[发明专利]一类石墨烯金属基复合材料及其高效制备方法

说明书

本发明提出了一类石墨烯金属基复合材料及其高效制备方法，将石墨烯和膨化剂均匀混合添加至有机溶剂中混合并超声分散得到分散体，将分散体灌装在金属件或合金件的腔体中并充入惰性气体封闭，然后将灌装好的金属件或合金件投入熔化的金属或合金中，金属件或合金件内的惰性气体在高温作用下迅速膨化，不仅有效将石墨烯引入到金属基材料中，还可大大提高石墨烯的分散效果，使石墨烯与金属或合金复合材料之间形成良好接触，从而充分发挥石墨烯材料的特性，有效提升石墨烯金属基复合材料的导电、导热、韧性及强度，获得高性能石墨烯金属基复合材料。

技术领域

本发明涉及复合材料的制备方法技术领域，特别是涉及一类石墨烯金属基复合材料及其高效制备方法。

背景技术

石墨稀是一种新型二维纳米材料，其强度高达1.01Tpa，是结构钢的100倍，而密度却是结构钢的1/5。由于石墨烯密度小，提高金属材料强度的同时还能降低材料的密度。石墨烯还具有超高的电子迁移率、电导率、杨氏模量、低热膨胀系数、高热导率等优异物理性能。因此，石墨烯与金属或合金复合制备的石墨烯金属基复合材料，将具有轻质高强、低热膨胀和高热导率，并可改善其导电性等优点，将会在导电、导热、微电子以及航天航空等领域具有重要的应用。但由于石墨烯材料有非常大的比表面积，石墨烯填料趋向于彼此重叠以降低它们的表面能，从而导致在纳米复合材料制备和应用过程中易于产生团聚，并对复合材料的力学性能产生不利影响。此外，金属或合金基体和石墨烯纳米填料之间的密度差距较大，这为石墨烯纳米片在金属或合金基体中的均匀分散带来了巨大困难。

如何实现石墨烯在金属或合金基体中的有效分散；如何获得石墨烯纳米填料与金属或合金材料之间的良好界面结合；如何确保在热处理工艺温度下保持石墨烯填料的结构不被破坏。这三个方面是石墨烯金属基复合材料的主要科学和工程问题。其中，石墨烯在金属基体中的有效分散是制备石墨烯金属基复合材料所要解决的首要难题。将石墨烯与其它金属、合金粉沫进行简单的机械混合并不能使石墨烯与其它金属、合金粉完全分散均匀，为了减少石墨烯团聚的现象，粉体采用超声分散、湿法机械搅拌混合、球磨、行星式高能球磨、表面改性及静电吸附等都难以解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一类石墨烯金属基复合材料及其高效制备方法，以解决现有石墨烯在金属基体中有效分散的问题，有效提升复合材料的电学、力学、热学性能。

一类石墨烯金属基复合材料的高效制备方法，包括如下步骤：

(1)将石墨烯和膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理得到分散体；

(2)将得到的分散体灌装入金属件或合金件的腔体中；

(3)向金属件或合金件的腔体中充入惰性气体并封闭所述金属件或合金件腔体；

(4)将至少一种金属或合金熔化并进行搅拌，加入封闭的金属件或合金件，继续搅拌；

(5)冷却成型，得到复合材料。

如上所述的石墨烯金属基复合材料的高效制备方法，将得到的分散体烘干后灌装入金属件或合金件的腔体中，或者，将得到的分散体灌装入金属件或合金件的腔体中后烘干。

如上所述的石墨烯金属基复合材料的高效制备方法，所述金属件或合金件为管状或球状。

如上所述的石墨烯金属基复合材料的高效制备方法，所述管状金属件或合金件的长度为250mm-2500mm，直径为2.5mm-250mm；所述球状金属件或合金件的直径为2.5mm-250mm。

如上所述的石墨烯金属基复合材料的高效制备方法，将石墨烯、金属粉末/颗粒和膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理得到分散体。

如上所述的石墨烯金属基复合材料的高效制备方法，所述金属粉末/颗粒为铝、铜、金、银、锡、锌、钒、钛、铁、钢、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、铟、铅、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的至少一种。