CN114164355B - 一种石墨烯增强金属复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金技术领域，特别涉及一种石墨烯增强金属复合材料及其制备方法和应用。本发明提供了一种石墨烯增强金属复合材料，包括金属基体和增强相；所述增强相包括石墨烯外壳和在所述石墨烯外壳内的金属颗粒；所述金属基体为铜或硬质合金；所述金属基体和金属颗粒的材质相同。本发明提供的石墨烯增强金属复合材料综合性能优良，其中，石墨烯增强铜基金属材料具有高强度、高塑性以及优良的导电性，石墨烯增强硬质合金材料具有高硬度和优异的耐磨性能。

Description

一种石墨烯增强金属复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于合金技术领域，特别涉及一种石墨烯增强金属复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
合金材料的性能通常有难以平衡提高的情况。例如铜基复合材料通常有强度、塑性以及导电性的不匹配问题，硬质合金的高硬度和高断裂韧性一直存在矛盾(H,E,Exner.Physical and chemical nature of cemented carbides[J].InternationalMaterials Reviews,1979,24(1):149-173)。石墨烯是一种二维碳纳米材料，由于其优异的电学、热学和力学性能而被广泛关注，是金属基复合材料理想的增强材料。然而，尽管石墨烯作为增强相在高分子和陶瓷领域取得了成功，但由于严重的团聚性以及与金属基体较差的界面结合性，影响了其在金属领域的增强效果。
例如，石墨烯增强铜基复合材料，往往在提升强度的同时以降低塑性和导电性为代价，这是由于石墨烯和铜很难有效结合并分散均匀，通过球磨处理固然可在一定程度上使石墨烯与铜基体通过物理粘附结合，但是高能球磨对石墨烯的结构破坏严重，低速球磨又达不到有效粘附。另外使用金属纳米粒子负载修饰石墨烯可有效解决石墨烯与金属界面结合差的问题，但是过程涉及复杂的化学反应且存在石墨烯负载量不可控的问题，而且通过化学还原的纳米颗粒附带的大量杂质会影响所得铜基复合材料的导电性等性能。现有含石墨烯的铜基材料，无法兼顾强塑性和高导电性。
又如，石墨烯增强硬质合金基复合材料中，韧性的提高往往伴随着强度、硬度的下降，已有研究表明，当碳化钨的晶粒尺寸减小到纳米级时，硬质合金的强度、硬度有显著提升，韧性也有一定的提升，打破了传统硬质合金随着硬度上升、韧性下降的趋势，但纳米碳化钨烧结活性高，在烧结过程中极易发生粗化，硬质合金的性能欠佳(K.Jia,T.E.Fischer,B.Gallois.Microstructure,hardness and toughness of nanostructured andconventional WC-Co composites[J].Nanostructured Materials,1998,10(5):875-891)。在硬质合金强度、硬度和韧性相互矛盾的问题上，研究人员进行的大量研究，尽管已提出了很多种制备方法，但都难以使硬质合金的强度、硬度、韧性同时提高，原因是石墨烯的加入难以达到很好的分散效果，与硬质合金基体的结合力不够，且纳米碳化钨的异常长大也无法使硬质合金的力学性能可控制的提高(Hezaveh Taraneh,Moazami-GoudarziMohammad,Kazemi Arghavan.Effects of GNP on the mechanical properties andsliding wear of WC-10wt％Co cemented carbide[J].Ceramics International,2021,47(13):18020-18029)。现有含石墨烯的硬质合金材料无法兼顾高硬度和高耐磨性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种石墨烯增强金属复合材料，本发明提供的石墨烯增强金属复合材料综合性能优良。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种石墨烯增强金属复合材料，包括金属基体和增强相；所述增强相包括石墨烯外壳和在所述石墨烯外壳内的金属颗粒；所述金属基体为铜或硬质合金；所述金属基体和金属颗粒的材质相同。
优选的，所述石墨烯增强金属复合材料中石墨烯的含量为0.1～0.5wt.％。
优选的，所述石墨烯增强金属复合材料中金属颗粒的含量为10～50wt.％。
优选的，所述增强相的尺寸为0.05～15μm，所述金属基体的尺寸为0.5μm～20μm。
本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯增强金属复合材料的制备方法，当所述金属基体为铜时，包括以下步骤：
将带相反电荷的氧化石墨烯和铜颗粒混合，氧化石墨烯和铜颗粒静电吸附形成增强相前驱体；
将所述增强相前驱体和铜基体混合进行烧结，得到所述石墨烯增强金属复合材料；
当所述金属基体为硬质合金时，包括以下步骤：
将带相反电荷的石墨烯和硬质合金颗粒混合，石墨烯和硬质合金颗粒静电吸附形成增强相；
将所述增强相和硬质合金基体混合进行烧结，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
优选的，当所述金属基体为铜时，所述带相反电荷的氧化石墨烯和铜颗粒分别为带负电的氧化石墨烯和带正电的铜颗粒；
所述带正电的铜颗粒为十六烷基三甲基溴化铵改性铜颗粒。
优选的，当所述金属基体为硬质合金时，带相反电荷的石墨烯和硬质合金颗粒分别为带正电的石墨烯和带负电的硬质合金颗粒；
所述带正电的石墨烯为十六烷基三甲基溴化铵改性石墨烯；所述带负电的硬质合金颗粒为十二烷基硫酸钠改性硬质合金颗粒。
优选的，所述金属基体为铜时，所述铜颗粒的尺寸为0.5～2μm，所述铜基体的尺寸为5～20μm；所述金属基体为硬质合金时，所述硬质合金颗粒的尺寸为0.05～2μm，所述硬质合金基体的尺寸为0.5～10μm。
