[发明专利]一种基于脉冲磁振荡制备石墨烯-金属复合材料的方法

说明书

本发明属于石墨烯‑金属复合材料制备技术领域，提供了一种基于脉冲磁振荡制备石墨烯‑金属复合材料的方法。该方法通过在金属冷凝过程中，采用脉冲磁场，将石墨不断拉伸剥离为石墨烯，同时电磁振荡力使金属树枝晶破碎，石墨烯与金属在晶粒层面接触，从而获得晶粒细小、石墨烯分散均匀的石墨烯‑金属复合材料。与传统方法相比，该发明既能剥离制备石墨烯，解决石墨烯的分散性问题，同时制得复合材料具有更小的晶粒尺寸，力学性能更为优异。

技术领域

本发明涉及石墨烯-金属复合材料的制备领域，尤其是涉及一种基于脉冲磁振荡制备石墨烯-金属复合材料的方法。

背景技术

近年来，金属基复合材料受到广泛关注，其在航空航天领域、军工领域、轨道交通、热控材料及其他民用领域具有很大的应用潜力。美国、日本、英国等对金属基复合材料的研究较早，投入较大，我国尚处于起步阶段，未形成完成的研发及生产产业。由于国外对相关技术及产品严格保密，转移相关技术的可能性非常小，我国需在此方面投入大量研究，研发具有自主知识产权的金属基复合材料，才能应对在航空航天、轨道交通、电子通讯等各方面高速发展的需要，才不会受制于人。

石墨烯特殊的结构赋予其特殊的性质，如热导率5000W/m·℃，电导率10⁶S/m，面密度0.77mg/m²，极限强度130GPa，拉伸模量1.01TPa。因此，石墨烯用于制备金属基复合材料，比碳纳米管具有更加优异的性能。石墨烯增强金属的研究报道的较少，主要集中在Au、Pt、Ag等惰性金属上，或者是在金属氧化物的表面沉积石墨烯，以研究其界面结构、光电性能、光催化性能或能量储备功能，而在金属力学性能的改进上的研究较少，对热导率、热膨胀系数等热性能方面的改进研究几乎没有。Wang和Yang等人利用K₂PtCl₄作为前驱体，在氧化锡铟电极上通过电化学方法合成了石墨烯-Pt复合材料，该复合材料可作生物传感器。Zhang等人利用AgNO₃为前驱体，将石墨烯与AgNO₃的混合溶液加热，在75℃下将Ag生长到氧化石墨上，从而制得石墨-Ag复合材料。Liu和Chen等人，以氯仿做有机溶剂，以CTAB/CTAC做表面活性剂，以Ag及卤化银为前驱体，合成了Ag/AgCl/GO及Ag/AgBr/GO复合材料，该复合材料具有优异的光学性能，吸收可见光能力很强。Kamat等人采用十八胺作表面活性剂，以NaBH₄作还原剂，合成了石墨烯-AuNPs复合材料，Au也被负载到氧化石墨上，扩展了其在表面拉曼增强及电化学传感器等方面的应用。

可以看出，以金属为基体，以石墨烯为改性材料，制备石墨烯-金属复合材料，以改善金属的力学性能及热性能的研究还很少。在石墨烯-金属复合材料的制备过程中，有两大难题：一是石墨烯与基体合金润湿性差，如何解决界面问题；二是纳米尺度的石墨烯增强体颗粒加入，如何解决分散均匀性。如直接将石墨烯分散于铝合金一方面需要将铝合金完全熔化，另一方面石墨烯的分散性难以控制。

发明内容

针对现有石墨烯难以在金属中分散的缺陷，本发明提出一种基于脉冲磁振荡制备石墨烯-金属复合材料的方法。其主要在于利用在熔融金属中分散石墨，在金属冷凝过程中，采用脉冲磁场，使金属熔体内部产生方向往复变化的电磁振荡力，将石墨不断拉伸剥离为石墨烯，同时电磁振荡力使金属树枝晶破碎，石墨烯与金属在晶粒层面接触，从而获得晶粒细小、石墨烯分散均匀的石墨烯-金属复合材料。本发明集石墨烯制备与复合于一体，解决传统方法中石墨烯难以均匀分散于金属基体中，且石墨烯与金属的界面结合强度差的缺陷，最主要的，创造性的采用脉冲磁振荡制备石墨烯-金属复合材料，可保证石墨烯在金属中均匀分散的同时，获得晶粒尺寸更小的复合材料，有利于提高其力学性能及热性能，具有良好的使用前景。

本发明涉及的具体技术方案如下：