[发明专利]石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种混杂增强复合材料及制备方法，具体是一种石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，碳质纳米材料备受关注。其中，碳纳米管的应用研究已经日趋成熟，被广泛地应用于电子材料和复合材料领域。在复合材料领域中，碳纳米管被认为是为理想的增强体。在铝、镁、钛等轻合金基体中引入碳纳米管，是研发新一代金属基复合材料的主攻方向，作为未来的轻量化结构材料被寄予厚望。由于单壁碳纳米管最难制备，成本最高，同时也最难分散，所以目前实际应用的多为易于制备和分散的双壁碳纳米管及多壁碳纳米管。相对于单壁碳纳米管，双壁和多壁碳纳米管大多为半导体性质，其导电与导热性能显著降低，因而并不能够提高金属基复合材料的导电与导热性能。为了满足经济和科技发展需求，亟需开发一种兼备优异的力学性能和优异的传导性能的新型金属基复合材料。石墨烯的发现为实现上述开发目标带来了希望。石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道构成六角型蜂窝点阵的二维晶体，是石墨和碳纳米管的组成单元，具有比单壁碳纳米管更优异的功能特性与力学特性，如电子迁移率（~200000cm²/V·s）、热导率（~5000W/m·K）、杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)，并且更加容易制备。10层以内的寡层石墨烯结构稳定，具有比铜更好的导电和导热性能，超出钢铁数十倍的弹性模量和断裂强度。在理论上，石墨烯可以同时改善金属材料的力学、热学和电学性能，因此为开发轻质、高强、多功能、结构功能一体化的金属基复合材料提供了宝贵契机。但在实际上，和碳纳米管一样，石墨烯与金属基体之间存在巨大的性质差异，石墨烯自身聚集的倾向严重，很难实现界面结合和均匀分散。因此，迄今为止，有关石墨烯增强金属基复合材料的研究报道还非常少。

经过对现有的技术文献的检索发现，中国专利(201010148878.1)“碳纳米管金属基复合材料的制备方法”，中国专利(201110261902.7)“石墨烯增强金属基复合材料的制备方法”，分别采用料浆共混工艺制备碳纳米管增强金属基复合材料和石墨烯增强金属基复合材料。由于只含有单一的碳纳米管或者石墨烯增强体，上述复合材料体现以下不足之处：（1）单一由碳纳米管增强的金属基复合材料，虽然力学性能得到明显改善，但是其导热、导电性能改善并不明显，有时候相对金属基体而言反有所降低；（2）单一由石墨烯增强的金属基复合材料，其力学、导热和导电性能均有所提高，但是问题在于，石墨烯的比表面积比碳纳米管要大得多，因此在金属基体中能够均匀分散的体积含量非常有限，通常不超过1%，因此最终复合材料性能改善的绝对值并不高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料及其制备方法，由碳纳米管与石墨烯混杂增强制备得到金属基复合材料，通过复合工艺调控，使石墨烯与碳纳米管相互连接，在金属基体中构成增强网络，从而大幅度地、同时提高所得复合材料的力学和导电、导热性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料，由石墨烯、碳纳米管和金属基体构成，石墨烯和碳纳米管相互连接，在金属基体当中构成增强网络，其中石墨烯的体积分数为0.1%至1%，碳纳米管的体积分数为0.5%至5%。

所述石墨烯为单层、双层及10层以内的寡层石墨烯，其径厚比大于200。

本发明上述石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料的制备方法，具体为：首先采用料浆共混工艺制备，在金属粉末表面吸附氧化石墨烯和碳纳米管，得到（氧化石墨烯-碳纳米管）/金属复合粉末，然后通过还原处理将氧化石墨烯还原为石墨烯，从而得到（石墨烯-碳纳米管）/金属复合粉末，最终再通过致密化处理，得到大块、密实的（石墨烯-碳纳米管）/金属复合材料。基于以上料浆共混和氧化石墨烯还原的技术方案，能够保证石墨烯和碳纳米管在金属粉末表面的均匀分散，其中相对较少的石墨烯纳米片即可将碳纳米管连成网络，从而发挥协同、耦合作用，实现力学和导热、导电性能的同步提高，克服单一的碳纳米管或者石墨烯增强金属基复合材料的不足之处。

本发明所述制备方法包括以下步骤：

第一，采用料浆共混工艺制备（氧化石墨烯-碳纳米管）/金属复合粉末；

第二，对（氧化石墨烯-碳纳米管）/金属复合粉末进行还原处理，得到（石墨烯-碳纳米管）/金属复合粉末；

第三，对（石墨烯-碳纳米管）/金属复合粉末进行致密化处理，得到大块、密实的（石墨烯-碳纳米管）/金属复合材料。