优选的，所述金属基体为铜时，所述烧结为：由室温以第一升温速率升温至第一温度保温，所述保温后以第一降温速率降温至第一降温温度，随炉冷却；
所述第一升温速率为7～10℃/min，所述第一温度为850～920℃，保温时间为1～1.5h；所述第一降温速率为7～10℃/min，所述第一降温温度为100～200℃；
所述金属基体为硬质合金时，所述烧结为：由室温以第I升温速率升温至第I温度保温，所述保温后以第I降温速率降温至第I降温温度，随炉冷却；
所述第I升温速率为7～10℃/min，所述第I温度为1400～1460℃，保温时间为1.5～2.5h；所述第I降温速率为7～10℃/min，所述第I降温温度为100～200℃。
本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯增强金属复合材料或上述技术方案所述制备方法得到的石墨烯增强金属复合材料的应用，当所述金属基体为铜时，所述应用为在电子封装、电器开关和集成电路中的应用；
当所述金属基体为硬质合金时，所述应用为在切削刀具、轴承、钻进工具、钢丝拔制模、矿山机械和结构件中的应用。
本发明提供了一种石墨烯增强金属复合材料，包括金属基体和增强相；所述增强相包括石墨烯外壳和在所述石墨烯外壳内的金属颗粒；所述金属基体为铜或硬质合金；所述金属基体和金属颗粒的材质相同。
在本发明中，当金属基体为铜时，石墨烯包覆铜颗粒形成增强相，增强相使石墨烯与铜基体发生界面反应，强化界面结合，同时可填补烧结空隙，提高烧结致密度；在烧结过程中，增强相内的铜颗粒作为流动载体可防止石墨烯粘贴团聚，使石墨烯分散均匀，进而保证增强相均匀分散，而且均匀分布的增强相通过包覆结构阻碍增强相颗粒长大，转移载荷等协同作用提高了石墨烯增强金属复合材料的强度和塑性；增强相在大尺寸铜基体晶粒之间构建了连通桥梁，其表面的石墨烯为电子传输提供了一条快速通道，可以弥补晶粒细化和烧结缺陷对电导率的负影响，使得石墨烯增强金属复合材料在高强塑性同时提高导电性。
当金属基体为硬质合金时，本发明在硬质合金材料的合金基体中引入了由石墨烯包覆硬质合金颗粒形成的增强相，石墨烯发挥了抑制晶粒长大的作用，有效阻止了烧结过程中纳米、微米尺度碳化钨晶粒长大，具有包覆结构的增强相中，硬质合金颗粒阻碍了石墨烯的团聚，使石墨烯分散均匀，硬质合金颗粒与石墨烯形成的增强相填充了硬质合金颗粒之间的孔隙，使硬质合金中的粘结相钴分布更为均匀，细化的晶粒和增强相协同提升了复合材料的硬度；而且，石墨烯的润滑作用使含石墨烯的硬质合金摩擦系数明显降低，硬度的提升也会降低硬质合金的摩擦系数；分布均匀的钴相使钴在摩擦过程中脱离基体变得更加困难，降低钴相脱离，即降低碳化钨晶粒脱离基体后形成磨粒的可能性，进而使被磨粒磨损带走的基体材料减少，与石墨烯的润滑作用协同提高了复合材料的耐磨性能和断裂韧性，实现了同步提高硬质合金的硬度、耐磨性能和断裂韧性目的。
实施例测试结果表明，当合金基体为铜时，本发明提供的石墨烯增强金属复合材料的致密度为95～97％，硬度为95～106.8HV，抗拉强度为191～245MPa，伸长率为31～59％，屈服强度为52～119MPa，导电性为84～95IACS％。当合金基体为硬质合金时，本发明提供的石墨烯增强金属复合材料的硬度为1703～1882HV，耐磨损性能优异。
附图说明
图1为氧化石墨烯的AFM图；
图2为为图1中白线部分的厚度图；
图3为氧化石墨烯、铜基体粉末、铜颗粒、对比例1中铜基材料和实施例1所得石墨烯增强金属复合材料的SEM图；
图4为拉伸测试中试样尺寸图；
图5为不同石墨烯含量条件下材料致密度变化曲线图；
图6为不同石墨烯含量条件下材料硬度变化曲线图；
图7为不同石墨烯含量条件下材料导电性曲线图；
图8为实施例4所得石墨烯增强金属复合材料的SEM图；
图9为对比例6所得石墨烯增强金属复合材料的SEM图；
图10为对比例7所得石墨烯增强金属复合材料的SEM图；
图11为实施例4～6和对比例6～7所得石墨烯增强金属复合材料的硬度
图12为实施例4和对比例6～7所得石墨烯增强金属复合材料的摩擦系数图；
图13为实施例4和对比例6～7所得石墨烯增强金属复合材料的磨痕图。
具体实施方式
本发明提供了一种石墨烯增强金属复合材料，包括金属基体和增强相；所述增强相包括石墨烯外壳和在所述石墨烯外壳内的金属颗粒；所述金属基体为铜或硬质合金；所述基体和金属颗粒的材质相同。
在本发明中，所述石墨烯增强金属复合材料包括金属基体。在本发明中，所述金属基体为铜或硬质合金。在本发明中，所述硬质合金的化学组成为硬质相和粘结相。在本发明中，所述硬质相优选包括碳化钨；所述粘结相优选包括钴。在本发明中，当所述金属基体为铜时，所述石墨烯增强金属复合材料为石墨烯增强铜基材料；当所述金属基体为硬质合金时，所述石墨烯增强金属复合材料为石墨烯增强硬质合金材料。
在本发明中，所述石墨烯增强金属复合材料包括增强相；所述增强相包括所述增强相包括石墨烯外壳和在所述石墨烯外壳内的金属颗粒。
在本发明中，所述金属基体和金属颗粒的材质相同。
在本发明中，所述石墨烯增强金属复合材料中石墨烯的含量优选为0.1～0.5wt.％。具体的，当所述金属基体为铜时，所述石墨烯增强铜基材料中石墨烯的含量优选为0.1～0.5wt.％，更优选为0.1～0.3wt.％。当所述金属基体为硬质合金时，所述石墨烯增强硬质合金材料中石墨烯的含量优选为0.1～0.5wt.％，更优选为0.2～0.4wt.％。
在本发明中，所述石墨烯增强金属复合材料中金属颗粒的含量优选为10～50wt.％。具体的，当所述金属基体为铜时，所述石墨烯增强铜基材料中金属颗粒的含量优选为10～50wt.％，更优选为10～30wt.％。当所述金属基体为硬质合金时，所述石墨烯增强硬质合金材料中金属颗粒的含量优选为10～50wt.％，更优选为10～30wt.％。
