CN111088441A - 一类高导电导热金属基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一类高导电导热金属基复合材料的制备方法，将石墨烯和膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声预分散，得到分散体，将分散体均匀粘附在金属颗粒上并烘干，然后将金属颗粒投放到熔化的金属液体中，金属颗粒在高温的作用下迅速膨化，不仅使石墨烯有效引入到金属基材料中，且大大提高了石墨烯的分散效果，获得石墨烯与金属基材料之间的高效接触。本发明的高导电导热金属基复合材料的制备方法相较于现有技术可实现金属与石墨烯的优异分散与结合、导电导热性能更好，成本低廉、工艺简单、材料质量更好、更利于大规模生产的优点。

Description

一类高导电导热金属基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料的制备方法技术领域，特别是涉及一类高导电导热金属基复合材料的制备方法。

背景技术

石墨稀是一种新型二维纳米材料，结构非常稳定，具有超高的电子迁移率、电导率、热导率、杨氏模量以及低热膨胀系数等优异的物理性能，并且量子效应奇特。此外，其强度高达1.0lTpa，是结构钢的100倍，而密度却只有结构钢的1/5。由于石墨烯密度小，提高金属材料强度的同时还能降低材料的密度。因此。将石墨烯和金属复合制备的石墨烯复合材料，将具有低热膨胀、高电导率、高热导率、轻质高强等优异性能，满足实际军工、电力电缆、汽车工业、电器工业、半导体领域的需求。

目前石墨烯增强金属基纳米复合材料的主要科学和工程问题包括：

（1）如何实现石墨烯在金属基体中的快速高效的分散；

（2）如何获得石墨烯纳米填料与铝基材料之间的良好界面结合；

（3）如何提高铝合金的熔点，确保在热处理工艺温度下保持石墨烯填料的结构不被破坏。

由于石墨烯材料有非常大的比表面积，金属基体和石墨烯纳米填料之间的密度差距大，为石墨烯纳米片在金属基体中的均匀分散带来了巨大困难。此外，石墨烯纳米填料趋向于彼此重叠以降低它们的表面能，从而导致在纳米复合材料制备和应用过程中易于产生团聚，并对复合材料的力学、电学、热学等性能产生不利影响。

石墨烯在金属基体中的有效分散成为制备石墨烯/金属复合材料所要解决的首要难题。现已有技术将石墨烯与金属粉进行简单的机械混合并不能使石墨烯与金属粉完全分散均匀。为了减少石墨烯团聚的现象，复合粉体材料采用超声分散、湿法机械搅拌混合、球磨、行星式高能球磨、表面改性及静电吸附等也都难以解决。

发明内容

本发明的目的在于提供高导电导热金属基复合材料的制备方法，以解决现有石墨烯在金属基体中有效分散的问题，有效提升复合材料的电学、力学、热学性能。

为达到解决上述技术目的，本发明提供了一类高导电导热金属基复合材料的制备方法及采用该制备方法获得的复合材料。

一类高导电导热金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将石墨烯、膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理得到分散体；

（2）将得到的分散体加入金属颗粒中，搅拌至所述分散体均匀地粘附在所述金属颗粒上；

（3）将粘附有分散体的金属颗粒烘干；

（4）将至少一种金属熔化并进行搅拌，加入烘干的粘附有分散体的金属颗粒，继续搅拌；

（5）冷却成型。

如上所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，每份所述分散体中加入所述石墨烯0.001-0.8份。

如上所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，所述膨化剂为四硼酸钠、松香、氯化钾、碳酸钠、二氧化硅、氟化钙中的至少一种，每份分散体中加入膨化剂0.002-0.6份。

如上所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、异丙酮溶液中的至少一种。

如上所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，所述金属颗粒的粒径在0.1um至300mm。

如上所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，所述金属为铝、铜、金、银、锡、锌、钒、钛、铁、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、铟、铅、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的至少一种。

如上所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法高导电导热金属基复合材料的制备方法，所述（1）中的超声处理的时间为0.1-24小时。

