一種以金屬鹽析法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以金屬鹽析法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法，其特征在于：以金屬鹽與氧化石墨烯為原料，經(jīng)金屬鹽析法，氧化石墨烯還原為石墨烯，金屬鹽析出成為金屬材料，構(gòu)成以金屬材料為母體，在金屬材料中嵌插有片狀石墨烯的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料。本發(fā)明通過(guò)金屬鹽析法制備石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，利用氧化石墨烯上的含氧官能團(tuán)與金屬鹽析出的金屬粒子進(jìn)行原位反應(yīng)，由于金屬粒子與氧化石墨烯間存在鍵合作用，使氧化石墨烯片不易團(tuán)聚，解決了石墨烯在金屬母體材料中易團(tuán)聚、分散性差的問(wèn)題；且經(jīng)壓痕測(cè)試及熔點(diǎn)測(cè)試可知通過(guò)本發(fā)明方法制備的樣品硬度及熔點(diǎn)皆有所提升，樣品性能得到改善。
【專利說(shuō)明】一種以金屬鹽析法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，更具體的說(shuō)是涉及一種以金屬鹽析法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯，英文名Graphene，是碳原子按照六角排列而成的二維晶格結(jié)構(gòu)。作為單層碳原子平面材料，石墨烯可以通過(guò)剝離石墨材料而得到。這種石墨晶體薄膜自2004年被曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)之后，石墨烯就成為科學(xué)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。石墨烯的厚度只有0.335納米，不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅(jiān)硬，實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa ;作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知所有的導(dǎo)體和半導(dǎo)體都快(石墨烯中電子的遷移速度達(dá)到了光速的1/300)。由于石墨烯的特殊原子結(jié)構(gòu)，其中載流子(電子和空穴)的行為必須用相對(duì)論量子力學(xué)(relativistic quantummechanics)才能描繪。同時(shí)，作為單層碳原子結(jié)構(gòu)，石墨烯的理論比表面積高達(dá)2630m2/g。如此高的比表面積，結(jié)合其較低的密度和超高的力學(xué)強(qiáng)度使得以基于石墨烯的復(fù)合材料成為極有前途的超輕、超強(qiáng)和導(dǎo)電等各種性能兼具的未來(lái)新型功能材料。
[0003]石墨烯作為摻雜物，與金屬材料結(jié)合制得的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料較之單一的母體材料，力學(xué)、熱學(xué)性能往往有一定提升?，F(xiàn)有石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料是通過(guò)石墨烯與金屬材料機(jī)械共混(如球磨法)制成，在制備過(guò)程中會(huì)發(fā)生石墨烯團(tuán)聚的現(xiàn)象，影響產(chǎn)物的性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種以金屬鹽析法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法，以使石墨烯能更好低分散在金屬母體中，減少團(tuán)聚現(xiàn)象，提聞石墨稀金屬?gòu)?fù)合材料的性能。
[0005]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明以金屬鹽析法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，其特點(diǎn)在于:以金屬鹽與氧化石墨烯為原料，經(jīng)金屬鹽析法，氧化石墨烯還原為石墨烯，金屬鹽析出成為金屬材料，構(gòu)成以金屬材料為母體，在所述金屬材料中嵌插有片狀石墨烯的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料。
[0007]所述金屬鹽選自金屬乙酸鹽、金屬氯酸鹽、金屬硫酸鹽、金屬硝酸鹽。
[0008]所述金屬材料選自銅、鐵、鋁、金、銀、鈦或鋅。
[0009]本發(fā)明以金屬鹽析法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，其特點(diǎn)在于:所述金屬鹽析法是將金屬鹽加入到甘油中獲得金屬鹽/甘油體系，將氧化石墨烯分散于蒸餾水中獲得石墨烯懸浮液，將金屬鹽/甘油體系與氧化石墨烯懸浮液混合后加熱攪拌使金屬鹽析出金屬粒子，且氧化石墨烯與金屬粒子發(fā)生原位反應(yīng)，然后抽濾、洗滌、干燥，即得石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料。
[0010]所述氧化石墨烯的質(zhì)量為所述金屬鹽質(zhì)量的0.1% -20%，優(yōu)選為1.5%?？梢愿鶕?jù)需要調(diào)整比例，以調(diào)整所獲得的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料中金屬所占的比例。
