石墨烯复合材料及其制造方法技术

本发明专利技术公开一种石墨烯复合材料，包含：柱状基材以及石墨烯片，柱状基材占整体重量99.9

【技术实现步骤摘要】
石墨烯复合材料及其制造方法


[0001]本专利技术涉及一种复合材料及其制造方法，尤其涉及一种石墨烯复合材料及其制造方法。

技术介绍

[0002]随着科技发展与环保意识的提升，电工、电子、化工、交通、机械等产业领域所需材料的导电、导热、机械强度、耐候、制造成本等性质的要求也越来越高。以导电材料为例，铜的导电度高于铝，但铜的机械强度及高温抗变形能力较差；再以航空器机壳材料为例，铝具有低密度、高强度及高延展性，但铝的抗腐蚀性、抗冲击能力较差；因此，现有技术通过合金、添加剂、热处理等方法来制造所需特性的复合材料。
[0003]现有复合材料包含金属基复合材料、陶瓷基复合材料及树脂基复合材料等，其中金属基复合材料(Metal Matrix Composites,MMCs)是指金属基材与强化相材料混合炼制而成的复合材料，其兼具金属与强化相材料的优点。工业上常使用粉末冶金、压铸等方法制造金属基复合材料，粉末冶金主要是使用机械混拌金属粉末及粉体强化相材料，再以无压烧结、真空热压烧结、高压扭转、热挤压、热轧等方式处理混合材料形成金属基复合材料。
[0004]图1示出现有压铸设备的剖面示意图。如图1所示，压铸设备1包含油压缸11、活塞12、压缩室13及冷却室14，将强化相材料置入压缩室13，浆熔融金属液注入压缩室13与强化相材料混合，油压缸11驱动活塞12挤压金属强化相材料混合液至冷却室14内冷却成型。现有压铸法制造金属基复合材料技术核心在于强化相材料均匀分散在熔融金属液与冷却成型过程中不同材料不发生相分离。
[0005]在诸多强化相材料中，石墨烯是单层蜂巢晶格碳原子的二维材料，具有极高的杨氏模数、抗拉强度、导电度、导热度及电子迁移率，因此受到极高的关注与研究。由于二维晶体在热力学性质上的不稳定性，石墨烯不管是在自由态存在或沉积在基材，石墨烯都不是完全平整，其表面存在微观三维尺度的皱褶，此皱褶会经由凡得瓦力(Van der waals force)导致石墨烯团聚，而石墨烯与金属基材之间的湿润性差，石墨烯更难以在基材中均匀分散。现有压铸设备及制法不能克服石墨烯在金属液中团聚的问题，无法成功制造金属/石墨烯复合材料。
[0006]中国专利CN10515353公开一种金属/石墨烯复合材料的制法，包含：在金属颗粒表面还原氧化石墨烯产生包覆石墨烯的金属粒子，以粉末冶金热压包覆石墨烯的金属粒子产生金属/石墨烯复合材料。此方法的步骤繁复，不易控制金属与石墨烯的相对比例且容易在制程中引入不纯物质，而原位还原氧化石墨烯无法完全移除石墨烯表面官能基与晶格缺陷，导致此复合材料无法产生石墨烯的特性。另有技术文献提出超音波分散、湿式机械搅拌、球磨、行星式高能球磨、表面改质、静电吸附等方法来促进石墨烯在金属粉体或金属液体中的分散及混合，然而前述方法皆不能克服使用较大量石墨烯的团聚问题而无法达到规模化生产，不具实用性。
[0007]目前产业亟需可控制成分比例与规模化生产具有石墨烯特性的石墨烯复合材料
及制造方法。

