[发明专利]一类石墨烯金属基复合材料及其快速制备方法

说明书

本发明提出了一类石墨烯金属基复合材料及其快速制备方法，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处理，得到分散体，将分散体通过高压喷射器喷射至熔化的金属或合金中，不仅使石墨烯有效引入到金属基材料中，更重要的是大大提高了石墨烯的分散效果，获得石墨烯金属或合金复合材料之间的良好界面接触。可充分发挥石墨烯材料的特性，有效提升石墨烯金属基材料的导电、导热、韧性及强度，从而快速，大规模获得高性能金属基复合材料。

技术领域

本发明涉及金属基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快速制备方法。

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快速制备方法，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快速制备方法，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)将至少一种金属或合金熔化并进行搅拌；

(3)将得到的分散体通过高压喷射器喷射至熔化的金属或合金中，继续搅拌；

(4)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快速制备方法，所述步骤(3)中，将得到的分散体通过高压喷射器按照设定喷射量和喷射时间间歇性喷射至熔化的金属或合金中。

如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述高压喷射器通过保护气体喷射所述分散体。

如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，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快速制备方法，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。

如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述膨化剂为四硼酸钠、松香、氯化钾、碳酸钠、二氧化硅、氟化钙中的至少一种。

如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、异丙酮溶液中的至少一种。