快速制备金属基石墨烯复合材料的方法与流程

本发明涉及石墨烯复合材料技术领域，尤其涉及一种快速制备金属基石墨烯复合材料的方法。

背景技术：

石墨烯是一种由碳原子组成的二维层状材料。由于其具有优异的光学、电学、力学特性，在材料、医学、能源、制药等领域表都具有重要的应用，被认为是21世纪具有革命性的新材料。石墨烯中每个碳原子通过较强的σ键与周围其他的碳原子结合，这些碳-碳键使得石墨烯片层使其断裂强度可达42n/m，杨氏模量可以达到1.0tpa，因此使用石墨烯制备优异力学特性的复合材料具有巨大的科学和市场价值。

石墨烯常用的制备方法有微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀cvd法、碳化硅升华法、氧化石墨还原法等。其中化学气相沉淀cvd法由于制备石墨烯片层较大，是目前市场上主流方法之一，但是效率较低。采用传统熔炼冶金方法获得块体金属基石墨烯复合材料较为困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种工艺简单、速度快的制备金属基石墨烯复合材料的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种快速制备金属基石墨烯复合材料的方法，其特征在于：所述制备方法使用金属基石墨烯复合材料制备装置，所述制备方法包括如下步骤：

首先将高纯铜块放入石墨烯制备坩埚中，并将要制备金属基石墨烯材料的金属基体材料放入水冷铜坩埚中，封闭炉体，关闭混合粉注入管阀门，然后对铜熔体加热器通电熔炼石墨烯制备坩埚中的铜块直至铜块熔化，启动等离子电极对水冷铜坩埚的金属进行加热；

待石墨烯制备坩埚中的铜熔体的温度均匀稳定后，启动超声波熔体振动仪，通过甲烷注入管向铜熔体中注入甲烷气体，形成甲烷气泡，甲烷气泡上浮过程中在其内表面形成石墨烯层，当上浮到铜熔体表面时破碎，并受到超声波熔体振动仪的振动，石墨烯层脱离铜熔体表面，形成石墨烯粉挥发至石墨烯制备腔的气氛中；同时在金属粉制备腔中通过等离子电极熔炼水冷铜坩埚内的金属熔体，由于受到高温作用，金属熔体中的金属原子挥发至金属粉制备腔的气氛中；

待甲烷气泡上浮至铜熔体表面后，打开混合粉注入管阀门，启动第一惰性气体气管和第二惰性气体气管，保持第一惰性气体气管和第二惰性气体气管输出速率相等，启动惰性气体加热器对第一惰性气体气管进行加热，启动惰性气体冷却器对第二惰性气体气管冷却，在第二惰性气体气管内部吹出的气流迅速冷却金属原子，并形成金属纳米粉，第二惰性气体气管吹出的惰性气体通过金属粉传送口将金属纳米粉吹入粉体回收腔内，第一惰性气体气管吹出的惰性气体通过石墨烯传送口将石墨烯粉吹入粉体回收腔内；

石墨烯粉和金属纳米粉在粉体回收腔内混合，通过混合粉注入管进入复合粉末回收器中，石墨烯粉和金属纳米粉进入复合粉末回收器中的易挥发有机溶剂中，气体通过气体排放孔排出；

待混合有石墨烯粉和金属纳米粉的易挥发有机溶剂没过气体排放孔时，停止第一惰性气体气管和第二惰性气体气管，关闭阀门，取出含有石墨烯粉和金属纳米粉的易挥发有机溶剂，更换新的有机溶剂，然后开启第一惰性气体气管和第二惰性气体气管，打开阀门；

将制备的含有石墨烯粉和金属纳米粉的易挥发有机溶剂在超声波震动下对易挥发有机溶剂进行挥发，待有机溶剂挥发完毕后，对其中的固体采用挤压处理，首先使得两种粉末结合牢固，然后进行瞬间高频高温挤压处理，制备成金属基石墨烯复合材料，然后迅速冷却金属基复合材料，高频产生的温度低于金属纳米粉的熔点200℃-300℃，防止金属纳米粉熔化，将石墨烯溶解，同时高频时间要短，使得粉体材料迅速受热均匀下受力结合牢固，防止石墨烯通过固态扩散溶解。

