[发明专利]一种高结构完整高分散石墨烯/金属复合材料的制备方法

说明书

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种高结构完整高分散性的石墨烯增强金属基复合材料的制备方法。该方法可实现高结构完整的石墨烯在金属基体中的良好分散。本发明以普通石墨为原料，采用在阴离子表面活性剂和硫酸盐的混合水溶液中电化学剥离，快速获得高结构完整性、悬浮性良好的石墨烯水溶液，然后将其与经过阳离子表面活性剂处理的金属粉末混合，从而使石墨烯均匀的吸附在金属粉末表面，随后利用传统的粉末冶金工艺制备出石墨烯增强金属基复合材料。本发明的优点在于：(1)原材料采用普通石墨，成本低廉；(2)所制备的复合材料中石墨烯结构完整度高，分散性良好；(3)整个制备过程高效、环保，具备小批量规模化生产能力。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体提供一种高结构完整性高分散性的石墨烯增强金属基复合材料的制备方法。该方法可以实现石墨烯在金属基体中的均匀分散，同时保证石墨烯具有良好的结构完整性。

背景技术

石墨烯具有极高的力学性能(抗拉强度>30GPa，弹性模量～1GPa)，良好的热性能和电学性能，被认为是复合材料的理想增强体。石墨烯增强金属基复合材料具有高比强度、高比刚度，而且具有潜在的优良导电和导热性能，在航空航天、汽车制造、微电子等多个领域有着广阔的应用前景。石墨烯与大多数金属及其合金都不浸润，限制了常规的液相法来制备石墨烯增强金属基复合材料。而粉末冶金法则对石墨烯与金属基体的浸润性不敏感，更适用于制备石墨烯增强金属基复合材料，同时，粉末冶金法制备的复合材料具有可宏量化，组织宏微观均匀，增强相体积分数易于精确控制的特点。然而，由于石墨烯径厚比巨大，片间范德华力作用强，在金属基体中以团聚形式分布，难以发挥其完美的增强效果，分散石墨烯己成为制备优良性能石墨烯增强金属基复合材料必须解决的首要问题。

目前采用粉末冶金法制备石墨烯增强金属基复合材料的分散方法之一是把金属粉末和石墨烯粉末进行高能球磨，利用其高能输入的特点使金属粉末反复变形、冷焊和破碎，从而达到分散石墨烯的目的。但是该方法不可避免地引入氧化物等杂质，而且对石墨烯本身结构造成损伤，不利于得到性能优良的复合材料。有报道显示，石墨烯与铜粉在高能球磨4h后，拉曼光谱表明石墨烯出现了明显的损伤[Carbon,2014,69,p 55-65]。在金属粉末表面利用化学沉积原位生长石墨烯是另一种制备石墨烯/金属复合材料粉末的方法，如中国专利“在铜粉表面原位催化固体碳源制备石墨烯/铜复合材料的方法”(申请号：CN201510227782.7)，但受制于金属粉末的比表面积，其生成的石墨烯含量较低，无定形碳的含量较高，不利于后续复合材料力学性能的提升；而且仅适用于制备Cu、Ni等具有催化活性金属作为基体的复合材料。此外，还有一种方法是采用氧化石墨烯代替石墨烯，利用氧化石墨烯易于分散到金属粉末表面[Scripta Mater,2012,66,p 594-597]或对氧化石墨烯进行化学镀[Adv Mater,2013,46,p 6724-6729]的原理从而获得氧化石墨烯/金属粉末前驱体，随后经还原获得均匀分散的石墨烯/金属粉末。该方法石墨烯分散均匀，但缺点是石墨烯还原不充分，结构缺陷较多，不利于力学性能的提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种石墨烯增强金属基复合材料的制备方法。本发明利用在阴离子表面活性剂和硫酸盐的混合水溶液中电化学剥离石墨的方法，获得在溶液中带负电且均匀分散的石墨烯，使其易于吸附到金属粉末表面，从而得到石墨烯分散均匀的复合粉末，然后再利用粉末冶金工艺制备石墨烯/金属复合材料。此方法制备的复合材料中石墨烯不仅分散均匀，而且结构损伤小、径厚比较大，因而有望获得优异性能的复合材料，适用于要求轻质高强的航空航天、汽车制造等领域。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种高结构完整性高分散性石墨烯增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：以普通石墨为阳极，以导电材料为阴极，采用在阴离子表面活性剂溶液中对阳极进行电化学剥离，快速获得高结构完整性、悬浮性良好的石墨烯水溶液，然后将其与经过阳离子表面处理的金属粉末混合，从而使石墨烯均匀的吸附在金属粉末表面，随后利用粉末冶金工艺制备出石墨烯增强金属基复合材料。