如上所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，所述（2）中搅拌的时间为0.1-48小时。

如上所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，所述（3）中的烘干的温度为40-200度。

如上所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法的控制方法，其特征在于，所述（4）中在230-3500度的熔炉中将金属熔化，并充入防氧化气体。

本发明的有益效果为：本发明高导电导热金属基复合材料的制备方法将石墨烯和膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声预分散，得到分散体，将分散体均匀粘附在金属颗粒上并烘干，然后将金属颗粒投放到熔化的金属液体中，金属颗粒在高温的作用下迅速膨化，不仅使石墨烯有效引入到金属基材料中，且大大提高了石墨烯的分散效果，获得石墨烯与金属基材料之间的高效接触。本发明的高导电导热金属基复合材料的制备方法相较于现有技术可实现金属与石墨烯的优异分散与结合、导电导热性能更好，成本低廉、工艺简单、材料质量更好、更利于大规模生产的优点。

本发明高导电导热金属基复合材料及其制备方法制备的复合材料可应用于军工、电力电缆、汽车工业、电器工业、半导体领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例粘附有分散体的铝颗粒。

图2 、3为本发明具体实施例石墨烯铝合金复合材料实物照片。

图4 为本发明具体实施例石墨烯铝合金复合材料的剪切截面照片。

图5为本发明具体实施例石墨烯铝合金复合材料的拉曼光谱图。

图6 为本发明具体实施例石墨烯铝合金复合材料截面的SEM及EDS图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提出了高导电导热金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将石墨烯、膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理1小时得到分散体。

其中，石墨烯为0.05份，膨化剂为0.02份，有机溶剂为0.93份。

膨化剂为四硼酸钠。

当然，膨化剂也可以为四硼酸钠、松香、氯化钾、碳酸钠、二氧化硅、氟化钙中的至少一种

有机溶剂为甲醇和丙酮，甲醇和丙酮的体积比为1：1。

当然，有机溶剂也可以为甲醇、乙醇、丙酮、异丙酮溶液中的至少一种。

将得到的分散体加入金属铝颗粒中，搅拌2小时，分散体均匀地粘附在金属铝颗粒上。

其中，金属铝颗粒的粒径在5 mm。金属铝颗粒可以为形状规则的球形、四面体、三面体等，或者是形状不规则的立体结构。金属铝颗粒为形状规则的立体结构时，粒径指直径或者外切圆的直径。金属铝颗粒为形状不规则的立体结构时，粒径指其最大长度。

将粘附有分散体的金属铝颗粒在温度为50度的条件下烘干，得到如图1所示的金属铝颗粒。

将金属铝在600-1500度的熔炉中熔化并进行搅拌，并充入防氧化气体，加入烘干的粘附有分散体的金属铝颗粒，继续搅拌。

冷却成型，得到复合材料。

如图2、3所示为复合材料的实物照片，图4为复合材料的剪切截面照片。

如图5所示为本实施例复合材料表面的拉曼光谱图。金属不会产生拉曼信号，而石墨烯会有明显的拉曼信号，本实施例的石墨烯有明显的拉曼信号，且G峰比D峰明显增强，说明复合材料中存在石墨烯。

图6是截面的SEM和EDS图。可以看出，本实施例复合材料的含碳量明显增加，说明石墨烯成功与铝混合。

根据不同需求，上述实施例中的金属可以替换为金、银、铜、锡、锌、钒、钛、铁、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铟、铅、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的至少一种。根据不同需求，上述实施例中的金属颗粒也可以替换为金、银、铜、锡、锌、钒、钛、铁、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铟、铅、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的一种。相应的，熔炉的温度为熔点最高的金属的温度。

实施例二

本实施例提出了高导电导热金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将石墨烯、膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理10小时得到分散体。