技术实现思路

[0008]为达成上述目的，本专利技术提供一种石墨烯复合材料的制造方法，包含：提供柱状基材及石墨烯片；旋转摩擦柱状基材形成塑化基材；施加剪切力搅拌石墨烯片及塑化基材形成石墨烯基材浆体；以及冷却石墨烯基材浆体形成石墨烯复合材料。
[0009]于一实施例，上述柱状基材的材料为金属、合金或聚合物。
[0010]于一实施例，上述金属选自铅、锡、锌、铝及铜的至少一者。
[0011]于一实施例，上述柱状基材与上述石墨烯片的重量比介于99.9
‑
90％：0.1
‑
10％。
[0012]于一实施例，以旋转模具旋转摩擦上述基材的表面，使上述柱状基材的温度达到介于基材的70％熔点至熔点，而形成塑化基材。
[0013]于一实施例，以旋转流道施加剪切力搅拌上述石墨烯片及上述塑化基材形成上述石墨烯基材浆体，旋转流道位于上述旋转模具内。
[0014]于一实施例，上述旋转模具包含外模及内模，上述旋转流道位于外模与内模之间，外模的内表面具有内凸耳，内模的外表面具有外凸耳，内凸耳及外凸耳交错设置，当外模相对内模旋转时，内凸耳及外凸耳产生上述剪切力。
[0015]为达成上述目的，本专利技术提供一种石墨烯复合材料，包含：柱状基材，占整体重量99.9
‑
90％；以及石墨烯片，占整体重量0.1
‑
10％，其中于柱状基材的径向截面上，石墨烯片形成多个不同半径的圆形图案。
[0016]于一实施例，上述石墨烯片的平均厚度介于1至3纳米，上述石墨烯片的平均片径介于1至15微米。
[0017]于本专利技术的石墨烯复合材料的制造方法，以柱状基材作为原料可准确控制石墨烯片与基材的重量比；旋转摩擦柱状基材形成塑化基材，再以高剪切力搅拌触变状态的塑化基材与石墨烯片形成石墨烯复合材料，步骤简单，不需进行化学还原反应，不会引入杂质及造成晶格缺陷；所得石墨烯复合材料中石墨烯片与柱状基材均匀混合不会相分离，石墨烯片于柱状基材的径向截面上形成多个不同半径的圆形，石墨烯片沿柱状基材的轴向呈螺旋排列，且石墨烯片与基材不会相分离，均匀分布且连续相接的石墨烯片可使石墨烯复合材料产生优异的导电、导热及机械强度，符合各种产业的需求。
附图说明
[0018]图1为现有压铸设备的剖面示意图；
[0019]图2为应用本专利技术的制造方法的水平式复合材料制造设备的侧剖示意图，图3A为图2所示油压单元的侧剖示意图，图3B为图2所示进料模具的侧剖示意图，图3C为图2所示旋转模具的侧剖示意图，图3D为图2所示冷却模具的侧剖示意图，图3E为图2所示成型模具的侧视示意图，图3F为图2中II
’
段剖视示意图，图3G为图3C所示第一内模的径向外观示意图；
[0020]图4A为应用本专利技术的制造方法的垂直式复合材料制造设备的侧剖示意图，图4B为图4A所示摩擦头的径向外观示意图；以及
[0021]图5A为本专利技术的一实施例的石墨烯金属铜复合材料的截面的光学显微镜图，图5B为本专利技术的一实施例的石墨烯金属铜复合材料的截面的电子显微镜图。
[0022]附图标记说明
[0023]1:压铸设备
[0024]11:油压缸
[0025]12:活塞
[0026]13:压缩室
[0027]14:冷却室
[0028]2:水平式复合材料制造设备
[0029]20:控制介面
[0030]21,31:油压单元
[0031]22,32:进料模具
[0032]23,33:旋转模具
[0033]24:冷却模具
[0034]25:成型模具
[0035]200:承载台
[0036]211,311:油压缸
[0037]212,312:活塞
[0038]221,321:原料缸体
[0039]222,322:原料室
[0040]2211本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯复合材料的制造方法，包含：提供柱状基材及石墨烯片；旋转摩擦所述柱状基材形成塑化基材；施加剪切力搅拌所述塑化基材及所述石墨烯片形成石墨烯基材浆体；以及冷却所述石墨烯基材浆体形成石墨烯复合材料。2.根据权利要求1所述石墨烯复合材料的制造方法，其中所述柱状基材的材料为金属、合金或聚合物。3.根据权利要求2所述石墨烯复合材料的制造方法，其中所述金属选自铅、锡、锌、铝及铜的至少一者。4.根据权利要求1所述石墨烯复合材料的制造方法，其中所述柱状基材与所述石墨烯片的重量比介于99.9
‑
90％：0.1
‑
10％。5.根据权利要求1所述石墨烯复合材料的制造方法，其中以旋转模具旋转摩擦所述柱状基材的表面，使所述基材的温度介于所述基材的70％熔点至熔点，而塑化所述基材。6.根据权利要求5所述石墨烯复合材料的制造方法，其中以旋转流道施加剪切力搅拌...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴以舜，
申请(专利权)人：安炬科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：