CN112030029A - 一种高导电的金属复合材料，及其制备方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种高导电的金属复合材料，及其制备方法和设备。本发明通过先超声波混料，再加热搅拌，接着烘干，最后熔化搅拌的方式，将石墨烯、碳纳米管和金属粉复合成高导电的的新型材料，而且制备过程中所采用的搅拌设备，其结构包括开孔筒体单元、浮动开孔环单元、连接弹性管、安装管、充气软管以及卡合夹紧单元，用于在搅拌前对金属粉进行预先吹散混合。本发明具有金属复合材料的导电性能好，制备方法简单高效，所采用的搅拌设备结构合理有效，金属粉预先均匀吹散的方式大大节省了搅拌时间，可控的吹散动作可以避免金属粉大量贴附在搅拌柱上，以及整体搅拌动作高效、均匀的优点。

Description

一种高导电的金属复合材料，及其制备方法和设备
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种高导电的金属复合材料，及其制备方法和设备。
背景技术
复合材料，一般指的是多种不同类型的物料混合在一起制得的新型材料，目的是可以兼具多种物料的优点，例如现有的高导电金属复合材料，即为金属物料和碳材料的混合产品，兼具高导电、质量轻以及高导热等诸多优点。
但是另一方面，目前的高导电金属复合材料生产线，大多都存在一定程度的以下三个问题：
第一，生产流程复杂、耗能高、耗时长，整体效率低。
第二，缺少专用的生产设备，因此整体生产效率提不上去。
第三，最终得到的复合材料自身导电性能提升不明显，电导率始终维持在3.3-3.5*107S/m这个范围内，不能突破。
综上所述，市场上急需一种简单高效的高导电金属复合材料生产方法、生产设备，以及最终导电性能优异的新型高导电金属复合材料。
专利公开号为CN103602850A，公开日为2014.02.26的中国发明专利公开了一种高导电碳纳米管金属基复合材料，组成成分及其体积百分数为碳纳米管0.1～30%，金属70～99.9%，所述金属为铜、铝或者铜铝的合金。
但是该发明专利中的金属基复合材料存在导电性能相对较差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高导电的金属复合材料，及其制备方法和设备，其能通过先超声波混料，再加热搅拌，接着烘干，最后熔化搅拌的方式，将石墨烯、碳纳米管和金属粉复合成高导电的的新型材料，而且制备过程中所采用的搅拌设备，其结构包括开孔筒体单元、浮动开孔环单元、连接弹性管、安装管、充气软管以及卡合夹紧单元，用于在搅拌前对金属粉进行预先吹散混合。本发明具有金属复合材料的导电性能好，制备方法简单高效，所采用的搅拌设备结构合理有效，金属粉预先均匀吹散的方式大大节省了搅拌时间，可控的吹散动作可以避免金属粉大量贴附在搅拌柱上，以及整体搅拌动作高效、均匀的优点。
本发明解决上述问题采用的技术方案是一种高导电的金属复合材料，包括按重量计的以下各组分：
石墨烯15-18份、
碳纳米管2-8份、
金属粉75-78份、
膨化剂0.2-0.3份。
进一步优选的技术方案在于包括按重量计的以下各组分：
石墨烯15份、
碳纳米管2份、
金属粉76份、
膨化剂0.2份。
进一步优选的技术方案在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管或单壁碳纳米管中的任意一种或两种组合物；所述金属粉的粒径为0.1-5.0μm，为铝、金、锡、锌、钛、钴、锰以及钼中的任意一种；所述膨化剂为氯化钾、二氧化硅或氟化钙中的任意一种。
一种高导电的金属复合材料的制备方法，依次包括以下步骤：
S1、超声波混料：在超声波反应器中添加有机溶剂、石墨烯、碳纳米管以及膨化剂，超声波混合后，得到分散体；
S2、加热搅拌：在所述分散体中加入部分金属粉，加热搅拌，得到湿料；