进一步的技术方案在于，所述金属基石墨烯复合材料制备装置包括炉体，所述炉体的上侧为金属粉制备腔，所述炉体的下侧为石墨烯制备腔，所述石墨烯制备腔内设置有坩埚支撑，所述坩埚支撑内设置有石墨烯制备坩埚，所述石墨烯制备坩埚内设置有金属铜，所述坩埚支撑的外周设置有铜熔体加热器，所述炉体的底部设置有甲烷注入管，所述甲烷注入管的上端延伸至所述石墨烯制备坩埚内，且所述甲烷注入管的下端位于所述炉体外，位于炉体外的甲烷注入管的一端通过管路与气源连接，所述铜熔体加热器上侧的炉壁内设置有支撑环，所述支撑环靠近所述石墨烯制备坩埚的上端开口设置，超声波熔体振动仪设置在所述支撑环上，所述超声波熔体振动仪用于使位于铜熔体表面的石墨烯片层快速离开铜熔体上表面，在所述石墨烯制备腔内形成石墨烯粉体，第一惰性气体气管的一端位于所述炉体外，第一惰性气体气管的另一端延伸入所述石墨烯制备腔内的石墨烯制备坩埚的上端开口旁，在与所述第一惰性气体气管位置相对的炉壁上设置有石墨烯传送口；所述金属粉制备腔内设置有水冷铜坩埚，所述水冷铜坩埚内设置有金属粉制备用金属，所述水冷铜坩埚正上方的炉顶上设置有等离子电极，所述等离子电极的最下端与所述水冷铜坩埚保持有距离，第二惰性气体气管的一端位于所述炉体外，第二惰性气体气管的另一端延伸入所述金属粉制备腔内的水冷铜坩埚的上端开口旁，在与所述第二惰性气体气管位置相对的炉壁上设置有金属粉传送口；所述石墨烯传送口以及所述金属粉传送口与粉体回收腔相连通，所述粉体回收腔的下端设置有向下延伸的混合粉体注入管，所述混合粉体注入管上设置有混合粉体注入管阀门，所述混合粉体注入管的下端开口延伸至复合粉末回收器内，所述复合粉末回收器内设置有易挥发有机溶剂，且所述回收器的侧壁上设置有与其连通的气体排放管。

进一步的技术方案在于，在使用所述制备装置制备所述复合材料之前需要将炉体抽真空至10^-3pa，然后充入惰性气体至0.3-0.8mpa。

进一步的技术方案在于，所述甲烷注入管的气压大于炉体内的气压，两者压力差的大小以及等离子电极电流的大小分别控制着石墨烯与金属纳米粉的比例。

进一步的技术方案在于，所述第一惰性气体气管和第二惰性气体气管所排出的气流速率相等，第一惰性气体气管和第二惰性气体气管的外侧分别设置有惰性气体加热器和惰性气体冷却器，分别用于对进入第一惰性气体气管内的惰性气体进行预热并对进入第二惰性气体气管内的惰性气体进行冷却。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法主要利用气泡上浮法制备石墨烯粉，利用等离子熔炼法制备金属纳米粉，石墨烯粉和金属纳米粉分别形成于不同的腔体内，并通过惰性气体将石墨烯粉和金属纳米粉吹至有机溶剂中，并混合均匀。然后将含有石墨烯和金属纳米粉的有机溶剂进行边搅拌，边挥发，直至有机溶剂挥发完毕。最后将两种混合均匀的粉末在高压和高温下挤压成型，制备成金属基石墨烯复合材料，制备工艺简单，速度快。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例中所述装置的结构示意图；

