本发明专利技术公开一种石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料及其制备方法，其特征在于，石墨烯和碳纳米管相互连接，在金属基体当中构成增强网络，其中，石墨烯为10层以内的寡层石墨烯，其径厚比大于200，体积分数为0.1%至1%；碳纳米管为单壁、双壁或多壁碳纳米管，其长径比大于20，体积分数为0.5%至5%。与碳纳米管单一增强的复合材料相比，本发明专利技术的石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料不仅力学性能大大改善，而且具有更加优异的导电和导热性能，是一种多用途的结构功能一体化材料。此外，本发明专利技术基于料浆共混和氧化石墨烯还原而提出的制备方法，简单、高效，易于规模化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种混杂增强复合材料及制备方法，具体是一种。
技术介绍
近年来，碳质纳米材料备受关注。其中，碳纳米管的应用研究已经日趋成熟，被广泛地应用于电子材料和复合材料领域。在复合材料领域中，碳纳米管被认为是为理想的增强体。在铝、镁、钛等轻合金基体中引入碳纳米管，是研发新一代金属基复合材料的主攻方向，作为未来的轻量化结构材料被寄予厚望。由于单壁碳纳米管最难制备，成本最高，同时也最难分散，所以目前实际应用的多为易于制备和分散的双壁碳纳米管及多壁碳纳米管。相对于单壁碳纳米管，双壁和多壁碳纳米管大多为半导体性质，其导电与导热性能显著降 低，因而并不能够提高金属基复合材料的导电与导热性能。为了满足经济和科技发展需求，亟需开发一种兼备优异的力学性能和优异的传导性能的新型金属基复合材料。石墨烯的发现为实现上述开发目标带来了希望。石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道构成六角型蜂窝点阵的二维晶体，是石墨和碳纳米管的组成单元，具有比单壁碳纳米管更优异的功能特性与力学特性，如电子迁移率r200000cm2/V S)、热导率r5000W/m K)、杨氏模量(IlOOGPa)和断裂强度(125GPa)，并且更加容易制备。10层以内的寡层石墨烯结构稳定，具有比铜更好的导电和导热性能，超出钢铁数十倍的弹性模量和断裂强度。在理论上，石墨烯可以同时改善金属材料的力学、热学和电学性能，因此为开发轻质、高强、多功能、结构功能一体化的金属基复合材料提供了宝贵契机。但在实际上，和碳纳米管一样，石墨烯与金属基体之间存在巨大的性质差异，石墨烯自身聚集的倾向严重，很难实现界面结合和均匀分散。因此，迄今为止，有关石墨烯增强金属基复合材料的研究报道还非常少。经过对现有的技术文献的检索发现，中国专利(201010148878. I) “碳纳米管金属基复合材料的制备方法”，中国专利(201110261902. 7)“石墨烯增强金属基复合材料的制备方法”，分别采用料浆共混工艺制备碳纳米管增强金属基复合材料和石墨烯增强金属基复合材料。由于只含有单一的碳纳米管或者石墨烯增强体，上述复合材料体现以下不足之处(I)单一由碳纳米管增强的金属基复合材料，虽然力学性能得到明显改善，但是其导热、导电性能改善并不明显，有时候相对金属基体而言反有所降低；(2)单一由石墨烯增强的金属基复合材料，其力学、导热和导电性能均有所提高，但是问题在于，石墨烯的比表面积比碳纳米管要大得多，因此在金属基体中能够均匀分散的体积含量非常有限，通常不超过1%，因此最终复合材料性能改善的绝对值并不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种，由碳纳米管与石墨烯混杂增强制备得到金属基复合材料，通过复合工艺调控，使石墨烯与碳纳米管相互连接，在金属基体中构成增强网络，从而大幅度地、同时提高所得复合材料的力学和导电、导热性能。本专利技术是通过以下技术方案实现的本专利技术所述的石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料，由石墨烯、碳纳米管和金属基体构成，石墨烯和碳纳米管相互连接，在金属基体当中构成增强网络，其中石墨烯的体积分数为0. 1%至1%,碳纳米管的体积分数为0. 5%至5%。所述石墨烯为单层、双层及10层以内的寡层石墨烯，其径厚比大于200。本专利技术上述石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料的制备方法，具体为首先采用料浆共混工艺制备，在金属粉末表面吸附氧化石墨烯和碳纳米管，得到(氧化石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末，然后通过还原处理将氧化石墨烯还原为石墨烯，从而得到(石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末，最终再通过致密化处理，得到大块、密实的(石墨烯-碳纳米管)/金属复合材料。基于以上料浆共混和氧化石墨烯还原的技术方案，能够保证石墨烯和碳纳米管在金属粉末表面的均匀分散，其中相对较少的石墨烯纳米片即可将碳 纳米管连成网络，从而发挥协同、耦合作用，实现力学和导热、导电性能的同步提高，克服单一的碳纳米管或者石墨烯增强金属基复合材料的不足之处。本专利技术所述制备方法包括以下步骤第一，采用料浆共混工艺制备(氧化石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末；第二，对(氧化石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末进行还原处理，得到(石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末；第三，对(石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末进行致密化处理，得到大块、密实的(石墨烯-碳纳米管)/金属复合材料。所述的料浆共混工艺，包含以下步骤( I)制备金属粉末料浆；(2)分别制备氧化石墨烯分散液和碳纳米管分散液；(3)先向金属粉末料浆中加入碳纳米管分散液，经搅拌或超声分散至完全吸附，然后加入氧化石墨烯分散液，经搅拌或超声分散至完全吸附，最后再进行过滤、干燥得到(氧化石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末。