在本发明中，所述增强相的尺寸优选为0.05～15μm。具体的，当所述金属基体为铜时，所述增强相的尺寸更优选为0.5～15μm，再优选为1～11μm。当所述金属基体为硬质合金时，所述增强相的尺寸更优选为0.05～15μm，再优选为0.5～10μm，进一步优选为1～8μm。
在本发明中，所述金属基体的尺寸优选为0.5～20μm。具体的，当所述金属基体为铜时，所述金属基体的尺寸更优选为5～20μm，再优选为8～15μm。当所述金属基体为硬质合金时，所述金属基体的尺寸更优选为0.5～10μm，再优选为1～8μm。
本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯增强金属复合材料的制备方法，当所述金属基体为铜时，包括以下步骤：
将带相反电荷的氧化石墨烯和铜颗粒混合，氧化石墨烯和铜颗粒静电吸附形成增强相前驱体；
将所述增强相前驱体和铜基体混合进行烧结，得到所述石墨烯增强金属复合材料；
当所述金属基体为硬质合金时，包括以下步骤：
将带相反电荷的石墨烯和硬质合金颗粒混合，石墨烯和硬质合金颗粒静电吸附形成增强相；
将所述增强相和硬质合金基体混合进行烧结，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
当所述金属基体为铜时，本发明将带相反电荷的氧化石墨烯和铜颗粒混合，氧化石墨烯和铜颗粒静电吸附形成增强相前驱体。
在本发明中，当所述金属基体为铜时，所述带相反电荷的氧化石墨烯和铜颗粒分别为带负电的氧化石墨烯和带正电的铜颗粒；所述带正电的铜颗粒优选为十六烷基三甲基溴化铵改性铜颗粒。
在本发明中，当所述金属基体为铜时，所述增强相前驱体的制备方法优选包括以下步骤：
将铜颗粒和十六烷基三甲基溴化铵混合，得到表面带正电的铜颗粒；
将所述表面带正电的铜颗粒分散在酒精中，得到带正电铜颗粒酒精分散液；
将所述带正电铜颗粒酒精分散液和氧化石墨烯水分散液混合进行静电吸附，得到氧化石墨烯包覆铜颗粒的增强相前驱体。
本发明将铜颗粒和十六烷基三甲基溴化铵混合，得到表面带正电的铜颗粒。
在本发明中，所述铜颗粒的粒径优选为0.5～2μm，更优选为0.6～1.5μm，再优选为0.7～1.2μm。
在本发明中，所述铜颗粒和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的质量比优选为(10～50)：(0.1～0.5)，更优选为(20～30)：(0.2～0.3)。在本发明中，所述十六烷基三甲基溴化铵优选以十六烷基三甲基溴化铵酒精溶液的形式使用；所述十六烷基三甲基溴化铵酒精溶液中十六烷基三甲基溴化铵的质量百分比浓度优选为0.02～1.5％，更优选为0.1～1.3％。在本发明中，所述铜颗粒和十六烷基三甲基溴化铵的混合优选为搅拌，更优选为磁力搅拌；本发明对所述搅拌的速率没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的速率即可；所述搅拌的时间优选为2～3h。搅拌后，本发明优选将所得固体产物进行干燥，得到表面带正电的铜颗粒。在本发明中，所述干燥的温度优选为40～50℃。
得到表面带正电的铜颗粒后，本发明将所述表面带正电的铜颗粒分散在酒精中，得到带正电铜颗粒酒精分散液。
本发明对所述表面带正电的铜颗粒和酒精的含量比例没有特殊限定，以能够将表面带正电的铜颗粒分散在酒精中为准；本发明对所述酒精中乙醇的含量没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的酒精中乙醇的含量即可。
在本发明中，所述分散的方法优选为搅拌；所述搅拌的时间优选为0.5～2h，更优选为1～2h；本发明对所述搅拌的速率没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的搅拌的速率即可。
在本发明中，所述氧化石墨烯的平均片径优选为1～15μm，更优选为1.5～10μm；层数优选为1～100层。
得到带正电铜颗粒酒精分散液后，本发明将所述带正电铜颗粒酒精分散液和氧化石墨烯水分散液混合进行静电吸附，得到氧化石墨烯包铜颗粒的增强相前驱体。
在本发明中，所述氧化石墨烯水分散液的制备方法优选为：将氧化石墨烯置于去离子水中超声剥离，得到所述氧化石墨烯水分散液。本发明对所述氧化石墨烯和去离子水的比例关系没有特殊现场，以能够将氧化石墨烯均匀分散在去离子水中为准。在本发明中，所述超声剥离的时间优选为2～3h；超声的速率优选为40～50kHz。
在本发明中，所述带正电铜颗粒酒精分散液和氧化石墨烯水分散液的混合优选为将氧化石墨烯水分散液加入带正电铜颗粒酒精分散液中。在本发明中，所述带正电铜颗粒酒精分散液和氧化石墨烯水分散液的混合的方法优选为搅拌；所述搅拌的时间优选为0.5～1h；本发明对所述搅拌的速率没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的搅拌的速率即可。本发明通过搅拌，使氧化石墨烯静电吸附带正电的铜颗粒形成增强相前驱体。
在本发明中，所述静电吸附的时间优选为0.5～1h。在本发明中，所述静电吸附优选在搅拌条件下进行。
得到增强体前驱体后，本发明将所述增强相前驱体和铜基体混合进行烧结，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
本发明优选将所述增强相前驱体和铜基体混合，干燥，将所得的增强相前驱体-铜基体粉进行烧结。
在本发明中，所述铜基体的尺寸优选为5～20μm，更优选为8～15μm，再优选为9～14μm。
在本发明中，所述烧结的设备优选为真空热压炉。在本发明的实施例中，所述真空热压炉优选为上海皓越电炉技术有限公司生产，型号优选为VVPgr-15-2000。在本发明中，所述烧结用模具优选为石墨模具。
在本发明中，所述增强相前驱体和铜基体的混合优选为将增强相前驱体和铜基体在液态分散条件下混合；所述液态分散条件优选为增强相前驱体以增强相前驱体水分散液形式使用。将增强相前驱体和铜基体在液态分散条件下混合后，本发明优选将所得固液体系进行固液分离和干燥，所得固体物质即为增强相前驱体-铜基体粉。在本发明中，所述固液分离优选为抽滤；本发明对所述抽滤没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的抽滤即可。在本发明中，所述干燥的温度优选为30-50℃。本发明通过形成增强相前驱体-铜基体粉，使增强相前驱体均匀分散在铜基体的空隙中。