S3、烘干：对所述湿料进行烘干操作，得到复合金属粉；
S4、熔化搅拌：对剩余金属粉进行熔化操作，加入所述复合金属粉，搅拌均匀后冷却，就得到所述高导电的金属复合材料。
进一步优选的技术方案在于S1中，超声波的频率为15-22kHz，处理时间为1.5-2.2h；S2中，加热温度为150-220℃；S3中，烘干温度为250-280℃，烘干时间为0.5-0.6h；S4中，熔化温度为2800-3500℃，并在氮气氛围下进行搅拌和冷却操作。
一种用于生产高导电的金属复合材料的设备，包括搅拌机主体，搅拌柱，加料口以及加料盖，还包括竖直设置在所述搅拌机主体内底面上且位于搅拌区域外侧并用于对待搅拌物料进行充气混合的开孔筒体单元，套接设置在所述开孔筒体单元上并用于在待搅拌物料液面上方进行金属粉均匀吹散操作的浮动开孔环单元，设置在所述浮动开孔环单元环形上表面上并用于封盖所述浮动开孔环单元上方的所述开孔筒体单元的出气结构的连接弹性管，***设置在所述加料盖内且外连充气设备的安装管，两端分别连接所述安装管和所述开孔筒体单元的充气软管，以及设置在所述开孔筒体单元上并用于卡合固定所述连接弹性管上端和所述充气软管下端的卡合夹紧单元。
进一步优选的技术方案在于所述开孔筒体单元包括圆筒主体，设置在所述圆筒主体环形下端面上并用于预留下端充气孔的安装柱，设置在所述圆筒主体上并用于对待搅拌物料进行充气混合的下方出气孔，设置在所述圆筒主体上并用于在待搅拌物料液面上方进行金属粉均匀吹散操作的上方出气孔，设置在所述下方出气孔和所述上方出气孔上的***管，设置在所有所述***管外侧端上且横向截面形状为扇环形并用于环向卡合固定所述浮动开孔环单元的竖向条，以及设置在所述竖向条上并对齐所述上方出气孔的条上出气孔。
进一步优选的技术方案在于所述浮动开孔环单元包括套在所述圆筒主体上且可以在待搅拌物料液面上浮动的圆环主体，设置在所述圆环主体上并用于所述竖向条卡合***的弧形槽口，以及从所述弧形槽口向外开设并对齐所述条上出气孔和所述上方出气孔的外扩式出气孔。
进一步优选的技术方案在于所述上方出气孔的数量为3-4个，待搅拌物料添加至所述外扩式出气孔对齐任意一个所述上方出气孔，位于液面以下的所述上方出气孔进行待搅拌物料的充气混合操作，位于液面以上的所述上方出气孔通过被所述连接弹性管封盖后密封的方式以用于减少金属粉被吹起后贴附在所述搅拌柱的量。
进一步优选的技术方案在于所述卡合夹紧单元包括设置在所述圆筒主体外环面上且位于所述充气软管下端管口内部上方位置处的上凸起圆环，设置在所述圆筒主体外环面上且位于所述连接弹性管上端管口内部下方位置处的下凸起圆环，以及位于所述上凸起圆环和所述下凸起圆环之间并用于在外侧弹力夹紧所述充气软管和所述连接弹性管的弹性绳环。
本发明通过先超声波混料，再加热搅拌，接着烘干，最后熔化搅拌的方式，将石墨烯、碳纳米管和金属粉复合成高导电的的新型材料，而且制备过程中所采用的搅拌设备，其结构包括开孔筒体单元、浮动开孔环单元、连接弹性管、安装管、充气软管以及卡合夹紧单元，用于在搅拌前对金属粉进行预先吹散混合。本发明具有金属复合材料的导电性能好，制备方法简单高效，所采用的搅拌设备结构合理有效，金属粉预先均匀吹散的方式大大节省了搅拌时间，可控的吹散动作可以避免金属粉大量贴附在搅拌柱上，以及整体搅拌动作高效、均匀的优点。
附图说明
图1为本发明中制备方法的流程图。
图2为本发明中搅拌机的结构示意图。
图3为本发明中浮动开孔环单元未触发金属粉吹散动作时的位置示意图，其中标记L为液面。
图4为本发明中其中一个上方出气孔对齐外扩式出气孔，金属粉均匀吹散动作生效时浮动开孔环单元的位置结构示意图，其中标记L为液面。
图5为本发明中竖向条在俯视角度下的位置结构示意图。
图6为本发明中竖向条的安装位置示意图。
图7为本发明中竖向条的结构示意图。
图8为本发明中卡合夹紧单元的位置结构示意图。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的范围进行限定。
