[发明专利]泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。

2014年05月08日，中航工业航材院的一组年轻科研人员在国际石墨烯研究领域首创“烯合金”材料，这一具有里程碑意义的重大自主创新，不但发明了一类具有优异性能的新型高端合金材料，也使我国成为石墨烯这一材料科学前沿基础和应用研究的领跑者。烯合金的研制成功，宣告一代新型具有特殊优异性能的系列材料横空出世，填补了世界材料科学领域的空白，进而将这门学科推向全新的领域。

石墨烯是目前热导率(最高可达5300W/mK)最高的人造材料，而且热膨胀系数和密度极低，将石墨烯作为增强相与高导热金属复合，在保证拥有理想热膨胀系数和低密度的同时，可获得更为优异的导热性能。在常见的高导热金属中，铝具有低密度(2.7g/cm³)、高热导率(237W/mK)、低成本、耐腐蚀和易加工等优点，是电子封装领域广泛使用的一种散热材料。因此，将石墨烯与铝复合使其兼具高热导、低热膨胀和低密度等优异的综合性能，现已成为新一代电子封装材料的研究热点。

目前国内外烯合金的主要研究思路是增加石墨烯粉末含量和改善石墨烯/铝的复合界面，均取得了较好的效果。然而，此种复合结构中的石墨烯粉末(热导率5300W/mK)犹如一座座由金属铝(热导率237W/mK)连接的导热孤岛，既增加了两相界面数量，又难产生协同作用，使石墨烯优异的导热性能难以充分发挥。本发明的创新思路是在复合材料中构建连续的石墨烯网络骨架，变高导热孤岛为高导热通道。然而，对于传统的颗粒增强型复合材料，网络互穿结构的制备难度很大。

中国发明专利CN105112754A提出了一种三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料及制备方法，其中金属三维网络骨架衬底采用机械加工方法制备或采用金属线编织而成。然而，传统的机械加工方法属于多维加工，加工工序多，成本较高。此外，机械加工受制于传统机械加工手段和设备的束缚，对三维多孔骨架内部孔径、联通性的精细控制难度较大。采用金属线编织的方法，存在三维孔隙间含有缝隙，且工艺流程复杂等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料及其制备方法。本发明制备的复合材料可以完整地复制泡沫金属的结构，高导热材料以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，以三维网络的形式均匀地分布于复合材料中，具有优异的连续导热能力、电荷传导能力和极低密度，有效提高复合材料的热导率、导电率及机械强度相。

本发明泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，所述复合材料包括增强体、基体材料，所述增强体包括泡沫骨架衬底、石墨烯强化层，所述泡沫骨架衬底表面设有石墨烯强化层；所述泡沫骨架衬底选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一种，所述基体材料选自铝及铝基合金。

本发明泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所述泡沫陶瓷骨架选自泡沫A1₂O₃、泡沫ZrO₂、泡沫SiC、泡沫Si₃N₄、泡沫BN、泡沫B₄C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr₇C₃中的一种。

本发明泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，所述泡沫骨架衬底中，泡沫孔径为0.01-10mm，开孔率40-99.9％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。

本发明泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料，所述石墨烯强化层选自石墨烯膜、石墨烯墙、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆石墨烯中的一种。