CN111101172B - 石墨烯铝复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：提供石墨烯气凝胶并将所述石墨烯气凝胶作为阴极置于熔融电解盐中，阳极为金属铝，电解电流为250mA～350mA。本发明还涉及一种石墨烯铝复合材料以及包含所述石墨烯铝复合材料的电缆或电线。

Description

石墨烯铝复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料技术领域，特别是涉及一种石墨烯铝复合材料及其制备方法。
背景技术
石墨烯铝基复合材料具有高的强度、导电性能、导热性以及耐磨性，是现在材料研究的重点材料，但是由于金属与非金属之间固有的浸润性差异，导致石墨烯较难能够均匀的分布到铝基体中，为了到达一个较好的石墨烯分散均匀性，往往需要耗费大量时间来进行混合过程；而且传统的制备方法在成型阶段的高温过程还很容易使石墨烯与铝基体生成一种碳铝化合物Al4C3，这种物质在空气中易水解，生成的脆性相将严重影响复合材料的强度。
因此，亟待寻找一种高效且不需要高温成型的方法制备石墨烯铝基复合材料。
发明内容
基于此，有必要针对制备时间长、需高温成型的问题，提供一种石墨烯铝复合材料及其制备方法和包含其的电缆或电线。
本发明提供一种石墨烯铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
提供石墨烯气凝胶并将所述石墨烯气凝胶作为阴极置于熔融电解盐中，阳极为金属铝，电解电流为250mA～350mA。
在其中一个实施例中，所述石墨烯气凝胶通过冰模板法形成石墨烯气凝胶。
在其中一个实施例中，所述冰模板法形成石墨烯气凝胶的方法包括：
将氧化石墨烯水溶液进行真空冷冻干燥的步骤，所述冷冻干燥的温度为-50℃～-75℃，冷冻干燥时间为20h～30h；以及
真空热处理还原的步骤，所述热处理的温度为1500℃～2500℃，热处理还原时间为2h～4h。
在其中一个实施例中，所述石墨烯气凝胶的密度为50mg/cm3～150mg/cm3。
在其中一个实施例中，所述石墨烯气凝胶的孔径为5nm～15nm，比表面积为100m2/g～400m2/g。
在其中一个实施例中，所述电解盐包括氯化钠、氯化钾和氯化铝中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述电解盐为氯化钠、氯化钾和氯化铝。
在其中一个实施例中，所述电解盐中氯化钠、氯化钾和氯化铝的质量比为1：(1～3)：(6～10)。
本发明还提供一种由所述的石墨烯铝复合材料的制备方法制备得到的石墨烯铝复合材料。
在其中一个实施例中，包括石墨烯水凝胶基体和形成在所述基体上的镀铝层，所述镀铝层的厚度为50μm～1mm。
本发明进一步提供一种包含权利要求9或10所述石墨烯铝复合材料的电缆或电线。
本发明提供的石墨烯铝复合材料的制备方法，采用石墨烯气凝胶作阴极，金属铝作阳极，阴阳极置于熔融电解盐中，在250mA～350mA电解电流下进行电解得到石墨烯铝复合材料。该制备方法石墨烯和铝基体无需在高温条件下进行复合，铝直接形成在石墨烯气凝胶表面形成镀铝层，且该方法得到的石墨烯铝复合材料中镀铝层与石墨烯气凝胶之间的结合力更好，镀铝层在所述石墨烯气凝胶表面分布更均匀，从而使石墨烯铝复合材料具有更优的导电性和机械强度。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明实施例提供一种石墨烯铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
提供石墨烯气凝胶并将所述石墨烯气凝胶作为阴极置于熔融电解盐中，阳极为金属铝，电解电流为250mA～350mA。
本发明实施例提供的石墨烯铝复合材料的制备方法，采用石墨烯气凝胶作阴极，金属铝作阳极，阴阳极置于熔融电解盐中，在250mA～350mA电解电流下进行电解得到石墨烯铝复合材料。该制备方法石墨烯和铝基体无需在高温条件下进行复合，铝直接形成在石墨烯气凝胶表面形成镀铝层，且该方法得到的石墨烯铝复合材料中镀铝层与石墨烯气凝胶之间的结合力更好，镀铝层在所述石墨烯气凝胶表面分布更均匀，从而使石墨烯铝复合材料具有更优的导电性和机械强度。
在一些实施例中，电解电流还可以选择260mA、270mA、280mA、290mA、300mA、310mA、320mA、330mA、340mA。
在一些实施例中，电解时间可以为40min～80min，还可以选择45min、50min、55min、60min、65min、70min、75min。
石墨烯气凝胶可以通过原位自组装、模板法或化学交联等方法形成。优选的，石墨烯气凝胶通过冰模板法形成。
冰模板法形成石墨烯气凝胶的方法可以包括将氧化石墨烯水溶液进行真空冷冻干燥的步骤和真空热处理还原的步骤。氧化石墨烯溶液浓度为大于等于3mg/mL。氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯为单层或少层氧化石墨烯，其含氧质量百分数可以为30％至50％。在一些实施例中，冷冻干燥的温度可以为-50℃～-75℃，冷冻干燥时间可以为20h～30h。冷冻干燥的温度还可以独立的选择-55℃、-60℃、-65℃或-70℃。在一些实施例中，热处理还原的温度可以为1500℃～2500℃，热处理还原时间可以为2h～4h。热处理还原的温度还可以独立的选择1600℃、1700℃、1800℃、1900℃、2000℃、2100℃、2200℃、2300℃、2400℃。冷冻干燥温度和热处理还原温度均会影响石墨烯气凝胶中石墨烯片层的搭接堆叠，进而影响石墨烯气凝胶的结构。