在本发明中，所述金属基体为铜时，所述烧结前优选还包括：抽设备腔室真空至≤20Pa，通入保护气至设备腔室压强为0.02Pa，重复至少3次；所述保护气为氩气。
在本发明中，所述金属基体为铜时，所述烧结优选为：由室温以第一升温速率升温至第一温度保温，所述保温后以第一降温速率降温至第一降温温度，随炉冷却。
在本发明中，所述第一升温速率优选为7～10℃/min，更优选为8～9℃/min；所述第一温度优选为850～920℃，更优选为860～910℃；保温时间优选为1～1.5h，更优选为1～1.4h；所述第一降温速率优选为7～10℃/min，更优选为8～9℃/min；所述第一降温温度优选为100～200℃，更优选为110～200℃。
所述金属基体为铜时，本发明优选还包括：在烧结设备腔室内压强达到0.02MPa时从炉顶释放气体，排出粉末烧结过程中CTAB热解和氧化石墨烯还原释放的杂质气体。
在本发明中，所述金属基体为铜时，所述烧结在保压的条件下进行；所述保压的压力优选为40～50MPa。
所述合金基体为铜时，本发明通过烧结，实现增强相前驱体-铜基体粉中氧化石墨烯热还原为石墨烯，并且完成石墨烯增强金属复合材料的定型。
当所述金属基体为硬质合金时，所述石墨烯增强金属复合材料的制备方法包括以下步骤：
将带相反电荷的石墨烯和硬质合金颗粒混合，石墨烯和硬质合金颗粒静电吸附形成增强相；
将所述增强相和硬质合金基体混合进行烧结，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
本发明将带相反电荷的石墨烯和硬质合金颗粒混合，石墨烯和硬质合金颗粒静电吸附形成增强相。
在本发明中，当所述金属基体为硬质合金时，带相反电荷的石墨烯和硬质合金颗粒分别为带正电的石墨烯和带负电的硬质合金颗粒；所述带正电的石墨烯优选为十六烷基三甲基溴化铵改性石墨烯；所述带负电的硬质合金颗粒优选为十二烷基硫酸钠改性硬质合金颗粒。
在本发明中，当所述金属基体为硬质合金时，所述增强相的制备方法包括以下步骤：
将硬质合金颗粒和十二烷基硫酸钠混合，将所得表面带负电的硬质合金颗粒分散在水中，得到带负电硬质合金颗粒分散液；
将石墨烯和十六烷基三甲基溴化铵混合，将所得表面带正电的石墨烯分散在水中，得到带正电石墨烯分散液；
将所述带负电硬质合金颗粒分散液和带正电石墨烯分散液混合进行静电吸附，得到石墨烯包覆硬质合金颗粒的增强相。
本发明将硬质合金颗粒和十二烷基硫酸钠混合，将所得表面带负电的硬质合金颗粒分散在水中，得到带负电硬质合金颗粒分散液。
在本发明中，所述硬质合金颗粒的粒径优选为0.05～2μm，更优选为0.05～1μm，再优选为0.05～0.5μm。
在本发明中，所述硬质合金颗粒和十二烷基硫酸钠(SDS)的质量比优选为(1～10)：1，更优选为(5～10)：1。在本发明中，所述十二烷基硫酸钠优选以十二烷基硫酸钠酒精溶液的形式使用；所述十二烷基硫酸钠酒精溶液中十二烷基硫酸钠的质量百分比浓度优选为0.5～3％，更优选为0.6～2.5％。在本发明中，所述硬质合金颗粒和十二烷基硫酸钠的混合优选为搅拌，更优选为磁力搅拌；本发明对所述搅拌的速率没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的速率即可；所述搅拌的时间优选为1～3h，更优选为1.5～2.5h。
本发明将石墨烯和十六烷基三甲基溴化铵混合，将所得表面带正电的石墨烯分散在水中，得到带正电石墨烯分散液。
在本发明中，所述石墨烯的平均片径优选为1～15μm，更优选为1.5～10μm；层数优选为1～100层。
在本发明中，所述石墨烯和十六烷基三甲基溴化铵的质量比优选为(1～10)：1，更优选为(1～5)：1。在本发明中，所述十六烷基三甲基溴化铵优选以十六烷基三甲基溴化铵酒精溶液的形式使用；所述十六烷基三甲基溴化铵酒精溶液中十六烷基三甲基溴化铵的质量百分比浓度优选为0.02～1.5％，更优选为0.1～1.3％。在本发明中，所述石墨烯和十六烷基三甲基溴化铵的混合优选为搅拌，更优选为磁力搅拌；本发明对所述搅拌的速率没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的速率即可；所述搅拌的时间优选为1～3h，更优选为1.5～2.5h。
得到带负电硬质合金颗粒分散液和带正电石墨烯分散液后，本发明将所述带负电硬质合金颗粒分散液和带正电石墨烯分散液混合进行静电吸附，得到石墨烯包覆硬质合金颗粒的增强相。
在本发明中，所述带负电硬质合金颗粒分散液和带正电石墨烯分散液的混合优选为将带正电石墨烯分散液加入带负电硬质合金颗粒分散液中。在本发明中，所述带负电硬质合金颗粒分散液和带正电石墨烯分散液的混合的方法优选为搅拌；所述搅拌的时间优选为1～3h，更优选为1～2h；本发明对所述搅拌的速率没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的搅拌的速率即可。本发明通过搅拌，使石墨烯包覆带负电硬质合金颗粒形成增强相。
在本发明中，所述静电吸附的时间优选为0.5～1h。在本发明中，所述静电吸附优选在搅拌的条件下进行。
得到增强体后，本发明将所述增强相和硬质合金基体混合进行烧结，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
在本发明中，所述金属基体为硬质合金时，所述金属基体的尺寸优选为0.5～10μm，更优选为0.8～8μm，再优选为1～5μm。在本发明中，所述金属基体为硬质合金时，所述硬质合金的化学组成为硬质相和粘结相。在本发明中，所述硬质相优选包括碳化钨；所述粘结相优选包括钴。在本发明中，所述硬质合金中碳化钨和钴的质量比优选为(8～9)：1，更优选为(8.3～8.9)：1。
