一种石墨烯/金属复合粉体材料的制备方法与流程

本发明是一种石墨烯/金属复合粉体材料的制备方法，属于金属基复合材料领域。

技术背景

石墨烯具有良好的导电、导热性能及超高的强度，作为增强体添加到金属基体中，可以提高金属的力学及导电导热性能。将石墨烯均匀分散在金属基体中是获得高性能石墨烯/金属基复合材料的前提。石墨烯是一种纳米材料，跟其他纳米材料相似，有很强的团聚倾向。目前为止，粉末冶金工艺是将石墨烯分散到金属基体中的有效方法，该工艺通过先制备石墨烯/金属复合粉体再烧结成型获得石墨烯/金属基复合材料。在此工艺中，后期的烧结成型中很难改善石墨烯在金属基体中的分布状态，因此前期获得分散均匀的石墨烯/金属复合粉体是利用粉末冶金工艺制备高性能石墨烯/金属基复合材料的关键。

目前，常用的石墨烯/金属复合粉体制备工艺是球磨，但是该工艺使用范围有限，不适用于镁等金属粉。且球磨工艺制备复合粉体时，单次制备粉体量少，生产效率低。另外，球磨时金属粉与球磨珠子的高速碰撞可能使球磨珠上的材料磨损，引入杂质。

技术实现要素：

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种石墨烯/金属复合粉体材料的制备方法，其目的是解决石墨烯在石墨烯/金属复合粉体中分散性差的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种石墨烯/金属复合粉体材料的制备方法的步骤如下：

步骤一、利用超声分散仪将氧化石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮溶于溶于酒精溶剂中，获得氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯与聚乙烯吡咯烷酮的重量比为2:1～1:2；

步骤二、用机械搅拌的方式将金属粉体均匀分散到氧化石墨烯分散液中，获得氧化石墨烯均匀包覆在金属粉上的氧化石墨烯/金属复合浆料；

步骤三：在烘箱将氧化石墨烯/金属复合浆料干燥，获得氧化石墨烯/金属复合粉体；

步骤四：在气氛保护炉中将氧化石墨烯/金属复合粉体进行高温煅烧，使氧化石墨烯还原为石墨烯同时除去聚乙烯吡咯烷酮，获得石墨烯/金属复合粉体材料。

金属粉体颗粒的形状为球形或片状，金属粉体颗粒的大小为亚微米或微米级。

金属粉体的材料为铝粉、铝合金粉、铜粉、铜合金粉、钛粉、钛合金粉、镁粉或镁合金粉。

机械搅拌的时间为5～20h。

烘箱中的温度为50～120℃。

高温煅烧的温度为300～800℃，气氛保护炉中的保护气氛为氮气、氩气或氢气。

本发明技术方案中利用机械搅拌方式制备氧化石墨烯/金属复合浆料，使生产效率高且不会引入杂质，但是机械搅拌方式对石墨烯的分散效果较球磨工艺差，为了解决石墨烯分散性差的问题，用氧化石墨烯代替石墨烯添加到金属粉体中，氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，再利用聚乙烯吡咯烷酮将氧化石墨烯分散到乙醇溶液中，使氧化石墨烯具有优越的分散性，且在300～800℃下能还原为石墨烯。

本发明采用分散性较好的氧化石墨烯为原料，通过后期的高温处理将氧化石墨烯还原为石墨烯制备石墨烯/金属复合粉体的方法解决了以前制备工艺存在的问题。另外，本发明利用氧化石墨烯在乙醇中极好的分散性能制备氧化石墨烯分散液，不需要添加分散剂。本发明工艺简单，适合工业化，且所获复合粉体性能优良，为石墨烯/金属基复合材料的工程化应用打开思路。

本发明技术方案的优点是：

第一，本发明利用分还原散性良好的氧化石墨烯代替石墨烯制备石墨烯/金属复合粉体，工艺流程简单且获得的石墨烯/金属复合粉体分散性好；

第二，所用氧化石墨烯可采用Hummers方法等化学法制备，成本低廉，极大降低石墨烯金属复合粉体的成本；

第三，本发明的分散工艺在酒精溶液而非水中进行，在后期可采用普通加热进行干燥处理。

附图说明

图1是本发明方法的流程图

图2是实施例1获得的石墨烯/镁复合材料在拉伸状态下的应力-应变曲线

实施例1

参见附图1所示，采用本发明所述的制备石墨烯/金属复合粉体材料的方法的步骤如下：

1：称量5g氧化石墨烯和5g聚乙烯吡咯烷酮溶于400ml酒精溶剂中，超声分散30min，获得氧化石墨烯分散液；

2：将氧化石墨烯分散液移入机械搅拌装置中，边搅拌边将500g镁合金粉(AZ91，100目)缓慢加入其中，添加完成后继续搅拌12h获得粘稠的浆料；

3：将浆料置于鼓风烘箱中在80℃下快速干燥；

4：将充分干燥的氧化石墨烯/镁复合粉放于气氛保护炉中，在氩气保护下进行高温500℃煅烧10小时，将氧化石墨烯还原为石墨烯同时除去聚乙烯吡咯烷酮，获得石墨烯/镁复合粉体；

5：石墨烯/镁复合粉体经热等静压、热挤压后获得石墨烯/镁复合材料，其拉伸应力-应变曲线如图2所示。

实施例2

参见附图1所示，采用本发明所述的制备石墨烯/金属复合粉体材料的方法的步骤如下：

1：称量5g氧化石墨烯和5g聚乙烯吡咯烷酮溶于600ml酒精溶剂中，超声分散30min，获得氧化石墨烯分散液；

2：将氧化石墨烯分散液移入机械搅拌装置中，边搅拌边将500g铝合金粉(2024,200目)缓慢加入其中，添加完成后继续搅拌5h获得粘稠的浆料；

3：将浆料置于鼓风烘箱中在80℃下快速干燥；

4：将充分干燥的氧化石墨烯/铝复合粉放于气氛保护炉中，在氩气保护下进行高温500℃煅烧，将氧化石墨烯还原为石墨烯同时除去聚乙烯吡咯烷酮，获得石墨烯/铝复合粉体。

实施例3

参见附图1所示，采用本发明所述的制备石墨烯/金属复合粉体材料的方法的步骤如下：

1：称量3g氧化石墨烯和3g聚乙烯吡咯烷酮溶于200ml酒精溶剂中，超声分散30min，获得氧化石墨烯分散液；

2：将氧化石墨烯分散液移入机械搅拌装置中，边搅拌边将600g纯铜粉(200目)缓慢加入其中，添加完成后继续搅拌10h获得粘稠的浆料；

3：将浆料置于鼓风烘箱中在80℃下快速干燥；

4：将充分干燥的氧化石墨烯/铜复合粉放于气氛保护炉中，在氩气保护下进行高温800℃煅烧10小时，将氧化石墨烯还原为石墨烯同时除去聚乙烯吡咯烷酮，获得石墨烯/铜复合粉体。

本发明技术方案与现有技术相比，实现了石墨烯和金属粉的均匀分散，分散工艺采用机械搅拌进行分散所使用金属种类广泛，同时采用分散剂聚乙烯吡咯烷酮在高温下易分解，可在还原氧化石墨烯的同时分解掉，使工艺流程简单，易于实现大批量石墨烯/金属复合粉体的制备.用该方法制备的石墨烯/镁基复合材料的强度和塑性均较镁合金基体由明显提高。因此，该发明为高性能石墨烯/金属基体复合材料的制备奠定基础，有利于石墨烯/金属基体复合材料的工程化应用。