所述的料浆共混工艺，包含以下步骤(I)制备金属粉末料浆；(2)分别制备氧化石墨烯分散液和碳纳米管分散液；(3)分别向两份金属粉末料浆中加入碳纳米管分散液和氧化石墨烯分散液，经搅拌或超声分散至完全吸附，得到氧化石墨烯/金属料浆和碳纳米管/金属料浆；(4)将氧化石墨烯/金属料浆和碳纳米管/金属料浆混合，经搅拌或超声分散至均匀，然后再进行过滤、干燥得到(氧化石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末。所述的料浆共混工艺，包含以下步骤( I)制备金属粉末料浆；(2)分别制备氧化石墨烯分散液和碳纳米管分散液；(3)将氧化石墨烯分散液和碳纳米管分散液混合，经搅拌或超声分散至均匀，得到(氧化石墨烯-碳纳米管)分散液；(4)向金属粉末料浆中加入(氧化石墨烯-碳纳米管)分散液，经搅拌或超声分散至完全吸附，然后再进行过滤、干燥得到(氧化石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末。在本专利技术的复合材料中，石墨烯是通过还原氧化石墨烯的方法得到的。目前，直接获得石墨烯的方法主要有机械剥离法、外延生长法和化学气相沉积法，产量小、成本高，并且极易团聚，难于在溶液中均匀分散并添加到金属基体之中。另一方面，氧化石墨烯能容易地通过超声分散氧化石墨获得，并能够在极性溶剂中稳定分散，制备容易、成本低。进而，氧化石墨烯能够通过化学还原、热还原等方法在很大程度上被还原为石墨烯。本专利技术采用料浆共混和和氧化石墨烯还原的技术路线，能够在复合材料中均匀引入体积分数为0. 1%至1%的寡层石墨烯，其石墨原子层数不超过10层，具有优异的力学和导电、导热特性，且其径厚比大于200，能够将碳纳米管连接成网络，发挥协同、耦合的增效效益。在本专利技术的复合材料中，所述碳纳米管为单壁、双壁或多壁碳纳米管，其长径比大于20，体积分数为0. 5%至5%。在本专利技术中，所述金属基体为铝、铜、镁、钛、铁、镍等纯金属及其合金中的一至多 种。为便于从料浆中均匀吸附氧化石墨烯和碳纳米管，采用比表面积相对较大、径厚比大于10的片状金属粉末，其厚度介于200nm-5 u m之间，直径在5_500um之间。本专利技术采用水或有机溶剂制备金属粉末料浆、氧化石墨烯分散液和碳纳米管分散液，其中有机溶剂选自乙醇、甲醇、丙酮。本专利技术氧化石墨烯含有大量羧基、羟基、环氧基等含氧官能团，在甲醇、乙醇、丙酮、水等溶剂中易于分散，并且氧化石墨烯能够辅助碳纳米管的分散，得到所述的氧化石墨烯-碳纳米管溶液，并可不加或加入十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基三甲基溴化铵、曲拉通、壳聚糖、3 -环式本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料，其特征在于，由石墨烯、碳纳米管和金属基体构成，石墨烯和碳纳米管相互连接，在金属基体当中构成增强网络，其中石墨烯的体积分数为0. 1%至1%,碳纳米管的体积分数为0. 5%至5%。2.如权利要求I所述的石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料，其特征在于，所述石墨烯为单层、双层及10层以内的寡层石墨烯，其径厚比大于200。3.如权利要求I所述的石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料，其特征在于，所述碳纳米管为单壁、双壁或多壁碳纳米管，其长径比大于20。4.如权利要求1-3任一项所述的石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料，其特征在于，所述金属基体为铝、铜、镁、钛、铁、镍的纯金属及其合金中的一至多种。5.如权利要求4所述的石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料，其特征在于，所述金属基体采用径厚比大于10的片状金属粉末，其厚度介于200^1-51!!!!之间，直径在5_500um 之间。6.如权利要求1-5所述的石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤 (1)采用料浆共混工艺制备(氧化石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末； (2)对(氧化石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末进行还原处理，得到(石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末； (5)对(石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末进行致密化处理，得到大块、密实的(石墨烯-碳纳米管)/金属复合材料。7.如权利要求6所述的石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料的制备方法，其特征是，所述的料浆共混工艺，包含以下步骤 (1)制备金属粉末料浆； (2)分别制备氧化石墨烯分散液和碳纳米管分散液； (3)先向金属粉末料浆中加入碳纳米管分散液，经搅拌或超声分散至完全吸附，然后加入氧化石墨烯分散液，经搅拌或超声分散至完全吸附，最后再进行过滤、干燥得到(氧化石墨烯-碳纳米管)/金属复合粉末。8.如权利要求6所述的石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料的制备方法，其特征是，所述的料浆共混工艺，包含以下步骤 (1)制备金属粉末料浆； (2)分别制备氧化石墨烯分散液和碳纳米管分散液； (3)分别向两份金属粉末料浆中加入碳纳米管分散液和氧化石墨烯分散液，经搅拌或超声分散至完全吸附，得到氧化石墨烯/金属料浆和碳纳米管/金属料浆； (4)将氧化石墨烯/金属料浆和碳纳米管/金属料浆混合，经搅拌或超声分散至均匀，然后再进行过...
【专利技术属性】
技术研发人员：李志强，王景月，李赞，范根莲，张荻，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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