在本发明中，所述金属基体为硬质合金时，所述烧结优选为：由室温以第I升温速率升温至第I温度保温，所述保温后以第I降温速率降温至第I降温温度，随炉冷却。
在本发明中，所述第I升温速率优选为7～10℃/min，更优选为8～9℃/min；所述第I温度优选为1400～1460℃，更优选为1410～1450℃；保温时间优选为1.5～2.5h，更优选为1.6～2.4h；所述第I降温速率优选为7～10℃/min，更优选为8～9℃/min；所述第I降温温度为100～200℃，更优选为110～200℃。
在本发明中，所述金属基体为硬质合金时，所述烧结在保压的条件下进行；所述保压的压力优选为20～50MPa。在本发明中，所述金属基体为硬质合金时，所述烧结在保护气条件下进行；所述保护气为氩气。
所述金属基体为硬质合金时，本发明优选还包括：由所述室温度升温至第I温度过程中，每30min进行一次释放气体；或者，在烧结设备腔室内压强达到0.02MPa时从炉顶释放气体，排出粉末烧结过程中CTAB热解和氧化石墨烯还原释放的杂质气体。
所述合金基体为硬质合金时，本发明通过烧结，完成石墨烯增强金属复合材料的定型。
本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯增强金属复合材料或上述技术方案所述制备方法得到的石墨烯增强金属复合材料的应用。
在本发明中，当所述合金基体为铜时，所述应用为在电子封装、电器开关和集成电路中的应用。
在本发明中，当所述金属基体为硬质合金时，所述应用为在切削刀具、轴承、钻进工具、钢丝拔制模、矿山机械和结构件中的应用。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种石墨烯增强金属复合材料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例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1
将粒径为0.7～1.2μm的铜颗粒和十六烷基三甲基溴化铵的酒精溶液混合搅拌2h，抽滤后将所得的固体物质于50℃干燥，得到表面带正电的铜颗粒；将24.975g所述表面带正电的铜颗粒分散在酒精中，搅拌0.5h，得到带正电铜颗粒酒精分散液；将50mg氧化石墨烯置于去离子水中超声剥离2h，得到氧化石墨烯水分散液；将氧化石墨烯水分散液加入所述带正电铜颗粒酒精分散液中保持搅拌1h，静电吸附，得到氧化石墨烯包覆铜颗粒的增强相前驱体；
将所得增强相前驱体分散于水中，将所得的增强相前驱体水分散液和24.975g粒径为10～15μm的铜基体粉末混合搅拌1h，抽滤后将固体物质于50℃下干燥，得到增强体前驱体-合金基体粉末；
将所得增强体前驱体-金属基体粉末盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至900℃保温1h，升温过程中在腔室内压强达到0.02MPa时从炉顶释放一次气体，排出粉末烧结过程中CTAB热解和氧化石墨烯还原释放的杂质气体，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加40MPa的压力，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
实施例2
将粒径为0.7～1.2μm的铜颗粒和十六烷基三甲基溴化铵的酒精溶液混合搅拌2h，抽滤后将所得的固体物质于50℃干燥，得到表面带正电的铜颗粒；将24.925g所述表面带正电的铜颗粒分散在酒精中，搅拌0.5h，得到带正电铜颗粒酒精分散液；将150mg氧化石墨烯置于去离子水中超声剥离2h，得到氧化石墨烯水分散液；将氧化石墨烯水分散液加入所述带正电铜颗粒酒精分散液中保持搅拌1h，静电吸附，得到氧化石墨烯包覆铜颗粒的增强相前驱体；
将所得增强相前驱体分散于水中，将所得的增强相前驱体水分散液和24.925g粒径为10～15μm的铜基体粉末混合搅拌1h，抽滤后将固体物质于50℃下干燥，得到增强体前驱体-合金基体粉末；
将所得增强体前驱体-金属基体粉末盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至900℃保温1h，升温过程中在腔室内压强达到0.02MPa时从炉顶释放一次气体，排出粉末烧结过程中CTAB热解和氧化石墨烯还原释放的杂质气体，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加40MPa的压力，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
实施例3
将粒径为0.7～1.2μm的铜颗粒和十六烷基三甲基溴化铵的酒精溶液混合搅拌2h，抽滤后将所得的固体物质于50℃干燥，得到表面带正电的铜颗粒；将24.875g所述表面带正电的铜颗粒分散在酒精中，搅拌0.5h，得到带正电铜颗粒酒精分散液；将250mg氧化石墨烯置于去离子水中超声剥离2h，得到氧化石墨烯水分散液；将氧化石墨烯水分散液加入所述带正电铜颗粒酒精分散液中保持搅拌1h，静电吸附，得到氧化石墨烯包覆铜颗粒的增强相前驱体；
将所得增强相前驱体分散于水中，将所得的增强相前驱体水分散液和24.875g粒径为10～15μm的铜基体粉末混合搅拌1h，抽滤后将固体物质于50℃下干燥，得到增强体前驱体-合金基体粉末；
将所得增强体前驱体-金属基体粉末盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至900℃保温1h，升温过程中在腔室内压强达到0.02MPa时从炉顶释放一次气体，排出粉末烧结过程中CTAB热解和氧化石墨烯还原释放的杂质气体，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加40MPa的压力，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