其中，石墨烯为0.2份，膨化剂为0. 3份，有机溶剂为0.5份。

膨化剂为四硼酸钠和氯化钾。

有机溶剂为异丙酮。

将得到的分散体加入金属铝颗粒中，搅拌5小时，分散体均匀地粘附在金属铝颗粒上。

其中，金属铝颗粒的粒径在10 mm。金属铝颗粒可以为形状规则的球形、四面体、三面体等，或者是形状不规则的立体结构。金属铝颗粒为形状规则的立体结构时，粒径指直径或者外切圆的直径。金属铝颗粒为形状不规则的立体结构时，粒径指其最大长度。

将粘附有分散体的金属铝颗粒在温度为100度的条件下烘干，得到金属铝颗粒。

将金属铝、锌在800-1000度的熔炉中熔化并进行搅拌，并充入防氧化气体，加入烘干的粘附有分散体的金属铝颗粒，继续搅拌。

冷却成型，得到复合材料。

根据不同需求，上述实施例中的金属可以替换为金、银、铜、锡、锌、钒、钛、铁、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铟、铅、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的至少一种。根据不同需求，上述实施例中的金属颗粒也可以替换为金、银、铜、锡、锌、钒、钛、铁、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铟、铅、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的一种。相应的，熔炉的温度为熔点最高的金属的温度。

实施例三

本实施例提出了高导电导热金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将石墨烯、膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理20小时得到分散体。

其中，石墨烯为0.5份，膨化剂为0.1份，有机溶剂为0.4份。

膨化剂为松香、二氧化硅和氟化钙。

有机溶剂为乙醇和异丙酮，乙醇和异丙酮的体积比为1:1。

将得到的分散体加入金属锌颗粒中，搅拌20小时，分散体均匀地粘附在金属锌颗粒上。

其中，金属锌颗粒的粒径在15 mm。金属锌颗粒可以为形状规则的球形、四面体、三面体等，或者是形状不规则的立体结构。金属铝颗粒为形状规则的立体结构时，粒径指直径或者外切圆的直径。金属铝颗粒为形状不规则的立体结构时，粒径指其最大长度。

将粘附有分散体的金属锌颗粒在温度为150度的条件下烘干，得到金属锌颗粒。

将金属铜、锌在1100-2000度的熔炉中熔化并进行搅拌，并充入防氧化气体，加入烘干的粘附有分散体的金属锌颗粒，继续搅拌。

冷却成型，得到复合材料。

根据不同需求，上述实施例中的金属可以替换为金、银、铜、锡、锌、钒、钛、铁、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铟、铅、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的至少一种。根据不同需求，上述实施例中的金属颗粒也可以替换为金、银、铜、锡、锌、钒、钛、铁、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铟、铅、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的一种。相应的，熔炉的温度为熔点最高的金属的温度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一类高导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将石墨烯、膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理得到分散体；

（2）将得到的分散体加入金属颗粒中，搅拌至所述分散体均匀地粘附在所述金属颗粒上；

（3）将粘附有分散体的金属颗粒烘干；

（4）将至少一种金属熔化并进行搅拌，加入烘干的粘附有分散体的金属颗粒，继续搅拌；

（5）冷却成型。

2.根据权利要求1所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，每份所述分散体中加入所述石墨烯0.001-0.8份。

3.根据权利要求1所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述膨化剂为四硼酸钠、松香、氯化钾、碳酸钠、二氧化硅、氟化钙中的至少一种，每份分散体中加入膨化剂0.002-0.6份。

4.根据权利要求1所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、异丙酮溶液中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属颗粒的粒径在0.1um至300mm。

6.根据权利要求1所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属为铝、铜、金、银、锡、锌、钒、钛、铁、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、铟、铅、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的至少一种。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法高导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述（1）中的超声处理的时间为0.1-24小时。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述（2）中搅拌的时间为0.1-48小时。

9.根据权利要求1-6任意一项所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述（3）中的烘干的温度为40-200度。

10.根据权利要求1-6任意一项所述的高导电导热金属基复合材料的制备方法的控制方法，其特征在于，所述（4）中在230-3500度的熔炉中将金属熔化，并充入防氧化气体。

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