[0011]所述加熱攪拌是以在50°C下攪拌6小時(shí)，然后再在150°C下攪拌3小時(shí)；所述洗滌是依次以蒸餾水和無(wú)水乙醇進(jìn)行洗滌；所述干燥是在110°C下干燥lh。
[0012]本發(fā)明石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特點(diǎn)在于按如下步驟進(jìn)行:
[0013]a、將0.02g_4g氧化石墨烯加入到20mL蒸餾水中，超聲分散，獲得氧化石墨烯懸浮液；
[0014]b、將20g金屬鹽溶解在30mL甘油中，攪拌均勻，獲得金屬鹽/甘油體系；
[0015]C、將石墨烯懸浮液與金屬鹽/甘油體系混合后,在50°C下攪拌6h,再在150°C下攪拌3h，獲得固液混合物；
[0016]d、對(duì)步驟c所獲得的固液混合物進(jìn)行抽濾，然后依次以蒸餾水和無(wú)水乙醇洗滌所得濾餅，最后再在110°c下干燥lh，即得石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料。
[0017]本發(fā)明石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法的優(yōu)選方案為:
[0018]a、將0.3g氧化石墨烯加入到20mL蒸餾水中，超聲分散，獲得氧化石墨烯懸浮液；
[0019]b、將20g醋酸銅溶解在30mL甘油中，攪拌均勻，獲得金屬鹽/甘油體系；
[0020]C、將石墨烯懸浮液與金屬鹽/甘油體系混合后，在50°C下攪拌6h，再在150°C下攪拌3h，獲得固液混合物；
[0021]d、對(duì)步驟c所獲得的固液混合物進(jìn)行抽濾，然后依次以蒸餾水和無(wú)水乙醇洗滌所得濾餅，最后再在110°c下干燥lh，即得石墨烯銅金屬?gòu)?fù)合材料。
[0022]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:本發(fā)明通過(guò)金屬鹽析法制備石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，利用氧化石墨烯上的含氧官能團(tuán)，與金屬鹽析出的金屬粒子進(jìn)行原位反應(yīng)，由于金屬粒子與氧化石墨烯間存在鍵合作用，使氧化石墨烯片不易團(tuán)聚，解決了石墨烯在金屬母體材料中易團(tuán)聚、分散性差的問(wèn)題；且經(jīng)壓痕測(cè)試及熔點(diǎn)測(cè)試可知通過(guò)本發(fā)明方法制備的樣品硬度及熔點(diǎn)皆有所提升，樣品性能得到改善。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1通過(guò)金屬鹽析法所制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料(圖1(a))與對(duì)比例通過(guò)球磨法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料(圖1(b))以及純銅片(圖1(c))的掃描電鏡(SEM)圖；
[0024]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1通過(guò)金屬鹽析法所制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料(圖2(a))與對(duì)比例通過(guò)球磨法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料(圖2(b))以及純銅片(圖2(c))的壓痕測(cè)試圖；圖中兩條曲線為測(cè)試兩次所得結(jié)果。
具體實(shí)施例
[0025]實(shí)施例1
[0026]本實(shí)例按如下步驟制備石墨烯銅金屬?gòu)?fù)合材料:
[0027]a、將0.3g氧化石墨烯加入到20mL蒸餾水中，超聲分散2h，獲得氧化石墨烯懸浮液；
[0028]b、將20g醋酸銅(CA)溶解在30mL甘油中，攪拌均勻，獲得金屬鹽/甘油體系；
[0029]C、將石墨烯懸浮液與金屬鹽/甘油體系混合后，在50°C下攪拌6h，再在150°C下攪拌3h，獲得固液混合物；
[0030]d、對(duì)步驟c所獲得的固液混合物進(jìn)行抽濾，濾紙上得到暗紫色粉體，用蒸餾水洗滌3遍后用無(wú)水乙醇清洗2遍所得暗紫色粉體，最后再在110°C下干燥lh，即得石墨烯銅金屬?gòu)?fù)合材料，記為樣品I。
[0031]對(duì)比例
[0032]作為對(duì)比，利用球磨法按如下步驟制備石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料:
[0033]a、將0.3g氧化石墨烯加入到20mL蒸餾水中，超聲分散2h，獲得獲得氧化石墨烯懸浮液；
[0034]b、在氧化石墨烯懸浮液中加入1g銅粉，繼續(xù)超聲lh，獲得混合物；
[0035]C、將所得混合物在球磨機(jī)中以4000rpm的速度球磨48h,獲得氧化石墨烯/銅衆(zhòng)料；球磨過(guò)程中，每球磨5h后間歇lh，以避免球磨釜過(guò)熱；
[0036]d、將氧化石墨烯/銅漿料在110°C下烘lh，獲得石墨烯銅金屬?gòu)?fù)合材料，記為樣品2。
[0037]圖1為通過(guò)金屬鹽析法所制備的石墨烯銅金屬?gòu)?fù)合材料樣品I (圖1 (a))與對(duì)比例通過(guò)球磨法制備的石墨烯銅金屬?gòu)?fù)合材料樣品2(圖1(b))以及純銅片(圖1(c))的掃描電鏡(SEM)圖。從圖中可以看出兩種方式所獲得的石墨烯銅金屬?gòu)?fù)合材料都成功的在金屬材料中嵌插了片狀石墨烯，且通過(guò)金屬鹽析法制備的樣品2表面較平整，石墨烯沒(méi)有發(fā)生團(tuán)聚。