其中：1：炉体；1-1：金属粉制备腔；1-2：石墨烯制备腔；1-3：粉体回收腔；1-4：金属粉传送口；1-5：石墨烯传送口；1-6：混合粉注入管；1-6-1：混合粉注入管阀门；2：惰性气体冷却器；3：第二惰性气体气管；4：第一惰性气体气管；5：惰性气体加热器；6：超声波熔体振动仪；7：铜熔体；8：石墨烯制备坩埚；8-1：坩埚气泡上浮部；9：坩埚支撑；10：铜熔体加热器；11：甲烷气泡；12：甲烷注入管；13：复合粉末回收器；13-1：气体排放管；14：易挥发有机溶剂；15：等离子电极；16：金属熔体；17：等离子电弧；18：水冷铜坩埚。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种快速制备金属基石墨烯复合材料的装置，包括炉体1，所述炉体1的上侧为金属粉制备腔1-1，所述炉体1的下侧为石墨烯制备腔1-2，所述石墨烯制备腔1-2内设置有坩埚支撑9，所述坩埚支撑9内设置有石墨烯制备坩埚8，所述石墨烯制备坩埚8内设置有金属铜。所述坩埚支撑9的外周设置有铜熔体加热器10，所述炉体1的底部设置有甲烷注入管12，所述甲烷注入管12的上端延伸至所述石墨烯制备坩埚8内，且所述甲烷注入管12的下端位于所述炉体1外，位于炉体1外的甲烷注入管12的一端通过管路与气源连接。所述铜熔体加热器10上侧的炉壁内设置有支撑环，所述支撑环靠近所述石墨烯制备坩埚8的上端开口设置，超声波熔体振动仪6设置在所述支撑环上，所述超声波熔体振动仪6用于使位于铜熔体7表面的石墨烯片层快速离开铜熔体7上表面。

在所述石墨烯制备腔1-2内形成石墨烯粉体，第一惰性气体气管4的一端位于所述炉体1外，第一惰性气体气管4的另一端延伸入所述石墨烯制备腔1-2内的石墨烯制备坩埚8的上端开口旁，在与所述第一惰性气体气管4位置相对的炉壁上设置有石墨烯传送口1-5；所述金属粉制备腔1-1内设置有水冷铜坩埚18，所述水冷铜坩埚18内设置有金属粉制备用金属，所述水冷铜坩埚18正上方的炉顶上设置有等离子电极15，所述等离子电极15的最下端与所述水冷铜坩埚18保持有距离，第二惰性气体气管3的一端位于所述炉体1外，第二惰性气体气管3的另一端延伸入所述金属粉制备腔1-1内的水冷铜坩埚18的上端开口旁，在与所述第二惰性气体气管3位置相对的炉壁上设置有金属粉传送口1-4；

所述石墨烯传送口1-5以及所述金属粉传送口1-4与粉体回收腔1-3相连通，所述粉体回收腔1-3的下端设置有向下延伸的混合粉体注入管1-6，所述混合粉体注入管1-6上设置有混合粉体注入管阀门1-6-1，所述混合粉体注入管1-6的下端开口延伸至复合粉末回收器13内，所述复合粉末回收器13内设置有易挥发有机溶剂14，且所述回收器的侧壁上设置有与其连通的气体排放管13-1。

进一步的，如图1所示，所述石墨烯制备坩埚8下部的坩埚气泡上浮部8-1的直径小于石墨烯制备坩埚8上部的直径。坩埚气泡上浮部8-1的功能为使得气泡具有足够的上浮时间来形成大面积的石墨烯，这样还可以节约加热能源。

进一步的，如图1所示，所述第一惰性气体气管4和第二惰性气体气管3所排出的气流速率相等，第一惰性气体气管4和第二惰性气体气管3的外侧分别设置有惰性气体加热器5和惰性气体冷却器2，分别用于对进入第一惰性气体气管4内的惰性气体进行预热并对进入第二惰性气体气管3内的惰性气体进行冷却。这样可以防止第一惰性气体气管4进入的气体太冷，导致铜熔体7表面结晶，第二惰性气体气管3可以制备更为细小的金属纳米粉。

本发明还公开了一种快速制备金属基石墨烯复合材料的方法，所述制备方法使用上述快速制备金属基石墨烯复合材料的装置，所述制备方法包括如下步骤：

首先将高纯铜块放入石墨烯制备坩埚8中，并将要制备金属基石墨烯材料的金属基体材料放入水冷铜坩埚18中，封闭炉体1，关闭混合粉注入管阀门1-6-1，将炉体抽真空至10^-3pa，然后充入惰性气体至0.3-0.8mpa，然后对铜熔体加热器10通电熔炼石墨烯制备坩埚8中的铜块直至铜块熔化，启动等离子电极15对水冷铜坩埚18的金属进行加热；

