一种石墨烯和液态金属的复合体材料及其制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种石墨稀和液态金属的复合体材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 液态金属因其自身特殊的微观结构，使其具有高强度、抗刮性好、高光泽度等优异 的使用性能，符合3C电子产品结构件的使用要求，具有很大的应用潜力和市场发展前景。
[0003] 虽然液态金属因自身结构的特殊性而具备不少的优异性能；但是自身的一些弱点 也十分明显，液态金属材料具有玻璃材料类似的缺陷一脆性，使其可塑性大大降低，这也 限制了它的实际应用。液态金属由于自身结构的特殊，使其在承受外部负荷的时候不像金 属材料内部可以产生各种变形机制来抵抗变形，所以在应力达到断裂强度时会发生突然断 裂，导致意外事故的发生，严重制约了液态金属在高性能材料领域的应用推广。
[0004] 目前，已知的液态金属塑形增强技术可以在一定程度上提高液态金属塑性；但是， 其不足之处也十分明显：首先，制备工艺复杂，样品的重复性低；其次，因为复合的塑性相 强度低于非晶基体，从而导致材料的强度降低，在塑性提高的同时，却牺牲了材料应有的力 学强度。
【发明内容】
[0005] 本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于石墨烯增塑的液态金 属复合体材料，进一步提高塑性，并能保持较好的力学强度；还提供一种操作性好、成本经 济、工艺简单的石墨烯和液态金属的复合体材料的制备方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种石墨烯和液态金属的复合体材料，其是按照以下方式制作获得的石墨烯和 液态金属复合体材料：将按重量计5-20份的石墨烯与100份的液态金属放入真空度到达 KT3-1(T2帕的真空熔炼炉中，在惰性气体保护下进行高温熔炼以使得石墨烯和液态金属相 互充分混合均匀形成熔融体，优选熔炼温度是1000-2500°C，熔炼时间1小时以上；然后利 用吸铸的方式，将熔融体吸入到带有冷却系统的具有形状化结构的模具内部，使得熔融体 快速冷却而形成石墨烯增塑的液态金属。优选的，所述冷却系统的冷却媒体是液态空气、液 氮、冷却水、液氩中的一种或两种以上的组合。
[0008] 进一步地：
[0009] 所述惰性气体为浓度为99. 99 %氩气。
[0010] 所述高温熔炼采用感应加热，加热功率为10-50KW。
[0011] 所述液态金属为锆基液态金属、镁基液态金属、铜基液态金属、铝基液态金属、铁 基液态金属、镍基液态金属、钛基液态金属的一种，优选地，所述液态金属的玻璃化温度大 于结晶化温度18°C以上。
[0012] 在将所述石墨烯与所述液态金属混合熔炼之前，通过物理或化学的方法对石墨烯 表面进行分散处理，优选地，所述分散处理为硅烷偶联剂表面修饰、乙醇超声修饰或电化学 修饰分散处理。
[0013] 一种石墨烯和液态金属的复合体材料的制备方法，包括：将按重量计5-20份的石 墨烯与100份的液态金属放入真空度到达10_ 3-10_2帕的真空熔炼炉中，在惰性气体保护 下进行高温熔炼以使得石墨烯和液态金属相互充分混合均匀形成熔融体，优选熔炼温度是 1000-2500 °C，熔炼时间1小时以上；然后利用吸铸的方式，将熔融体吸入到带有冷却系统 的具有形状化结构的模具内部，使得熔融体快速冷却而形成石墨烯增塑的液态金属，所述 冷却系统的冷却媒体是液态空气、液氮、冷却水、液氩中的一种或两种以上的组合。
[0014] 所述惰性气体为浓度为99. 99 %氩气。
[0015] 所述高温熔炼采用感应加热，加热功率为10-50KW。
[0016] 所述液态金属为锆基液态金属、镁基液态金属、铜基液态金属、铝基液态金属、铁 基液态金属、镍基液态金属、钛基液态金属的一种，优选地，所述液态金属的玻璃化温度大 于结晶化温度18°C以上。
[0017] 在将所述石墨烯与所述液态金属混合熔炼之前，通过物理或化学的方法对石墨烯 表面进行分散处理，优选地，所述分散处理为硅烷偶联剂表面修饰、乙醇超声修饰或电化学 修饰分散处理。
[0018] 本发明的有益效果：本发明的石墨烯和液态金属的复合体材料，可以有效提高液 态金属的塑性；在所得到的液态金属材料在保证塑性提高的同时，自身的力学强度几乎不 受影响；同时，该制备方法易于实施、工艺简便。本发明的复合体材料能够在各种3C电子产 品、精密医疗器械、汽车车身部件、航空航天部件中等各种领域使用，具有广阔应用前景。
【具体实施方式】