对比例1
将粒径为0.1～1μm的铜颗粒和十六烷基三甲基溴化铵的酒精溶液混合搅拌2h，抽滤后将所得的固体物质于50℃干燥，得到表面带正电的铜颗粒；将49.95g所述表面带正电的铜颗粒分散在酒精中，搅拌0.5h，得到带正电铜酒精分散液；将50mg氧化石墨烯置于去离子水中超声剥离2h，得到氧化石墨烯水分散液；将氧化石墨烯水分散液加入所述带正电铜酒精分散液中保持搅拌1h，得到增强相前驱体-铜粉；
将所得增强相前驱体-铜粉盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至900℃保温1h，升温过程中在腔室内压强达到0.02MPa时从炉顶释放一次气体，排出粉末烧结过程中CTAB热解和氧化石墨烯还原释放的杂质气体，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加40MPa的压力，得到石墨烯增强铜基材料。
对比例2
将粒径为0.1～1μm的铜颗粒和十六烷基三甲基溴化铵的酒精溶液混合搅拌2h，抽滤后将所得的固体物质于50℃干燥，得到表面带正电的铜颗粒；将49.85g所述表面带正电的铜颗粒分散在酒精中，搅拌0.5h，得到带正电铜酒精分散液；将150mg氧化石墨烯置于去离子水中超声剥离2h，得到氧化石墨烯水分散液；将氧化石墨烯水分散液加入所述带正电铜酒精分散液中保持搅拌1h，得到增强相前驱体-铜粉；
将所得增强相前驱体-铜粉盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至900℃保温1h，升温过程中在腔室内压强达到0.02MPa时从炉顶释放一次气体，排出粉末烧结过程中CTAB热解和氧化石墨烯还原释放的杂质气体，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加40MPa的压力，得到石墨烯增强铜基材料。
对比例3
将粒径为0.1～1μm的铜颗粒和十六烷基三甲基溴化铵的酒精溶液混合搅拌2h，抽滤后将所得的固体物质于50℃干燥，得到表面带正电的铜颗粒；将49.75g所述表面带正电的铜颗粒分散在酒精中，搅拌0.5h，得到带正电铜酒精分散液；将250mg氧化石墨烯置于去离子水中超声剥离2h，得到氧化石墨烯水分散液；将氧化石墨烯水分散液加入所述带正电铜酒精分散液中保持搅拌1h，得到增强相前驱体-铜粉；
将所得增强相前驱体-铜粉盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至900℃保温1h，升温过程中在腔室内压强达到0.02MPa时从炉顶释放一次气体，排出粉末烧结过程中CTAB热解和氧化石墨烯还原释放的杂质气体，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加40MPa的压力，得到所述石墨烯增强铜基材料。
对比例4
将25g粒径为0.7～1.2μm的铜颗粒分散在酒精中，保持搅拌0.5h得到铜颗粒分散液；向所得铜颗粒分散液中加入25g粒径为10～15μm的铜基体粉末，搅拌1h，抽滤后将所得的固体物质于50℃干燥，得到铜颗粒-铜粉；
将所得铜颗粒-铜粉盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至900℃并保温1h，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加40MPa的压力，得到铜基材料。
对比例5
纯铜。
对氧化石墨烯进行原子力显微测试，所得AFM测试结果见图1和图2，其中，图1为氧化石墨烯的AFM图，图2为图1中白线部分的厚度图。由图1和图2可见，氧化石墨烯片层透明如薄纱状，片径为2～5μm。
对氧化石墨烯、铜基体粉末、铜颗粒、对比例1中铜基材料和实施例1所得石墨烯增强金属复合材料进行扫描电子显微测试，所得SEM图见图3，图3中，(a)为氧化石墨烯，(b)为铜基体粉末，(c)为铜颗粒，(d)为对比例1中铜基材料，(e)为实施例1所得石墨烯增强金属复合材料，(f)为(e)的局部放大图。由图3可见，氧化石墨烯片层透明如薄纱状；Cu的形貌为不规则的堆积树枝状，尺寸较均匀；铜颗粒的外观形貌为规则球形，没有明显团聚倾向；对比例1中铜基材料中石墨烯没有收缩成包覆结构，而是成片嵌入堆积在铜基体粉末表面，形成氧化石墨烯-铜粉团聚体，容易导致在烧结过程中气孔和缺陷的形成；实施例1所得石墨烯增强金属复合材料中氧化石墨烯和铜颗粒形成了有效的包覆结构，氧化石墨烯成收缩状包裹在铜颗粒上，没有大片的氧化石墨烯散落堆积在石墨烯增强金属复合材料上，同时增强相前驱体包覆小球均匀分散在大尺寸铜基体粉末间隙，促进了氧化石墨烯的均匀分散，并在烧结过程中填补了烧结空隙，使石墨烯增强金属复合材料的烧结致密度提高。
对实施例1～3和对比例1～4的金属材料进行性能测试，其中，
致密度采用阿基米德排水法测试；硬度测试为HV0.1；拉伸性能测试采用非国标样，试样尺寸图见图4，图4中参数单位为mm，厚度为1.2mm；强塑积为抗拉强度与伸长率的乘积；导电性采用涡流法；测试结果见表1。
表1实施例1～3和对比例1～4性能测试
Figure BDA0003407525560000161
根据表1，绘制不同石墨烯含量条件下材料的致密度、硬度和导电性曲线，见图5～7，图5为不同石墨烯含量条件下材料致密度变化曲线图，图6为不同石墨烯含量条件下材料硬度变化曲线图，图7为不同石墨烯含量条件下材料导电性曲线图；图5～7中，rGO/Cu为对比例，SSCu@rGO/Cu为实施例。由图5～7可见，对比例1～4所得石墨烯增强铜复合材料(对比例4为石墨烯含量为0时的铜复合材料)的性能随着石墨烯含量的增加基本呈现下降的趋势，而且下降的程度很大。与对比例1～4石墨烯增强铜复合材料的变化趋势不同，实施例1～3提供的石墨烯增强金属复合材料的致密度都高于纯Cu，其他性能则是先升高再下降，且下降到最低后也基本能和纯Cu在同一水平，说明本发明提供的石墨烯增强金属复合材料可以同时具有较高的致密度、硬度和导电性。
