石墨烯-金属复合料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯‑金属复合料的制备方法，该石墨烯‑金属复合料包括复合粉末材料、复合材料坯料和复合材料，石墨烯‑金属复合粉末材料制备方法包括：将金属粉末和多层石墨烯粉末混合分散；将分散的粉末进行原位生长，并冷却取出；将取出的复合粉料再与多层石墨烯混合分散；将分散的混合料再进行原位生长并冷却取出；重复再分散和再原位生长步骤2‑10次，得到石墨烯‑金属粉末复合材料，石墨烯复合材料坯料和石墨烯‑金属复合材料均由石墨烯‑金属复合粉末材料经过加工制成。本发明专利技术以多层石墨烯为碳源，利用石墨烯中的缺陷碳易于升华的特点，将不稳定碳转化为碳源，为石墨烯在金属粉末表面的高质量原位生长提供保证。

Preparation of graphene metal composite

【技术实现步骤摘要】
石墨烯-金属复合料的制备方法
本专利技术涉及金属复合材料领域，特别涉及一种石墨烯-金属复合料的制备方法。
技术介绍
金属基复合材料的应用领域、发展速度以及生产规模，已经成为衡量一个国家科技水平及工业化进程的重要标志，是各国争相发展的战略性新材料。面对航空航天国防科技领域以及高铁等民用工程的飞速发展，传统金属材料的性能已无法满足性能需求，对于综合性能优异的金属基复合材料需求的问题也日益凸显。石墨烯增强金属基复合材料具有巨大的应用潜力，科研工作者已经做了大量的研究，相关的制备方法也已经较为成熟，尤其在提升铝基、铜基、镍基材料的力学性能方面已经有了一定的进展。使用传统的粉末冶金工艺可以促进石墨烯与基体间的结合；电化学工艺阻止界面反应；球磨法促进石墨烯分散，并可以精确控制石墨烯含量；分子级混合技术则较好的改善石墨烯与金属基体间对的接触界面，是非常有发展前景的制备方法。近年来石墨烯具有优异的综合性能引起科研工作者们的广泛关注。同时，石墨烯作为金属基复合材料的增强体的研究也在不断取得进展，充分表现出其在理论研究以及实际生产应用领域的应用潜力与发展前景。但目前仍有很多问题有待解决：1)实验所使用的石墨烯往往存在缺陷，严重影响石墨烯性能；2)石墨烯与部分金属基体间的润湿性不好，这就使得复合材料的界面结合强度不好，同时有些时候界面处会发生反应形成其它性能不好的相；3)石墨烯容易在金属基体中发生团聚现象，其形貌以及均散性难以控制；4)石墨烯与金属基体间的强化机理不明确，实验过程耗时耗力，且实验结果具有偶然性。通过成熟高效的工艺制备出质量稳定且性能优异的增强体石墨烯材料是开展复合材料研究的基础，改进与完善现有制备工艺仍是今后石墨烯复合材料研究的重点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决以上问题，本专利技术提供一种石墨烯-金属复合粉末材料、石墨烯-金属复合材料坯料和石墨烯-金属复合材料的制备方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种石墨烯-金属复合粉末材料制备方法，包括以下步骤：a.将金属粉末和多层石墨烯粉末混合分散；b.将分散后的混合粉末常温送入化学气相沉积设备中，设置生长条件，进行石墨烯在金属粉末表面的原位生长，生长完毕后，设置冷却条件，冷却至室温取出；c.将取出的原位生长复合粉料再与多层石墨烯混合分散，得混合料；d.将步骤c获得的混合料在常温下再次送入化学气相沉积设备，并保持步骤b所述生长条件和冷却条件再次进行石墨烯的原位生长，并取出；e.重复操作步骤c和步骤d2-10次，得到石墨烯-金属粉末复合材料。其中，步骤a中的混合分散采用球磨方法进行，步骤b的原位生长条件包括：封闭炉管；抽出炉内残留空气后通入定量的氢气和氩气；在室温下开始匀速升温至生长温度，然后在该温度下保温，并适时进行翻滚搅拌均匀，进行原位生长。其中，步骤b中：生长温度为1000-1080℃，通入的氩气流量100-1000sccm，通入氢气流量为10-100sccm，升温时长为40-50min，保温时长为60-180min。其中，步骤b的冷却条件包括通过匀速或分梯度的方式进行降温。其中，匀速降温的时长为50-100min；分梯度降温包括第一降温阶段、保温阶段和第二降温阶段，其中第一降温阶段的时长为25-50min，保温阶段的时长为60-90min，第二降温阶段的时长为50-100min。其中，步骤a中，金属粉末的粒径为5-100微米，步骤a和步骤c中加入的多层石墨烯粉末在每次混合形成的总粉末中的体积占比为0.05-10.0％。其中，所述金属粉末为铜、钴、钛、镍、铜合金、钴合金、钛合金和镍合金中的一种或多种。根据本专利技术的第二方面，提供一种石墨烯-金属复合材料坯料制备方法，该压坯以前述方法获得的复合粉末材料为原料，经冷压实后获得。其中，所述冷压实的单位压力为100-500MPa。根据本专利技术的第三方面，提供一种采用前述制备方法获得的石墨烯-金属复合材料坯料。根据本专利技术的第四方面，提供一种石墨烯-金属复合材料，该复合材料采用前述方法获得的复合粉末材料经过加工方法获得；或者采用前述的坯料经过加工方法获得。本专利技术中，使用球磨的方法将石墨烯与金属粉末均匀分散，将金属粉末磨成细小的片层状，表面更加平整；同时，石墨烯均匀覆盖在金属粉末表面，增强了铜基体与碳源的接触，促进石墨烯的生长。本专利技术中，通过逐步添加的方式，使多层石墨烯均匀地覆盖在金属粉末表面，解决了石墨烯团聚形成的裂纹源，以及石墨烯和金属粉末的分散问题。本专利技术中，选取特定粒径的金属粉末和特定体积百分比的多层石墨烯，提高获得的石墨烯-金属复合粉末材料的质量，进而提高相应的坯料和材料的质量。制备过程中，如果金属粉末粒度过小，则难以实现对金属粉末的均匀分散，金属粉末的团聚现象将会影响石墨烯在金属表面的包覆过程，从而导致整体质量下降。若金属粉末粒度过大，则金属粉末的比表面积大幅度降低，则使石墨烯含量过低从而难以实现对金属力学及电学性能的强化作用。多层石墨烯含量过低，则石墨烯原位生长所需碳源不足，使金属表面无法实现石墨烯的均匀连续包覆，从而影响强化效果。由于铜/碳界面结合性较差，石墨烯含量过高则导致复合材料的成形质量较差甚至无法成形。1、本专利技术的石墨烯-金属复合粉末材料制备方法，以多层石墨烯为碳源，利用石墨烯中的缺陷碳易于升华的特点，将不稳定碳转化为碳源，为石墨烯在金属粉末表面的原位生长提供保证。2、本专利技术通过控制多层石墨烯含量，来控制铜碳元素质量比，使多层石墨烯与铜粉末分散均匀，避免了石墨烯的团聚。同时，多层石墨烯在石墨烯原位生长过程中，缺陷处优先分解，高质量石墨烯被保存下来，从而获得了单层石墨烯包覆铜粉和单层及少层石墨烯粉末的混合粉末。3、本专利技术在原位生长的同时，对原有石墨烯进行了纯化，提高了石墨烯的质量，提高了石墨烯的完整性，使其具有更好的本征性质。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1和图2是根据本专利技术不同实施方式的石墨烯-金属复合粉末材料的制备方法中原位生长的温度控制曲线图；图3是根据本专利技术实施方式制备的石墨烯-金属粉末复合坯表面的拉曼光谱测试图。具体实施方式下面将根据实施例更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。实施例1石墨烯-铜复合粉末材料X1的原位生长方法具体包括以下步骤：选用粒径为50微米的金属铜粉末作为基体，以多层石墨烯粉末作为碳源，将两者使用球磨机均匀混合分散，使多层石墨烯包覆在铜金属粉末表面。...