实施例：如附图1、2、3、4、5、6、7以及附图8所示，一种高导电的金属复合材料，包括按重量计的以下各组分：石墨烯15份、碳纳米管2份、金属粉76份、膨化剂0.2份。
所述碳纳米管为多壁碳纳米管；所述金属粉的粒径为0.1-1.2μm，为铝粉；所述膨化剂为氯化钾。
在本实施例中，最终制得的所述金属复合材料的电导率在3.8-3.9*107S/m之间，因此具有高导电的优点。
一种高导电的金属复合材料的制备方法，依次包括以下步骤：
S1、超声波混料：在超声波反应器中添加有机溶剂、石墨烯、碳纳米管以及膨化剂，超声波混合后，得到分散体；
S2、加热搅拌：在所述分散体中加入部分金属粉，加热搅拌，得到湿料；
S3、烘干：对所述湿料进行烘干操作，得到复合金属粉；
S4、熔化搅拌：对剩余金属粉进行熔化操作，加入所述复合金属粉，搅拌均匀后冷却，就得到所述高导电的金属复合材料。
S1中，超声波的频率为15kHz，处理时间为2.0h；S2中，加热温度为160℃；S3中，烘干温度为260℃，烘干时间为0.5h；S4中，熔化温度为3000℃，并在氮气氛围下进行搅拌和冷却操作。
在本实施例中，上述制备方法中未提及部分，都按现有技术的方式进行，保证顺利得到所述金属复合材料即可。
一种用于生产高导电的金属复合材料的设备，包括搅拌机主体11，搅拌柱12，加料口13以及加料盖14，还包括竖直设置在所述搅拌机主体11内底面上且位于搅拌区域外侧并用于对待搅拌物料进行充气混合的开孔筒体单元1，套接设置在所述开孔筒体单元1上并用于在待搅拌物料液面上方进行金属粉均匀吹散操作的浮动开孔环单元2，设置在所述浮动开孔环单元2环形上表面上并用于封盖所述浮动开孔环单元2上方的所述开孔筒体单元1的出气结构的连接弹性管3，***设置在所述加料盖14内且外连充气设备的安装管4，两端分别连接所述安装管4和所述开孔筒体单元1的充气软管5，以及设置在所述开孔筒体单元1上并用于卡合固定所述连接弹性管3上端和所述充气软管5下端的卡合夹紧单元6。
在本实施例中，所述搅拌机主体11中的加料量是特定的，即所述浮动开孔环单元2必须在上浮后对齐一个所述开孔筒体单元1的开孔，这样所述开孔筒体单元1上的开孔具有三种工作形态，第一是位于所述浮动开孔环单元2下方的开孔，则起到往物料里面充气，进行充气混合操作，用于进一步强化搅拌效果，缩短搅拌时间；第二是对齐所述浮动开孔环单元2的开孔，用于在接近液面的位置处，预先吹散金属粉，这样可以减轻搅拌时的工作量；第三，位于所述浮动开孔环单元2上方的开孔，被所述连接弹性管3封闭，仅仅是吹胀所述连接弹性管3，不会出气吹动金属粉，这样做的好处是，避免将大量金属粉直接吹到所述搅拌柱12上、所述搅拌机主体11内壁上，避免造成金属粉大量浪费的问题。
本实施例中，采用仅有最接近液面的开孔处进行金属粉吹散的方式，保证适当的吹散效果，避免大量金属粉扬起，贴附在设备上后不可被利用的问题，此外所述安装管4、充气软管5以及卡合夹紧单元6用于保证气体的有效***，本实施例中采用氮气充入。
所述开孔筒体单元1包括圆筒主体101，设置在所述圆筒主体101环形下端面上并用于预留下端充气孔的安装柱102，设置在所述圆筒主体101上并用于对待搅拌物料进行充气混合的下方出气孔103，设置在所述圆筒主体101上并用于在待搅拌物料液面上方进行金属粉均匀吹散操作的上方出气孔104，设置在所述下方出气孔103和所述上方出气孔104上的***管105，设置在所有所述***管105外侧端上且横向截面形状为扇环形并用于环向卡合固定所述浮动开孔环单元2的竖向条106，以及设置在所述竖向条106上并对齐所述上方出气孔104的条上出气孔107。
所述浮动开孔环单元2包括套在所述圆筒主体101上且可以在待搅拌物料液面上浮动的圆环主体201，设置在所述圆环主体201上并用于所述竖向条106卡合***的弧形槽口202，以及从所述弧形槽口202向外开设并对齐所述条上出气孔107和所述上方出气孔104的外扩式出气孔203。
