[发明专利]一种具有组织可控的石墨烯/纳米孪晶复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种具有组织可控的石墨烯纳米孪晶复合材料及其制备方法。这种具有新型可控微观组织的复合材料中含有纳米晶粒(200～500nm)与高密度的纳米孪晶(30～200nm)，纳米孪晶体积百分数5％～40％；孪晶片层上分布着石墨烯，体积百分数5％～20％；复合组织只存在于很窄范围的沉积复合材料中，其成分为(D_x，Gr_y)，0.05＜y≤0.2，x＝1‑y，D为Cu、Ni、Fe与Zn等，Gr为石墨烯，具有这种微观组织的复合材料适合应用在通信工程、换热器件、导电导线等领域。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种具有组织可控的石墨烯/纳米孪晶复合材料及制备方法。

背景技术

孪晶是指沿着一个公共界面(孪晶面)构成镜面对称关系的两个晶粒或一个晶粒的两部分。孪晶界是一种特殊的低能界面，其界面能约为普通大角晶界的1/10。与普通大角晶界相比，孪晶界对传导电子的散射作用也要小得多。这些孪晶界特有的特征都在一定程度上影响着材料的力学性能、导热性能、导电性能等。现有技术制备孪晶的方法较难控制孪晶片层的尺寸、孪晶密度，较难获得具有高密度纳米孪晶的组织。

石墨烯是一种新型的二维材料，具有优异的电学、热学、光学和力学性能，高的比表面积，以及完美的量子隧道效应和量子霍尔效应。石墨烯按层数分类可以分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、多层石墨烯，单层石墨烯的热导率可达到5300W/m·K，是金刚石的5倍以上；具有超高的电子迁移率105cm2/V·s，是Si的100倍；弹性模量高达1TPa，抗拉强度达到180GPa，是钢材的100倍。

一般来说，通过细晶强化、加工硬化、弥散强化、退火等工艺方法去改善材料的组织，从而提升它的性能。但是，这些方法只能提升材料某一方面的性能，材料的综合性能并没有获得大幅提升。本发明采用定向磁场下的电沉积方法，制备一种具有组织可控的新型石墨烯/纳米孪晶的复合材料。

发明内容

本发明的技术解决方案是：

为了获得具有新型石墨烯/纳米孪晶复合组织的复合材料，具体步骤为：

(1)配置金属基石墨烯的复合沉积液，其成分配比按摩尔质量分数为：0.2～0.8M的DSO₄·nH₂O(D为Cu、Ni、Fe或Zn)，0.05M～0.5M石墨烯，0.2～0.5M的H₂SO₄，0.0001～0.002M的添加剂，添加剂为十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇、氯化钠、氯化铜、乙基硫脲、聚二硫二丙烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠等其中的一种或多种。

其中，添加剂优选为：聚二硫二丙烷基磺酸钠0.0003～0.001M，乙基硫脲0.0001～0.0008M，氯化铜0.0002g～0.0006M三种添加剂的组合，添加剂在一定程度上可以改善石墨烯的分散性、沉积层质量、沉积效率与内部组织的形貌特征等。

(2)采用步骤(1)配置的金属基石墨烯的复合沉积液，在外加磁场环境下进行直流电沉积，阴极板为纯钛或不锈钢，磁场强度0.1～0.6T，磁场方向与极板之间的角度为5°～45°，电沉积工艺参数：电流密度20～120mA/cm²，温度设置40～70℃，沉积时间是30min。

对不同条件下制备的样品进行微观组织观察与分析，使用粒径统计软件(nanomeasure与IPWIN60)对照片中微观组织的晶粒大小、孪晶片层厚度、体积占比计算。

本发明方法制得的复合材料的成分为(D_x，Gr_y)，0.05＜y≤0.2，x＝1-y，D可为Cu、Ni、Fe与Zn等，Gr为石墨烯；该复合材料组织中具有可调控的高密度多取向纳米孪晶，纳米孪晶体积百分数为5％～40％；在孪晶片层上分布着石墨烯，其体积百分数5％～20％。可以在微观组织中同时观察到金属基体的晶粒与石墨烯，这是一种具有新型复合组织的复合材料。