实施例4
将34.895g粒径为0.05～0.5μm的硬质合金颗粒和1wt.％的十二烷基硫酸钠溶液混合搅拌2h，得到带负电硬质合金颗粒分散液；将210mg石墨烯和十六烷基三甲基溴化铵混合，将所得表面带正电的石墨烯分散在水中，得到带正电石墨烯分散液；将所述带正电石墨烯分散液加入带负电硬质合金颗粒分散液混合搅拌2h，进行静电吸附，抽滤并将所得固体物质在50℃下干燥，得到石墨烯包覆硬质合金颗粒的增强相；
将所得增强相和34.895g粒径为1～5μm的硬质合金基体粉末混合，得到增强体前驱体-合金基体粉末；
将所得增强体-金属基体粉末盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至1430℃并保温100min，升温过程中在腔室内压强达到0.02MPa时释放一次气体，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加30MPa的压力，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
实施例5
将34.965g粒径为0.05～0.5μm的硬质合金颗粒和1wt.％的十二烷基硫酸钠溶液混合搅拌2h，得到带负电硬质合金颗粒分散液；将70mg石墨烯和十六烷基三甲基溴化铵混合，将所得表面带正电的石墨烯分散在水中，得到带正电石墨烯分散液；将所述带正电石墨烯分散液加入带负电硬质合金颗粒分散液混合搅拌2h，进行静电吸附，抽滤并将所得固体物质在50℃下干燥，得到石墨烯包覆硬质合金颗粒的增强相；
将所得增强相和34.965g粒径为1～5μm的硬质合金基体粉末混合，得到增强体前驱体-合金基体粉末；
将所得增强体-金属基体粉末盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至1430℃并保温100min，升温过程中在腔室内压强达到0.02MPa时释放一次气体，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加30MPa的压力，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
实施例6
将34.825g粒径为0.05～0.5μm的硬质合金颗粒和1wt.％的十二烷基硫酸钠溶液混合搅拌2h，得到带负电硬质合金颗粒分散液；将350mg石墨烯和十六烷基三甲基溴化铵混合，将所得表面带正电的石墨烯分散在水中，得到带正电石墨烯分散液；将所述带正电石墨烯分散液加入带负电硬质合金颗粒分散液混合搅拌2h，进行静电吸附，抽滤并将所得固体物质在50℃下干燥，得到石墨烯包覆硬质合金颗粒的增强相；
将所得增强相和34.825g粒径为1～5μm的硬质合金基体粉末混合，得到增强体前驱体-合金基体粉末；
将所得增强体-金属基体粉末盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至1430℃并保温100min，升温过程中在腔室内压强达到0.02MPa时释放一次气体，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加30MPa的压力，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
对比例6
将69.79g粒径为0.05～0.5μm的硬质合金颗粒和1wt.％的十二烷基硫酸钠溶液混合搅拌2h，得到带负电硬质合金颗粒分散液，将210mg石墨烯和十六烷基三甲基溴化铵混合，将所得表面带正电的石墨烯分散在水中，得到带正电石墨烯分散液；将所述带正电石墨烯分散液加入带负电微米硬质合金颗粒分散液混合搅拌2h，进行静电吸附，抽滤并将所得固体物质在50℃下干燥，得到石墨烯-硬质合金颗粒；
将所得石墨烯-硬质合金颗粒盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至1430℃并保温100min，升温过程中在腔室内压强达到0.02MPa时释放一次气体，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加30MPa的压力，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
对比例7
将34.895g粒径为0.05～0.5μm的硬质合金颗粒和1wt.％的十六烷基三甲基溴化铵混合搅拌2h，得到带正电硬质合金颗粒分散液，将210mg氧化石墨烯在去离子水中超声剥离2h，得到氧化石墨烯分散液；将所述氧化石墨烯分散液加入带正电硬质合金颗粒分散液混合搅拌2h，进行静电吸附，抽滤并将所得固体物质在50℃下干燥，得到石墨烯包覆硬质合金颗粒的增强相；
将所得增强相和34.895g粒径为1～5μm的硬质合金基体粉末混合，得到增强体前驱体-合金基体粉末；
将所得增强体-金属基体粉末盛放于石墨模具中，然后置于真空热压炉腔室内，将真空热压炉腔室抽真空至真空度≤20Pa，开始从炉体底部以10L/min的流量通入氩气，至腔室内压强达到0.02MPa停止通氩气，重复抽真空-通氩气共3次后，由室温以10℃/min的速率升温至1430℃并保温100min，升温过程中在腔室内压强达到0.02MPa时释放一次气体，保温结束后以10℃/min的降温速率降温至200℃，然后随炉冷却至室温，整个烧结过程保持对石墨模具施加30MPa的压力，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