【技术保护点】
1.一种石墨烯-金属复合粉末材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/na.将金属粉末和多层石墨烯粉末混合分散；/nb.将分散后的混合粉末常温送入化学气相沉积设备中，设置生长条件，进行石墨烯在金属粉末表面的原位生长，生长完毕后，设置冷却条件，冷却至室温取出；/nc.将取出的原位生长复合粉料再与多层石墨烯混合分散，得混合料；/nd.将步骤c获得的混合料在常温下再次送入化学气相沉积设备，并保持步骤b所述生长条件和冷却条件再次进行石墨烯的原位生长，并取出；/ne.重复操作步骤c和步骤d 2-10次，得到石墨烯-金属粉末复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-金属复合粉末材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将金属粉末和多层石墨烯粉末混合分散；
b.将分散后的混合粉末常温送入化学气相沉积设备中，设置生长条件，进行石墨烯在金属粉末表面的原位生长，生长完毕后，设置冷却条件，冷却至室温取出；
c.将取出的原位生长复合粉料再与多层石墨烯混合分散，得混合料；
d.将步骤c获得的混合料在常温下再次送入化学气相沉积设备，并保持步骤b所述生长条件和冷却条件再次进行石墨烯的原位生长，并取出；
e.重复操作步骤c和步骤d2-10次，得到石墨烯-金属粉末复合材料。


2.如权利要求1所述的复合粉末材料制备方法，其特征在于，
步骤a中的混合分散采用球磨方法进行，步骤b的原位生长条件包括：封闭炉管；抽出炉内残留空气后通入定量的氢气和氩气；在室温下开始匀速升温至生长温度，然后在该温度下保温，并适时进行翻滚搅拌均匀，进行原位生长。


3.如权利要求2所述的复合粉末材料制备方法，其特征在于，
步骤b中：生长温度为1000-1080℃，通入的氩气流量100-1000sccm，通入氢气流量为10-100sccm，升温时长为40-50min，保温时长为60-180min。


4.如权利要求1所述的复合粉末材料制备方法，其特征在于，
步骤b的冷却条件包括通过匀速或分梯度的方式进行降温。...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯星云，
申请(专利权)人：北京碳垣新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11