[0038]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1通過(guò)金屬鹽析法所制備的石墨烯銅金屬?gòu)?fù)合材料樣品1(圖2(a))與對(duì)比例通過(guò)球磨法制備的石墨烯銅金屬?gòu)?fù)合材料樣品2(圖2(b))以及純銅片(圖2(c))的壓痕測(cè)試圖；為使結(jié)果更加準(zhǔn)確，每個(gè)樣品測(cè)試兩次，圖中兩條曲線為測(cè)試兩次所得結(jié)果?？梢钥闯鼋饘冫}析法制備的樣品I硬度高于純銅片以及通過(guò)球磨法制備的樣品2 ;樣品2的硬度相比于純銅片沒(méi)有明顯的提高，這是因?yàn)榍蚰シㄖ苽涫蛊涫┌l(fā)生團(tuán)聚，影響了樣品的性能；而通過(guò)金屬鹽析法制備的樣品明顯改善了石墨烯的團(tuán)聚現(xiàn)象。
[0039]此外，通過(guò)熔點(diǎn)測(cè)試可知，通過(guò)金屬鹽析法制備的樣品I熔點(diǎn)為1078.6°C，通過(guò)球磨法制備的樣品2熔點(diǎn)為1060.70C，而純銅片的熔點(diǎn)為1059.7°C;樣品2的熔點(diǎn)相比于純銅片沒(méi)有明顯的提到，這也是因?yàn)榍蚰シㄖ苽涫蛊涫┌l(fā)生團(tuán)聚，影響了樣品的性能，而通過(guò)金屬鹽析法制備的樣品I的熔點(diǎn)較純銅片提高了 1.8%，熱穩(wěn)定性好。
[0040]以上實(shí)例證明了石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料可以提高金屬的性能，如硬度、熱穩(wěn)定性等。相比于現(xiàn)有的球磨法等機(jī)械共混方法，本發(fā)明的金屬鹽析法對(duì)金屬性能的提高更加明顯，這是由于金屬鹽析法解決了石墨烯的團(tuán)聚問(wèn)題。
【權(quán)利要求】
1.一種以金屬鹽析法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于:以金屬鹽與氧化石墨烯為原料，經(jīng)金屬鹽析法，氧化石墨烯還原為石墨烯，金屬鹽析出成為金屬材料，構(gòu)成以金屬材料為母體，在所述金屬材料中嵌插有片狀石墨烯的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以金屬鹽析法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于:所述金屬鹽為金屬乙酸鹽、金屬氯酸鹽、金屬硫酸鹽或金屬硝酸鹽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以金屬鹽析法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于:所述金屬材料為銅、鐵、鋁、金、銀、鈦或鋅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以金屬鹽析法制備的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于:所述金屬鹽析法是將金屬鹽加入到甘油中獲得金屬鹽/甘油體系，將氧化石墨烯分散于蒸餾水中獲得石墨烯懸浮液，將金屬鹽/甘油體系與氧化石墨烯懸浮液混合后加熱攪拌使金屬鹽析出金屬粒子，且氧化石墨烯與金屬粒子發(fā)生原位反應(yīng)，然后抽濾、洗滌、干燥，即得石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于:所述氧化石墨烯的質(zhì)量為所述金屬鹽質(zhì)量的0.1% -20%。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于:所述氧化石墨烯的質(zhì)量為所述金屬鹽質(zhì)量的1.5%。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于:所述加熱攪拌是在50°C下攪拌6小時(shí)，然后再在150°C下攪拌3小時(shí)；所述洗滌是依次以蒸餾水和無(wú)水乙醇進(jìn)行洗滌；所述干燥是在110°C下干燥lh。
8.—種權(quán)利要求1所述石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于按如下步驟進(jìn)行: a、將0.02g-4g氧化石墨烯加入到20mL蒸餾水中，超聲分散，獲得氧化石墨烯懸浮液； b、將20g金屬鹽溶解在30mL甘油中，攪拌均勻，獲得金屬鹽/甘油體系； C、將石墨烯懸浮液與金屬鹽/甘油體系混合后，在50°C下攪拌6h，再在150°C下攪拌3h，獲得固液混合物； d、對(duì)步驟c所獲得的固液混合物進(jìn)行抽濾，然后依次以蒸餾水和無(wú)水乙醇洗滌所得濾餅，最后再在110°C下干燥lh，即得石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于按如下步驟進(jìn)行: a、將0.3g氧化石墨烯加入到20mL蒸餾水中，超聲分散，獲得氧化石墨烯懸浮液； b、將20g醋酸銅溶解在30mL甘油中，攪拌均勻，獲得金屬鹽/甘油體系； C、將石墨烯懸浮液與金屬鹽/甘油體系混合后，在50°C下攪拌6h，再在150°C下攪拌3h，獲得固液混合物； d、對(duì)步驟c所獲得的固液混合物進(jìn)行抽濾，然后依次以蒸餾水和無(wú)水乙醇洗滌所得濾餅，最后再在110°C下干燥lh，即得石墨烯銅金屬?gòu)?fù)合材料。
【文檔編號(hào)】B22F1/02GK104043825SQ201410306878
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】朱彥武, 袁林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)