对实施例4和对比例6～7所得石墨烯增强金属复合材料进行扫描电子显微测试，所得SEM图见图8～10，其中，图8为实施例4所得石墨烯增强金属复合材料的SEM图，图9为对比例6所得石墨烯增强金属复合材料的SEM图，图10为对比例7所得石墨烯增强金属复合材料的SEM图。由图8可见，实施例4所得石墨烯增强金属复合材料中石墨烯包覆硬质合金粉末增强相结构良好，石墨烯没有团聚，分散十分均匀；由图9可见，对比例6所得石墨烯增强金属复合材料中石墨烯尺寸小于微米硬质合金颗粒，石墨烯延展分散在硬质合金粉末之间；由图10可见，对比例7所得石墨烯增强金属复合材料中石墨烯尺寸为2～5μm，远大于硬质合金颗粒，石墨烯中间仅包覆几个硬质合金颗粒。
通过显微硬度机在1KG载荷下测试实施例4～6和对比例6～7所得石墨烯增强金属复合材料的硬度，测得：实施例4～6和对比例6～7所得石墨烯增强金属复合材料的硬度分别为1882HV、1703HV、1782HV、1482HV和1665HV。根据硬度绘得硬度图见图11。由图11可见，本发明实施例提供的石墨烯增强金属复合材料硬度高。
测试实施例4和对比例6～7所得石墨烯增强金属复合材料的摩擦系数，测试方法为：干摩擦条件下，采用氮化硅摩擦副，载荷为80N，时间为30min，行程为5mm。测试结果见图12。由图12可见，微米硬质合金粉末+石墨烯摩擦系数最高，0.3％石墨烯包覆硬质合金+微米硬质合金摩擦系数最低，其原因一是石墨烯的可以作为润滑相降低摩擦力，二是硬质合金脱离基体后形成的磨粒尺寸小。
测试实施例4～6和对比例6～7所得石墨烯增强金属复合材料的磨痕，测试方法为：激光共聚焦显微镜。测试结果见图13，图13可见，对比例7中的硬质合金粉末烧结后在摩擦磨损过程中脱出磨痕后形成的磨粒比对比例6细小，因此摩擦系数降低，但烧结后使钴相分布更均匀，厚度薄，相较对比例6中的钴相更容易脱离，但更细的碳化钨晶粒使对比例7硬度更高，综合此两方面的因素，磨损量与对比例6相差不大。实施例4～6中的石墨烯尺寸远小于对比例7中烧结后的还原氧化石墨烯，且包覆结构使其分散更均匀，硬质接纳粉末的加入使其碳化钨晶粒尺寸较实施案例一更细小，实施例4所得石墨烯增强金属复合材料的摩擦系数最低，磨损量最小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种石墨烯增强金属复合材料，包括金属基体和增强相；所述增强相包括石墨烯外壳和在所述石墨烯外壳内的金属颗粒；所述金属基体为铜或硬质合金；所述金属基体和金属颗粒的材质相同；
所述石墨烯增强金属复合材料中石墨烯的含量为0.1～0.3wt.％；
所述石墨烯增强金属复合材料的制备方法如下：
当所述金属基体为铜时，包括以下步骤：
将带相反电荷的氧化石墨烯和铜颗粒混合，氧化石墨烯和铜颗粒静电吸附形成增强相前驱体；
将所述增强相前驱体和铜基体混合进行烧结，得到所述石墨烯增强金属复合材料；
当所述金属基体为硬质合金时，包括以下步骤：
将带正电的石墨烯和带负电的硬质合金颗粒混合，石墨烯和硬质合金颗粒静电吸附形成增强相；
将所述增强相和硬质合金基体混合进行烧结，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强金属复合材料，其特征在于，所述石墨烯增强金属复合材料中金属颗粒的含量为10～50wt.％。
3.根据权利要求1所述的石墨烯增强金属复合材料，其特征在于，所述增强相的尺寸为0.05～15μm，所述金属基体的尺寸为0.5μm～20μm。
4.权利要求1～3任一项所述石墨烯增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，当所述金属基体为铜时，包括以下步骤：
将带相反电荷的氧化石墨烯和铜颗粒混合，氧化石墨烯和铜颗粒静电吸附形成增强相前驱体；
将所述增强相前驱体和铜基体混合进行烧结，得到所述石墨烯增强金属复合材料；
当所述金属基体为硬质合金时，包括以下步骤：
将带正电的石墨烯和带负电的硬质合金颗粒混合，石墨烯和硬质合金颗粒静电吸附形成增强相；
将所述增强相和硬质合金基体混合进行烧结，得到所述石墨烯增强金属复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，当所述金属基体为铜时，所述带相反电荷的氧化石墨烯和铜颗粒分别为带负电的氧化石墨烯和带正电的铜颗粒；
所述带正电的铜颗粒为十六烷基三甲基溴化铵改性铜颗粒。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，当所述金属基体为硬质合金时，所述带正电的石墨烯为十六烷基三甲基溴化铵改性石墨烯；所述带负电的硬质合金颗粒为十二烷基硫酸钠改性硬质合金颗粒。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属基体为铜时，所述铜颗粒的尺寸为0.5～2μm，所述铜基体的尺寸为5～20μm；所述金属基体为硬质合金时，所述硬质合金颗粒的尺寸为0.05～2μm，所述硬质合金基体的尺寸为0.5～10μm。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属基体为铜时，所述烧结为：由室温以第一升温速率升温至第一温度保温，所述保温后以第一降温速率降温至第一降温温度，随炉冷却；
所述第一升温速率为7～10℃/min，所述第一温度为850～920℃，保温时间为1～1.5h；
所述第一降温速率为7～10℃/min，所述第一降温温度为100～200℃；
所述金属基体为硬质合金时，所述烧结为：由室温以第I升温速率升温至第I温度保温，所述保温后以第I降温速率降温至第I降温温度，随炉冷却；
所述第I升温速率为7～10℃/min，所述第I温度为1400～1460℃，保温时间为1.5～2.5h；所述第I降温速率为7～10℃/min，所述第I降温温度为100～200℃。
9.权利要求1～3任一项所述石墨烯增强金属复合材料或权利要求4～8任一项制备方法得到的石墨烯增强金属复合材料的应用，其特征在于，当所述金属基体为铜时，所述应用为在电子封装、电器开关和集成电路中的应用；
当所述金属基体为硬质合金时，所述应用为在切削刀具、轴承、钻进工具、钢丝拔制模、矿山机械和结构件中的应用。
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