫金属基体冷却后取出，对经过压制的泡沫金属进行退火处理；
[0011](4)在载气保护气氛下将反应炉腔体加热到设定温度600～1200℃；
[0012](5)向反应炉腔体内通入碳源气体、还原气体及载气的混合气氛，在退火处理后的泡沫金属基体表面催化生长出石墨烯；所述混合气氛中碳源气体、还原气体和载气的流量比为1：(0～80)：(0～100)，反应时间1min～120min；
[0013](6)在载气保护气氛下将所述泡沫金属基体冷却后取出，即得到生长在泡沫金属基体上的具有密排结构的泡沫石墨烯网络骨架结构；
[0014](7)采用金属刻蚀液去除泡沫金属基体，获得具有密排结构的泡沫石墨烯；
[0015](8)利用真空浸渍工艺向所述具有密排结构的泡沫石墨烯网络骨架孔隙中填充聚合物基体，并完成固化。
[0016]所述的石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，步骤(1)中，泡沫金属基体为泡沫镍、泡沫铜、泡沫铁、泡沫钴、泡沫银、泡沫金、泡沫铂、泡沫钛之一种或者两种以上金属所形成的泡沫合金，泡沫金属基体的孔隙率分布在50～400PPI，初始厚度为0.5～15mm。
[0017]所述的石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，步骤(2)中，载气保护气氛为氩气、氮气和氦气中的一种或两种以上混合，所述设定温度为1050～1400℃，步骤(3)中对压制后的泡沫金属的退火处理即在该设定温度下进行。
[0018]所述的石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，步骤(4)中，载气保护气氛为氩气、氮气和氦气中的一种或两种以上混合，所述设定温度为900～1100℃，步骤(5)中的反应生长出石墨烯即在该设定温度下进行。
[0019]所述的石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，步骤(5)中，碳源气体为甲烷、乙烷、乙烯和乙炔中的一种或两种以上，还原气体为氢气和氨气中的一种或两种，载气为氩气、氮气和氦气中的一种或两种以上混合；优选的，混合气的流量为800～2400sccm，混合气氛中碳源气体、还原气体和载气的流量比为1：20～60：30～90，反应时间30min～90min。
[0020]所述的石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，步骤(7)中，金属刻蚀液为盐酸、硫酸、硝酸、过硫酸铵和氯化铁的一种或两种以上混合的水溶液或水醇混合溶液。
[0021]所述的石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，步骤(8)中，聚合物基体包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺中的一种或两种以上混合。
[0022]所述的石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，该方法通过选择不同的泡沫金属基体和/或调控反应中的温度、反应气氛生长参数，能够对所制备的泡沫石墨烯网络骨架厚度、孔隙和形态进行调控；所制备石本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)将具有三维连通结构的开孔泡沫金属叠层压制，压缩率为90～99％；(2)在载气保护气氛下将退火炉腔体加热到设定温度1000～1800℃；(3)向退火炉腔体恒温区内放入经过压制的泡沫金属基体，通入还原气体，保温0min～60min，在载气保护气氛下将泡沫金属基体冷却后取出，对经过压制的泡沫金属进行退火处理；(4)在载气保护气氛下将反应炉腔体加热到设定温度600～1200℃；(5)向反应炉腔体内通入碳源气体、还原气体及载气的混合气氛，在退火处理后的泡沫金属基体表面催化生长出石墨烯；所述混合气氛中碳源气体、还原气体和载气的流量比为1：(0～80)：(0～100)，反应时间1min～120min；(6)在载气保护气氛下将所述泡沫金属基体冷却后取出，即得到生长在泡沫金属基体上的具有密排结构的泡沫石墨烯网络骨架结构；(7)采用金属刻蚀液去除泡沫金属基体，获得具有密排结构的泡沫石墨烯；(8)利用真空浸渍工艺向所述具有密排结构的泡沫石墨烯网络骨架孔隙中填充聚合物基体，并完成固化。2.根据权利要求1所述的石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，泡沫金属基体为泡沫镍、泡沫铜、泡沫铁、泡沫钴、泡沫银、泡沫金、泡沫铂、泡沫钛之一种或者两种以上金属所形成的泡沫合金，泡沫金属基体的孔隙率分布在50～400PPI，初始厚度为0.5～15mm。3.根据权利要求1所述的石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，载气保护气氛为氩气、氮气和氦气中的一种或两种以上混合，所述设定温度为1050～1400℃，步骤(3)中对压制后的泡沫金属的退火处理即在该设定温度下进行。4.根据权利要求1所述的石墨烯基导热/导电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：任文才，马超群，刘海超，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：