所述上方出气孔104的数量为3-4个，待搅拌物料添加至所述外扩式出气孔203对齐任意一个所述上方出气孔104，位于液面以下的所述上方出气孔104进行待搅拌物料的充气混合操作，位于液面以上的所述上方出气孔104通过被所述连接弹性管3封盖后密封的方式以用于减少金属粉被吹起后贴附在所述搅拌柱12的量。
在本实施例中，所述浮动开孔环单元2的使用方法及优点如下。
第一，所述搅拌机主体11内加料，所述圆环主体201靠浮力上移，且与竖向条106和所述圆筒主体101之间始终的紧密贴合的，直至所述外扩式出气孔203对齐任意一个所述上方出气孔104。
第二，充气设备打开，氮气依次通过安装管4、充气软管5以及圆筒主体101，在所述圆筒主体101下端开口、下方出气孔103，以及可能有的位于所述圆环主体201下方的所述上方出气孔104处流出，起到充气搅拌的目的，可以辅助所述搅拌柱12处的机械搅拌动作。
第三，对齐所述外扩式出气孔203处的所述上方出气孔104，通过所述条上出气孔107，进行仅在液面上方较小高度处的金属粉预先吹散操作，达到金属粉预先洒落均匀的目的，避免单一一处下料后需要后期大量搅拌动作的问题，而且更重要的是，位于所述圆环主体201上方的所述上方出气孔104，被所述连接弹性管3“闷朱”，不会吹散金属粉，因此可以避免大量金属粉在整个所述搅拌机主体11上方空间内大幅扬起被吹动，最终大量贴附在设备上，造成不能进入搅拌料的问题。
第四，所述竖向条106与所述圆筒主体101通过所述***管105固定，与所述圆环主体201通过所述弧形槽口202固定，因此所述圆环主体201只能竖向移动，不能发生有害的环形旋转，避免所述外扩式出气孔203对不齐所述上方出气孔104。
所述卡合夹紧单元6包括设置在所述圆筒主体101外环面上且位于所述充气软管5下端管口内部上方位置处的上凸起圆环601，设置在所述圆筒主体101外环面上且位于所述连接弹性管3上端管口内部下方位置处的下凸起圆环602，以及位于所述上凸起圆环601和所述下凸起圆环602之间并用于在外侧弹力夹紧所述充气软管5和所述连接弹性管3的弹性绳环603。
在本实施例中，所述上凸起圆环601、下凸起圆环602以及弹性绳环603均用于保证管路整体连接的气密性。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种修改。这些都是不具有创造性的修改，只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种高导电的金属复合材料，其特征在于包括按重量计的以下各组分：
石墨烯15-18份、
碳纳米管2-8份、
金属粉75-78份、
膨化剂0.2-0.3份。
2.根据权利要求1所述的一种高导电的金属复合材料，其特征在于包括按重量计的以下各组分：
石墨烯15份、
碳纳米管2份、
金属粉76份、
膨化剂0.2份。
3.根据权利要求1所述的一种高导电的金属复合材料，其特征在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管或单壁碳纳米管中的任意一种或两种组合物；所述金属粉的粒径为0.1-5.0μm，为铝、金、锡、锌、钛、钴、锰以及钼中的任意一种；所述膨化剂为氯化钾、二氧化硅或氟化钙中的任意一种。
4.一种如权利要求1所述的高导电的金属复合材料的制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：
S1、超声波混料：在超声波反应器中添加有机溶剂、石墨烯、碳纳米管以及膨化剂，超声波混合后，得到分散体；
S2、加热搅拌：在所述分散体中加入部分金属粉，加热搅拌，得到湿料；
S3、烘干：对所述湿料进行烘干操作，得到复合金属粉；
