一种逐层结构石墨烯-金属复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于复合材料制备技术领域，尤其涉及一种逐层结构石墨烯

【技术实现步骤摘要】
一种逐层结构石墨烯
‑
金属复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于复合材料制备
，尤其涉及一种逐层结构石墨烯
‑
金属复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]金属基复合材料是一种以纤维、晶须或颗粒为增强相，与金属或合金基体组成的复合材料。金属基复合材料能够通过添加不同的增强相获得特殊的性能，这种可设计性使得金属基复合材料具有广阔的应用空间。目前，金属基复合材料已广泛应用于航空航天、汽车、电子和军事等领域。2004年，英国曼彻斯特大学首次成功制备出石墨烯薄片，该材料是一种由碳原子以sp2杂化轨道结合只有单原子层厚度的二维材料，石墨烯的这种特殊结构使其表现出非常优异的物理性能和力学性能，如高的比表面积和分子量子隧道效应等。石墨烯也因此作为增强体而广泛应用于金属基复合材料中，用以提升金属材料的综合性能，适应现代工业的发展。
[0003]针对当今世界各国对新兴科学技术和工业化生产的发展要求，石墨烯以其优异的性能成为了当下科学界的焦点之一。石墨烯作为目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，具有耐高温、热膨胀系数小、导热导电性良好、化学性能稳定、可塑性大等特点。并且与传统金属材料相比，重量比铝轻25％，比铜轻75％；热阻比铝低40％，比铜低20％。目前制备高质量石墨烯的方法主要有胶带剥离法、碳化硅或金属表面外延生长法和化学气相沉积法，前两种方法效率低，不适于大量制备，而迄今由化学法制备的石墨烯一般是由纳米级到微米级尺寸的石墨烯晶畴拼接而成的多晶材料。而石墨烯增强金属基复合材料的制备方法，主要包括熔融冶金法、粉末冶金法、化学合成法和电沉积法。石墨烯中晶界的存在会严重降低其质量和性能，因此大尺寸单晶石墨烯的制备对于石墨烯基本物理性质的研究及其在增强体等方面的应用具有极其重要的意义。
[0004]近年来，新型碳质纳米材料包括石墨烯和碳纳米管因具有高导热性、高阻尼性容量、高弹性模量、高机械强度和良好的自润滑性而成为重要的结构和功能新材料的增强体，而对于石墨烯作为增强体的金属基复合材料的研究较少。目前，在石墨烯金属基复合材料研究中主要存在石墨烯在金属基体中分散性差、与基体金属的润湿性差及界面间结合性能差等问题，严重制约了石墨烯金属基复合材料的研究开发与应用。因此对于石墨烯金属复合材料进行界面设计与优化，可以进一步提高复合材料性能。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种逐层结构石墨烯
‑
金属复合材料及其制备方法，所得复合材料石墨烯分散均匀，与金属界面结合良好，尽可能的避免了热轧后板材性能不稳定的问题，具有优异的导热性能。本专利技术制备方法简单，可设计性强，适合大规模生产。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种新的逐层结构石墨烯
‑
金属复合材料，该材料
为由石墨烯
‑
金属结构重复排列并紧密堆积而成的复合材料。
[0007]作为本专利技术的优选，所述金属为金属箔片，所述金属箔片包括但不限于铜或镍或铜镍合金箔片。
[0008]本专利技术还提供了一种逐层结构石墨烯
‑
金属复合材料的制备方法，步骤如下：
[0009](1)将多个尺寸相同的金属箔片在纵向及横向空间上保持一致并上下线对齐，即：多个尺寸相同的金属箔片平行设置且边缘对齐，相邻两层金属箔片之间的距离相等；(2)应用化学气相沉积法将石墨烯沉积生长在金属箔片上，直至相邻金属箔片上的石墨烯对向生长在一起，得到石墨烯
‑
金属复合片基片；(3)坯料的制备：将生长好的金属复合片基片放入金属套，将片材轧制方向上的金属套的前后两端焊合，抽真空；(4)热处理工艺：将抽完真空的坯料放进加热炉中，进行热轧，制得试样。
[0010]作为本专利技术的优选，在步骤(1)之前还包括金属箔片的处理步骤：取尺寸相同的金属箔片，机加工去除表面氧化皮，直至金属箔片表面露出新鲜金属，打磨完毕之后用丙酮和去离子水对金属箔片先后进行超声清洗并吹干，保证金属箔片表面干净，避免混入其他杂质影响石墨烯与金属箔片的结合。通过对金属箔片进行机加工打磨，可以保证石墨烯在金属箔片表面均匀结晶生长。
[0011]作为本专利技术的优选，所述步骤(1)中，将金属箔片安装在金属支架的层状空隙内，通过金属支架将金属箔片放入化学气相沉积设备中；其中，所述金属支架包括金属支架本体，所述金属支架本体上设有多个平行的层状支撑单元，所述支撑单元内有用于插入金属箔片的层状空隙，每个所述支撑单元层状空隙间的厚度相同；进一步优选的，所述金属支架的材料与金属箔片的材料相同。