[0019] 以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的， 而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0020] 在一些实施例中，石墨烯和液态金属复合体材料是按照以下方式制作获得的石 墨稀和液态金属复合体材料：将按重量计5-20份的石墨稀与100份的液态金属放入真空 熔炼炉中，先对炉内进行真空处理，使其真空度到达1〇_ 3_1〇_2帕，进行高温熔炼。优选采 用感应加热的方式进行加热，加热功率为10-50KW。优选在99. 99%氩气保护下进行高温 熔炼以使得石墨烯和液态金属相互充分混合均匀形成熔融体。优选地，熔炼温度优选是 1000-2500°C，熔炼时间1-2小时，熔炼过程可反复进行3至5次。然后，利用吸铸的方式， 将熔融体快速吸入到带有快速冷却系统的具有形状化结构的模具中，使得熔融体快速冷却 而形成石墨烯增塑的液态金属。模具优选采用紫铜铜模。其中，模具的冷却系统优选采用 液态空气、液氮、冷却水、液氩中的一种或两种以上的组合作为冷却介质。
[0021] 液态金属可以是锆基液态金属、镁基液态金属、铜基液态金属、铝基液态金属、铁 基液态金属、镍基液态金属、钛基液态金属的一种。优选地，液态金属的玻璃化温度大于结 晶化温度18°C以上。
[0022] 石墨烯可以是通过各种物理化学方法制备得到的石墨烯，可以是单层石墨烯、双 层石墨烯和3层以上的多层石墨烯。优选地，石墨烯在与液态金属制备复合体材料之前进 行分散处理。可以通过物理或化学的方法对石墨烯表面进行修饰分散，如硅烷偶联剂表面 修饰、乙醇超声、电化学修饰分散处理等。
[0023] 本发明制作的石墨烯和液态金属复合体材料，有效提高了液态金属塑性，通过本 发明的处理方式使得液态金属微观上产生了新的剪切带，而新的剪切带的产生影响液态金 属在变形过程中材料自身承载塑性形变；另外，由于石墨烯自身具有纳米级的微孔和超大 的比表面积，本发明的处理方式使得液态金属组分可以在其周边比较均匀的分布，这也使 得石墨烯剪切带分布比较均匀，正因为这些均匀分布的剪切带，承载了液态金属在受力过 程中相当一部分的形变量，有效地降低了液态金属的玻璃脆性，从而提高了液态金属材料 自身的塑性。
[0024] 在一些实施例中，石墨烯和液态金属复合体材料的制备方法可包括以下的步骤：
[0025] 1)提供石墨烯：可以是通过各种物理化学方法制备得到的石墨烯，例如单层石墨 烯、双层石墨烯和3层以上的多层石墨烯；优选地，石墨烯在与液态金属制备复合体材料之 前进行分散处理，可通过物理或化学的方法对石墨烯表面进行修饰分散，如硅烷偶联剂表 面修饰、乙醇超声、电化学修饰等。
[0026] 2)提供液态金属：可以是锆基液态金属、镁基液态金属、铜基液态金属、铝基液态 金属、铁基液态金属、镍基液态金属、钛基液态金属的一种，优选其玻璃化温度大于结晶化 温度18°C以上。
[0027] 3)在100份液态金属中，加入5-20份的上述石墨稀，放入真空度到达KT3-1(T2帕 的真空熔炼炉中，启动感应加热，加热功率为10-50KW，在99. 99%氩气保护下，进行高温熔 炼，熔炼温度是l〇〇〇-250(TC，熔炼时间1-2小时，该熔炼过程可反复进行3至5次，使得石 墨烯和液态金属相互充分混合均匀形成熔融体。
[0028] 4)利用吸铸的方式，将熔融体快速吸入到带有快速冷却系统的具有形状化结构的 模具如紫铜铜模内部，使得熔融体快速冷却而形成石墨烯增塑的液态金属；其中，模具冷却 系统所采用的冷却介质可以是液态空气、液氮、冷却水、液氩中的一种或两种以上的组合。
[0029] 拉伸塑性测试：对上述方式所得到的石墨烯与液态金属的复合体材料用万能材 料力学试验机进行拉伸塑性测试，该复合体材料的塑性应变值明显优于现有的液态金属材 料，且同时也保持了较好的力学强度。
[0030] 实施例一
[0031] 1)提供通过预分散处理的单层石墨烯；石墨烯在与液态金属制备复合体材料之 前，进行分散处理，通过硅烷偶联剂进行修饰分散。
[0032] 2)提供液态金属；本次采用锆基液态金属，玻璃化温度大于结晶化温度18°C。
[0033] 3)在100份液态金属中，加入5份的预处理过的石墨烯，放入真空熔炼炉中，先 对炉内进行真空处理，使其真空度到达1(T3-1(T2帕，启动感应加热，加热功率为50KW，在 99. 99%氩气保护下，进行高温熔炼，熔炼温度2500°C，熔炼时间1小时；上述的熔炼过程可 反复进行3次，使得石墨烯和锆基液态金属相互充分混合均匀形成熔融体。
[0034] 4)利用吸铸的方式，将熔融体快速吸入到带有快速冷却系统的具有形状化结构的 紫铜铜模内部，使得熔融体快速冷却而形成石墨烯增塑的锆基液态金属；其中，紫铜铜模冷 却系统所采用的冷却介质主要采用液态空气。
[0035] 拉伸塑性测试：对上述方式所得到的石墨烯与锆基液态金属的复合体材料用万能 材料力学试验机进行拉伸塑性测试，该复合体材料的塑性应变值为9. 50%。
[0036] 实施例二
[0037] 1)提供通过预分散处理的单层石墨烯；石墨烯在与液态金属制备复合体材料之 前，进行分散处理，通过硅烷偶联剂进行修饰分散。
[0038] 2)提