本發明是一種石墨烯/金屬復合粉體的制備方法，屬于金屬基復合材料領域。

技術背景

石墨烯具有良好的導電、導熱性能及超高的強度，作為增強體添加到金屬基體中，可以提高金屬的力學及導電導熱性能。將石墨烯均勻分散在金屬基體中是獲得高性能石墨烯/金屬基復合材料的前提。石墨烯是一種納米材料，跟其他納米材料相似，有很強的團聚傾向。目前為止，粉末冶金工藝是將石墨烯分散到金屬基體中的有效方法，該工藝通過先制備石墨烯/金屬復合粉體再燒結成型獲得石墨烯/金屬基復合材料。在此工藝中，后期的燒結成型中很難改善石墨烯在金屬基體中的分布狀態，因此前期獲得分散均勻的石墨烯/金屬復合粉體是利用粉末冶金工藝制備高性能石墨烯/金屬基復合材料的關鍵。

目前，常用的石墨烯/金屬復合粉體制備工藝是球磨，但是球磨工藝制備復合粉體時，單次制備粉體量少，生產效率低。另外，球磨時金屬粉與球磨珠子的高速碰撞可能使球磨珠上的材料磨損，引入雜質。

技術實現要素：

本發明正是針對上述現有技術中存在的不足而設計提供了一種石墨烯/金屬復合粉體的制備方法，其目的是解決石墨烯在石墨烯/金屬復合粉體中分散性差的問題。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

該種石墨烯/金屬復合粉體的制備方法，其特征在于：該方法的步驟如下：

步驟一、利用超聲分散儀將氧化石墨烯溶于去離子水中，獲得氧化石墨水溶液；

步驟二、用機械攪拌的方式將金屬粉體均勻分散到氧化石墨烯分散液中，獲得氧化石墨烯均勻包覆在金屬粉上的氧化石墨烯/金屬復合漿料；

步驟三：在冷凍干燥箱將氧化石墨烯/金屬復合漿料干燥，獲得氧化石墨烯/金屬復合粉體；

步驟四：在氣氛保護爐中將氧化石墨烯/金屬復合粉體進行高溫煅燒，使氧化石墨烯還原為石墨烯獲得石墨烯/金屬復合粉體。

金屬粉體顆粒的形狀為球形或片狀，金屬粉體顆粒的大小為亞微米或微米級。

金屬粉體的材料為鋁粉、鋁合金粉、銅粉、銅合金粉、鈦粉、鈦合金粉、鎂粉或鎂合金粉。

機械攪拌的時間為2～20h。

冷凍干燥箱中的溫度為-50～-5℃。

高溫煅燒的溫度為300～800℃，氣氛保護爐中的保護氣氛為氮氣、氬氣或氫氣。

本發明技術方案中利用機械攪拌方式制備氧化石墨烯/金屬復合漿料，使生產效率高且不會引入雜質，但是機械攪拌方式對石墨烯的分散效果較球磨工藝差，為了解決石墨烯分散性差的問題，用氧化石墨烯代替石墨烯添加到金屬粉體中，氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，其上含氧官能團增多而使性質較石墨烯更加活潑，在水溶液中具有優越的分散性，且在300～800℃下能還原為石墨烯。

本發明采用分散性較好的氧化石墨烯為原料，通過后期的高溫處理將氧化石墨烯還原為石墨烯制備石墨烯/金屬復合粉體的方法解決了以前制備工藝存在的問題。另外，本發明利用氧化石墨烯在水中極好的分散性能制備氧化石墨烯分散液，不需要添加分散劑。本發明工藝簡單，適合工業化，且所獲復合粉體性能優良，為石墨烯/金屬基復合材料的工程化應用打開思路。

本發明技術方案的優點是：

第一，利用氧化石墨烯在水中良好的分散性制備氧化石墨烯分散液，不需要添加分散劑，簡化工藝流程；

第二，所用氧化石墨烯可采用Hummers方法等化學法制備，成本低廉，極大降低成本；

第三，本發明采用機械攪拌方法制備石墨烯/金屬復合粉體，該工藝較文獻中常用的球磨工藝極大提高了生產效率，且適可適用于鎂等易燃等金屬，拓寬了石墨烯/金屬基復合材料的范圍。