待石墨烯制备坩埚8中的铜熔体7的温度均匀稳定后，启动超声波熔体振动仪6，通过甲烷注入管12向铜熔体7中注入甲烷气体，形成甲烷气泡11，甲烷气泡11上浮过程中在其内表面形成石墨烯层。当上浮到铜熔体7表面时破碎，并受到超声波熔体振动仪6的振动，石墨烯层脱离铜熔体7表面，形成石墨烯粉挥发至石墨烯制备腔1-2的气氛中；同时在金属粉制备腔1-1中通过等离子电极15熔炼水冷铜坩埚18内的金属熔体16，由于受到高温作用，金属熔体16中的金属原子挥发至金属粉制备腔1-1的气氛中；

待甲烷气泡11上浮至铜熔体7表面后，打开混合粉注入管阀门1-6-1，启动第一惰性气体气管4和第二惰性气体气管3，保持第一惰性气体气管4和第二惰性气体气管3输出速率相等，启动惰性气体加热器5对第一惰性气体气管4进行加热，启动惰性气体冷却器2对第二惰性气体气管3冷却，在第二惰性气体气管3内部吹出的气流迅速冷却金属原子，并形成金属纳米粉，第二惰性气体气管3吹出的惰性气体通过金属粉传送口1-4将金属纳米粉吹入粉体回收腔1-3内，第一惰性气体气管4吹出的惰性气体通过石墨烯传送口1-5将石墨烯粉吹入粉体回收腔1-3内；

石墨烯粉和金属纳米粉在粉体回收腔1-3内混合，通过混合粉注入管1-6进入复合粉末回收器13中，石墨烯粉和金属纳米粉进入复合粉末回收器13中的易挥发有机溶剂14中，气体通过气体排放孔13-1排出；在粉体回收腔1-3中由于受到第一惰性气体气管4和第二惰性气体气管3中气体的冲击，石墨烯与金属纳米粉混合均匀，并通过混合粉注入口1-6被注入到复合粉末回收器13中，石墨烯与金属纳米粉直接被易挥发有机溶剂14吸收。

待混合有石墨烯粉和金属纳米粉的易挥发有机溶剂14没过气体排放孔13-1时，停止第一惰性气体气管4和第二惰性气体气管3，关闭所述阀门，取出含有石墨烯粉和金属纳米粉的易挥发有机溶剂14，更换新的有机溶剂，然后开启第一惰性气体气管4和第二惰性气体气管3，打开所述阀门；

将制备的含有石墨烯粉和金属纳米粉的易挥发有机溶剂14在超声波震动下对易挥发有机溶剂14进行挥发，待有机溶剂挥发完毕后，对其中的固体采用挤压处理，首先使得两种粉末结合牢固，然后进行瞬间高频高温挤压处理，制备成金属基石墨烯复合材料，然后迅速冷却金属基复合材料，高频产生的温度低于金属纳米粉的熔点200℃-300℃，防止金属纳米粉熔化，将石墨烯溶解，同时高频时间要短，使得粉体材料迅速受热均匀下受力结合牢固，防止石墨烯通过固态扩散溶解。

进一步的，所述甲烷注入管12的气压大于炉体1内的气压，两者压力差的大小以及等离子电极15电流的大小分别控制着石墨烯与金属纳米粉的比例。

所述装置和方法主要利用气泡上浮法制备石墨烯粉，利用等离子熔炼法制备金属纳米粉，石墨烯粉和金属纳米粉分别形成于不同的腔体内，并通过惰性气体将石墨烯粉和金属纳米粉吹至有机溶剂中，并混合均匀。然后将含有石墨烯和金属纳米粉的有机溶剂进行边搅拌，边挥发，直至有机溶剂挥发完毕。最后将两种混合均匀的粉末在高压和高温下挤压成型，制备成金属基石墨烯复合材料，制备工艺简单，速度快。