S4、熔化搅拌：对剩余金属粉进行熔化操作，加入所述复合金属粉，搅拌均匀后冷却，就得到所述高导电的金属复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种高导电的金属复合材料的制备方法，其特征在于：S1中，超声波的频率为15-22kHz，处理时间为1.5-2.2h；S2中，加热温度为150-220℃；S3中，烘干温度为250-280℃，烘干时间为0.5-0.6h；S4中，熔化温度为2800-3500℃，并在氮气氛围下进行搅拌和冷却操作。
6.一种用于生产如权利要求1所述的高导电的金属复合材料的设备，包括搅拌机主体（11），搅拌柱（12），加料口（13）以及加料盖（14），其特征在于：还包括竖直设置在所述搅拌机主体（11）内底面上且位于搅拌区域外侧并用于对待搅拌物料进行充气混合的开孔筒体单元（1），套接设置在所述开孔筒体单元（1）上并用于在待搅拌物料液面上方进行金属粉均匀吹散操作的浮动开孔环单元（2），设置在所述浮动开孔环单元（2）环形上表面上并用于封盖所述浮动开孔环单元（2）上方的所述开孔筒体单元（1）的出气结构的连接弹性管（3），***设置在所述加料盖（14）内且外连充气设备的安装管（4），两端分别连接所述安装管（4）和所述开孔筒体单元（1）的充气软管（5），以及设置在所述开孔筒体单元（1）上并用于卡合固定所述连接弹性管（3）上端和所述充气软管（5）下端的卡合夹紧单元（6）。
7.根据权利要求6所述的一种用于生产高导电的金属复合材料的设备，其特征在于：所述开孔筒体单元（1）包括圆筒主体（101），设置在所述圆筒主体（101）环形下端面上并用于预留下端充气孔的安装柱（102），设置在所述圆筒主体（101）上并用于对待搅拌物料进行充气混合的下方出气孔（103），设置在所述圆筒主体（101）上并用于在待搅拌物料液面上方进行金属粉均匀吹散操作的上方出气孔（104），设置在所述下方出气孔（103）和所述上方出气孔（104）上的***管（105），设置在所有所述***管（105）外侧端上且横向截面形状为扇环形并用于环向卡合固定所述浮动开孔环单元（2）的竖向条（106），以及设置在所述竖向条（106）上并对齐所述上方出气孔（104）的条上出气孔（107）。
8.根据权利要求7所述的一种用于生产高导电的金属复合材料的设备，其特征在于：所述浮动开孔环单元（2）包括套在所述圆筒主体（101）上且可以在待搅拌物料液面上浮动的圆环主体（201），设置在所述圆环主体（201）上并用于所述竖向条（106）卡合***的弧形槽口（202），以及从所述弧形槽口（202）向外开设并对齐所述条上出气孔（107）和所述上方出气孔（104）的外扩式出气孔（203）。
9.根据权利要求7所述的一种用于生产高导电的金属复合材料的设备，其特征在于：所述上方出气孔（104）的数量为3-4个，待搅拌物料添加至所述外扩式出气孔（203）对齐任意一个所述上方出气孔（104），位于液面以下的所述上方出气孔（104）进行待搅拌物料的充气混合操作，位于液面以上的所述上方出气孔（104）通过被所述连接弹性管（3）封盖后密封的方式以用于减少金属粉被吹起后贴附在所述搅拌柱（12）的量。
10.根据权利要求7所述的一种用于生产高导电的金属复合材料的设备，其特征在于：所述卡合夹紧单元（6）包括设置在所述圆筒主体（101）外环面上且位于所述充气软管（5）下端管口内部上方位置处的上凸起圆环（601），设置在所述圆筒主体（101）外环面上且位于所述连接弹性管（3）上端管口内部下方位置处的下凸起圆环（602），以及位于所述上凸起圆环（601）和所述下凸起圆环（602）之间并用于在外侧弹力夹紧所述充气软管（5）和所述连接弹性管（3）的弹性绳环（603）。
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