附圖說明

圖1為本發明所述方法的流程圖

圖2為實施例1中獲得的石墨烯/鋁復合粉體照片

圖3為實施例1對石墨烯/鋁復合粉體進行熱等靜壓、熱擠壓后測試其室溫拉伸性能的曲線圖

具體實施方式

以下將結合實施例對本發明技術方案作進一步地詳述：

實施例1

參見附圖1所示，采用本發明所述制備種石墨烯/金屬復合粉體的方法的步驟如下：

1：稱量5g氧化石墨烯溶于300ml酒精溶劑中，超聲分散30min，獲得氧化石墨烯分散液；

2：將氧化石墨烯分散液移入機械攪拌裝置中，邊攪拌邊將500g純鋁粉—片狀，片層厚度約200nm—緩慢加入其中，添加完成后繼續攪拌10h獲得粘稠的漿料；

3：將漿料置于冷凍干燥箱中，在-40℃下干燥獲得氧化石墨烯/鋁復合粉；

4：將充分干燥的氧化石墨烯/鋁復合粉放于氣氛保護爐中，在氬氣保護下進行高溫500℃煅燒，將氧化石墨烯還原為石墨烯，獲得石墨烯/鋁復合粉體，如圖2所示；

5：對復合粉體進行熱等靜壓、熱擠壓后測試其室溫拉伸性能，結果如圖3所示。

實施例2

參見附圖1所示，采用本發明所述制備種石墨烯/金屬復合粉體的方法的步驟如下：

1：稱量5g氧化石墨烯溶于400ml酒精溶劑中，超聲分散30min，獲得氧化石墨烯分散液；

2：將氧化石墨烯分散液移入機械攪拌裝置中，邊攪拌邊將500g純鎂粉(100目)緩慢加入其中，添加完成后繼續攪拌15h獲得粘稠的漿料；

3：將漿料置于冷凍干燥箱中，在-30℃下干燥獲得氧化石墨烯/鎂復合粉；

4：將充分干燥的氧化石墨烯/鎂復合粉放于氣氛保護爐中，在氬氣保護下進行高溫500℃煅燒，將氧化石墨烯還原為石墨烯，獲得石墨烯/鎂復合粉體。

實施例3

參見附圖1所示，采用本發明所述制備種石墨烯/金屬復合粉體的方法的步驟如下：

1：稱量3g氧化石墨烯溶于200ml酒精溶劑中，超聲分散30min，獲得氧化石墨烯分散液；

2：將氧化石墨烯分散液移入機械攪拌裝置中，邊攪拌邊將600g純銅粉(200目)緩慢加入其中，添加完成后繼續攪拌10h獲得粘稠的漿料；

3：將漿料置于冷凍干燥箱中，在-30℃下干燥獲得氧化石墨烯/銅復合粉；

4：將充分干燥的氧化石墨烯/Al復合粉放于氣氛保護爐中，在氬氣保護下進行高溫800℃煅燒，將氧化石墨烯還原為石墨烯，獲得石墨烯/銅復合粉體。

實施例4

參見附圖1所示，采用本發明所述制備種石墨烯/金屬復合粉體的方法的步驟如下：

1：稱量6g氧化石墨烯溶于400ml酒精溶劑中，超聲分散30min，獲得氧化石墨烯分散液；

2：將氧化石墨烯分散液移入機械攪拌裝置中，邊攪拌邊將600g純鈦粉緩慢加入其中，添加完成后繼續攪拌5h獲得粘稠的漿料；

3：將漿料置于冷凍干燥箱中，在-30℃下干燥獲得氧化石墨烯/鈦復合粉；

4：將充分干燥的氧化石墨烯/鈦復合粉放于氣氛保護爐中，在氬氣保護下進行高溫800℃煅燒，將氧化石墨烯還原為石墨烯，獲得石墨烯/鈦復合粉體。

本發明技術方案與現有技術相比，實現了石墨烯和金屬粉的均勻分散，且所需原材料簡單，工藝步驟簡潔，易于實現大批量石墨烯/金屬復合粉體的制備。用該方法制備的石墨烯/鋁基復合材料的抗拉強度為180MPa，較鋁基體強度提高20％，且塑性也有所提高。因此，該發明為高性能石墨烯/金屬基體復合材料的制備奠定基礎，有利于石墨烯/金屬基體復合材料的工程化應用。