[发明专利]一种石墨烯/金属复合导电涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯/金属复合导电涂层的制备方法，属于导电技术领域。

背景技术

纯银是一种可煅、可塑的贵金属，具有良好的导电和导热性能，在所有的金属中，以银的导电性能最好。基于银的优良导电性，金属基体表面镀银工艺在电池生产中占有十分重要的地位。传统的镀银工艺主要分为氰化物镀银工艺和无氰镀银工艺。但由于氰化物镀银液剧毒，具有污染环境、危害生产者的健康以及废液处理成本较高等缺点，所以人们希望用其他电镀工艺来取代氰化物电镀银工艺。而无氰镀银工艺的稳定性和镀层的性能与氰化物镀银工艺比起来，还存在一定差距，无法将银的优良导电性能完全展现出来，因此，研制一种无毒、稳定、导电性能良好的导电涂层代替镀银工艺是意义深远而又迫在眉睫的。

石墨烯的每个碳原子均为SP2杂化，并剩余一个P轨道电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。由于原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生碰撞，石墨烯中的电子收到的干扰也很小。电子在石墨烯中传输时不易发生散射，电子迁移率为2×10⁵cm²/（V·s），约为硅中电子迁移率的140倍，其导电率达10⁶S/m,是常温下导电性最佳的材料。

然而，由于石墨烯比表面积大、比表面能较高、团聚现象相当严重，很难在金属基体上均匀分散 ；而且石墨烯密度较小，既不亲水也不亲油，反应活性较低，使得对其进行改性比较困难，种种原因导致了石墨烯与金属基体涂覆难度较大，而且将石墨烯分散在胶体中涂覆在金属基体上，由于树脂不导电，且团聚现象严重，大大地破坏了石墨烯的导电连续性，其性能也不甚理想。传统的金属基涂层制备方法很难制备出性能优异的石墨烯-金属基涂层。

热喷涂利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。具有如下优点：1、基体材料不受限制，可以是金属和非金属，可以在各种基体材料上喷涂；2．可喷涂的涂层材料极为广泛，热喷涂技术可用来喷涂几乎所有的固体工程材料,如硬质合金、陶瓷、金属、石墨等；3．喷涂过程中基体材料温升小，不产生应力和变形；4．操作工艺灵活方便，不受工件形状限制，施工方便；5．涂层厚度可以从0.01至几毫米；6．涂层性能多种多样，可以形成耐磨、耐蚀、隔热、抗氧化、绝缘、导电、防辐射等具有各种特殊功能的涂层；7．适应性强及经济效益好。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种石墨烯/金属复合导电涂层的制备方法，先对原材料进行分散和改性处理，然后采用悬浮态热还原法直接在金属粉末表面还原生长石墨烯，并将表面生长有石墨烯的金属粉采用热喷涂的方式涂覆在金属基体表面，金属粉末经高温熔融软化，与金属基体表面进行冶金-化学结合，提高了涂层在金属基体上的附着度。

一种石墨烯/金属复合导电涂层的制备方法，具体步骤如下：

（1）金属粉末预处理

将雾化金属粉末和级配钢球按质量比放入球磨罐中，填满无水乙醇后以200~400r/min的转速湿磨一段时间为t₁，形成片状金属粉末；

（2）金属-改性氧化石墨烯粉末制备

在步骤（1）中的球磨罐中按质量百分数比加入氧化石墨烯粉末和分散剂，以400~800r/min的转速湿磨一段时间为t₂，随后采用真空干燥箱在80℃条件下烘干，制得分散均匀的金属-改性氧化石墨烯粉末；

（3）悬浮态热还原金属-改性氧化石墨烯粉末

将步骤（2）制得的铜-改性氧化石墨烯粉末粉末放入悬浮炉中进行悬浮态热还原，热还原温度设定为400℃~1000℃，并在悬浮炉中以一定的流速通入一定体积比的保护气体氩气和还原气体氢气，反应一段时间为t₃，附着在片状金属粉末上的氧化石墨烯在金属粉末表面原位还原生成石墨烯，反应结束后冷却至室温，即得到金属-改性石墨烯复合粉末；

（4）金属-改性石墨烯复合粉末涂层制备

采用热喷涂工艺将金属-改性石墨烯复合粉末喷涂在金属基体上。

优选地，步骤（1）中所述金属粉末为具有高还原性的导电金属粉末，包括铜粉、镍粉中的一种或两种。