上述方法制备的石墨烯气凝胶不含有其他影响导电性的杂质，且得到的石墨烯气凝胶具有高的比表面积、大的孔径，易于镀铝层的形成，且该石墨烯气凝胶还具有较低的密度，可以实现材料的轻质化，同时该石墨烯气凝胶还具有高电导率。
在一些实施例中，石墨烯气凝胶的比表面积为100m2/g～400m2/g，孔径为5nm～15nm。石墨烯气凝胶的比表面积还可以独立的选择150m2/g、200m2/g、250m2/g、300m2/g、350m2/g。
在一些实施例中，石墨烯气凝胶的密度为50mg/cm3～150mg/cm3。
在一些实施例中，电解盐可以包括氯化钠、氯化钾和氯化铝中的一种或多种。在一优选实施例中，电解盐为氯化钠、氯化钾和氯化铝。氯化钠、氯化钾和氯化铝的质量比可以为1：(1～3)：(6～10)，还可以选择1:2:6、1:2:7、1:2:8、1:2:9、1:3:7、1:2:8、1:2:9、1:1:7、1:1:8、1:1:9。
在一些实施例中，电解盐熔融的温度为180℃～220℃，还可以选择190℃、200℃、210℃。
在一实施例中，电解盐可预先进行干燥处理。
本发明实施例还提供一种由上述的石墨烯铝复合材料的制备方法制备得到的石墨烯铝复合材料。
该石墨烯铝复合材料包括石墨烯水凝胶基体和形成在所述基体上的镀铝层。镀铝层的厚度可以为50μm～1mm。
本发明实施例进一步提供一种包含权利要求9或10所述石墨烯铝复合材料的电缆或电线。
以下为具体实施例：
实施例1
(1)分别称量10g氯化钠、10g氯化钾、80g氯化铝，并分别在120℃下干燥4h。
(2)将浓度为5mg/ml的氧化石墨烯水溶液100mL进行冷冻干燥，冷冻干燥温度为-50℃，冷冻干燥时间为20h，将制备的氧化石墨烯气凝胶切割成为50×50×50mm的小块，在2000℃真空环境下还原2h，制得石墨烯气凝胶。
(3)将步骤(1)干燥好的氯化钠、氯化钾以及氯化铝混合后放入电解槽中作为电解盐，同时将直径为
Figure BDA0002351199180000051
的纯铝棒作为阳极，将步骤(2)制备的石墨烯气凝胶作为阴极，分别***电解盐中，然后通过真空泵将电解槽真空度抽至5Pa以下，再通入氩气至常压。
(4)给电解槽进行加热至温度为200℃，保温使电解盐变成熔融态。
(5)向上述电解装置中通入300mA电解电流，电解60min，取出电解后的阴极，用去离子水冲洗得到石墨烯铝复合材料。
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(1)中，氯化铝为60g。
实施例3
与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(1)中，氯化铝为100g。
实施例4
与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(5)中，电解电流为250mA。
实施例5
与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(5)中，电解电流为350mA。
对比例
将实施例1步骤(2)制得的石墨烯气凝胶浸入熔融态的铝液中，浸没时间为40min，然后空冷得到石墨烯铝复合材料。
测试例
经实施例1～5以及对比例制得的石墨烯铝复合材料进行抗拉强度和导电性测试。抗拉强度测试为材料线切割为拉伸区间为18mm的“狗骨头”形状，进行表面抛光后，用万能实验拉伸机进行拉力测试，拉伸速率为0.5mm/min，导电性测试方法为将材料表面进行机械抛光后，用涡流式电导率仪进行测试，测试结果如表1所示：
表1
抗拉强度/MPa 导电率/％IACS
实施例1 55 75
实施例2 48 72
实施例3 50 70
实施例4 51 72
实施例5 47 73
对比例 36 70
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供石墨烯气凝胶并将所述石墨烯气凝胶作为阴极置于熔融电解盐中，阳极为金属铝，电解电流为250mA～350mA，其中，所述电解盐为氯化钠、氯化钾和氯化铝，所述电解盐中氯化钠、氯化钾和氯化铝的质量比为1：(1～3)：(6～10)。
2.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯气凝胶通过冰模板法形成石墨烯气凝胶。
3.根据权利要求2所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述冰模板法形成石墨烯气凝胶的方法包括：
将氧化石墨烯水溶液进行真空冷冻干燥的步骤，所述冷冻干燥的温度为-50℃～-75℃，冷冻干燥时间为20h～30h；以及
真空热处理还原的步骤，所述热处理的温度为1500℃～2500℃，热处理还原时间为2h～4h。
4.根据权利要求1～3任一项所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯气凝胶的密度为50mg/cm3～150mg/cm3。
5.根据权利要求1～3任一项所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯气凝胶的孔径为5nm～15nm，比表面积为100m2/g～400m2/g。
6.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述电解盐中氯化钠、氯化钾和氯化铝的质量比为1:1:8。
7.一种由权利要求1～6任一项所述的石墨烯铝复合材料的制备方法制备得到的石墨烯铝复合材料。
8.根据权利要求7所述的石墨烯铝复合材料，其特征在于，包括石墨烯气 凝胶基体和形成在所述基体上的镀铝层，所述镀铝层的厚度为50μm～1mm。
9.包含权利要求7或8所述石墨烯铝复合材料的电缆或电线。
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