[0012]作为本专利技术的优选，所述支撑单元内设有平行且尺寸相同的L型层状空隙，所述金属支架设置在金属箔片的四角位置；
[0013]进一步优选的，所述金属支架为L型支撑结构；
[0014]作为本专利技术的优选，当金属箔片的厚度为0.005
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0.05mm时，支撑单元空隙的厚度为0.001mm
‑
0.2mm。
[0015]作为本专利技术的优选，所述步骤(2)中，石墨烯
‑
金属复合片基片的制备步骤为：把多个金属箔片放入化学气相沉积设备中，通入氢气和氩气保护加热至1000℃左右，稳定温度，根据需要生长石墨烯厚度控制保持时间，优选保持20
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400分钟；然后停止通入保护气体，改通入甲烷气体，大约30
‑
600分钟，直至相隔的石墨烯对向生长结合反应完成并填满金属箔片间隙，此时石墨烯厚度范围在0.001mm
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0.2mm。切断电源，关闭甲烷气体，再通入保护气体排净甲烷气体，在保护气体的环境体系直至管子冷却到室温，取出金属箔片，得到石墨烯
‑
金属复合片。
[0016]优选的，在化学气相沉积设备中，压力为10
‑3Pa，通入的气体流量为标况下120立方厘米/分钟。
[0017]作为本专利技术的优选，所述步骤(3)中，抽真空的设备为三级真空泵，坯内真空度达到10
‑2Pa以下时，利用喷火枪对抽气管加热，用液压钳进行挤压密封，重复2
‑
3次。
[0018]进一步优选的，密封时，在金属套的最底层和最上层放置一层隔离布，确保热轧后，复合材料和金属套分离，并在密封时留下抽气管。
[0019]更进一步优选的，所述金属套为普碳钢金属套，长、宽、高分别为101mm、76mm、3mm；
密封盖的长、宽、高分别为101mm、76mm、5mm。
[0020]作为本专利技术的优选，所述步骤(4)中，热处理工艺的加热温度为700
‑
900℃，保温时间为30min，热轧的下压量为石墨烯生长厚度的30
‑
51.5％。
[0021]作为本专利技术的优选，所述金属箔片包括但不限于铜、镍或铜镍合金箔片；进一步优选的，所述金属箔片的尺寸为100mm*75mm，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种逐层结构石墨烯
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金属复合材料，其特征在于：该材料是由石墨烯
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金属结构重复排列、紧密堆积而成的复合材料。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述金属为金属箔片，所述金属箔片优选为铜或镍或铜镍合金箔片。3.一种逐层结构石墨烯
‑
金属复合材料的制备方法，其特征在于包括步骤：（1）将多个尺寸相同的金属箔片在纵向及横向空间上保持一致并上下线对齐；（2）应用化学气相沉积法将石墨烯沉积生长在金属箔片上，直至相邻金属箔片上的石墨烯对向生长在一起，得到石墨烯
‑
金属复合片基片；（3）坯料的制备：将生长好的金属复合片基片放入金属套，将片材轧制方向上的金属套的前后两端焊合，抽真空；（4）热处理工艺：将抽完真空的坯料放进加热炉中，进行热轧，制得试样。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤（1）之前还包括金属箔片的处理步骤：取尺寸相同的金属箔片，机加工去除表面氧化皮，直至金属箔片表面露出新鲜金属，打磨完毕之后用丙酮和去离子水对金属箔片先后进行超声清洗并吹干，保证金属箔片表面干净，避免混入其他杂质影响石墨烯与金属箔片的结合。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，将金属箔片安装在金属支架的层状空隙内，通过金属支架将金属箔片放入化学气相沉积设备中；所述金属支架包括金属支架本体，所述金属支架本体上设有多个平行的层状支撑单元，所述支撑单元内有用于插入金属箔片的层状空隙，每个所述支撑单元层状空隙间的厚度相同；优选的，所述金属支架的材料与金属箔片的材料相同。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述支撑单元内设有平行且尺寸相同的L型层状空隙，所述金属支...

【专利技术属性】
技术研发人员：张毅，
申请(专利权)人：华星先进科学技术应用研究天津有限公司，
类型：发明
国别省市：