[发明专利]石墨烯/水泥基体复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无机非金属复合材料及其制备技术，具体涉及一种石墨烯/水泥基体复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，其独特的晶体结构使其具有优异性质，如高热导性、高机械强度、奇特的电学性质和光学性质。石墨烯电导率达10⁶S/m，有利于电荷有效收集，是理想的电极材料；可见-近红外透过率97.7%，比表面积为2600m²/g，热导率可达5000W/m·K，强度可达130GPa等。因此，石墨烯作为性能优异的填料，可提升水泥基等复合材料的综合性能。例如，水泥基复合材料的导电性能和力学性能。目前，这方面的文献和专利报道较少。

目前，石墨烯的制备方法较多，包括“微机械力分裂法”、SiC(0001)单晶表面外延法、化学气相沉积法（例如CN102502593A）和化学剥离法（例如CN102701193A、CN102066245A）等。然而，上述方法或制备成本高、无法大规模制备，或石墨烯质量差，影响复合材料的性能。此外，石墨烯在复合材料的分散状态对最终复合材料的性能影响也至关重要。例如，上述制备方法尽管能够获得石墨烯材料，但是，制备的石墨烯在复合材料中的均匀分散将是十分困难的。因此，如何能够快速、简单、并在水泥基体材料中原位合成高质量石墨烯是目前研究的一大难点和热点。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明人将石墨放入到水泥基体中，利用石墨和水泥基体产生的机械剪切力进行高速剪切，可将石墨减薄为石墨烯，进而有望获得分散均匀的石墨烯/水泥基体复合材料。

在此，一方面，本发明提供一种石墨烯/水泥基体的复合材料，所述复合材料由水泥基体和均匀地原位分散在所述水泥基体中的石墨烯组成，其中，所述石墨烯与水泥基体的质量比为（0.0001～0.5）：1，所述石墨烯是通过高速机械剪切减薄石墨得到的石墨烯。

本发明的复合材料中，石墨烯均匀地原位分散在水泥基体中，与传统的直接混合制得的材料相比，具有更优异的力学性能和电学性能，可适用于多功能建筑材料领域。

优选地，所述石墨烯与水泥基体的质量比可为（0.01～0.3）：1。

较佳地，所述复合材料中石墨烯厚度可为0.3nm～100nm，优选0.3nm～10nm；石墨烯尺寸（最大的径向尺寸）可为10nm～500μm。

另一方面，本发明提供一种上述复合材料的制备方法，包括：将所需质量比的石墨和水泥基体混合均匀，在球磨介质的作用下在10～5000转/分的转速下球磨1～240小时，利用石墨与水泥基体产生的机械剪切力，将石墨减薄成石墨烯并原位复合在水泥基体中以得到分散均匀的石墨烯/水泥基体复合材料。

与传统的石墨烯制备方法相比，本发明得到的石墨烯缺陷少、导电性好；与传统的直接混合相比，该制备的石墨烯/水泥基体复合材料，石墨烯与水泥基体原位复合，石墨烯在复合材料中分散均匀.本发明的方法操作简单、步骤少、制备成本很低，过程易于控制。

本发明中，所述石墨可为鳞片石墨、石墨粉、可膨胀石墨和膨胀石墨中的一种或它们的组合，其粒径范围为50nm～10mm。

本发明中，所述水泥基体可为水泥；或水泥和细砂混合物；或水泥、细砂和石子混合物；或水泥、细砂、石子和无机活性矿粉混合物。其中，所述无机活性矿粉可为硅灰石粉、沸石粉、粉煤灰、摩西矿渣或其任意混合物。

本发明中，所述球磨介质的形状可为球形和/或柱形，所述球磨介质的尺寸可为0.1～100mm。

较佳地，所述球磨介质的材质可包括铬钢、不锈钢、氧化锆、玛瑙、氧化铝、聚氨酯和玻璃。

所述球磨介质与水泥基底的质量比为1～50:0.2。

附图说明

图1示出本发明的石墨烯/水泥基体复合材料的一个示例的SEM照片；

图2示出本发明的石墨烯/水泥基体复合材料的一个示例的TEM照片，（a）为低倍TEM照片，（b）高倍TEM照片，（b）中插图为衍射花样；

图3示出本发明的石墨烯/水泥基体复合材料的一个示例的拉曼光谱。

具体实施方式

以下结合附图及下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明以石墨和水泥基体为原料，通过高速球磨利用石墨和水泥基体产生的高速机械剪切力，将石墨减薄为石墨烯的同时获得的石墨烯原位复合在水泥基体中，从而可以得到石墨烯均匀分散在水泥基体中，具有优异的力学性能和电学性能的复合材料，有望用于多功能建筑材料领域。