[发明专利]一种石墨烯/铜纳米复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及新材料领域，旨在提供提供一种石墨烯/铜纳米复合材料的制备方法，包括：将碱金属油酸盐与乙醇反应后，加氧化石墨烯水溶液，得到氧化石墨烯/碱金属油酸盐混合溶液；将铜化合物加至氧化石墨烯/碱金属油酸盐混合溶液中，冷凝回流下进行离子交换反应，制得氧化石墨烯/铜油酸盐络合物；在惰性氛围下将氧化石墨烯/铜油酸盐络合物与有机溶剂进行热还原反应，得到石墨烯/铜纳米复合材料。本发明使用均相反应器来进行热还原反应，可以提高石墨烯与铜的分散性，得到均匀的石墨烯/铜纳米复合材料。本发明的制备过程环保、操作简单、成本较低，适合用于大规模生产，避免了有毒有害物质的使用，在制备高性能材料的同时保护环境。

技术领域

本发明属于新材料制备领域，具体涉及一种石墨烯/铜纳米复合材料的制备方法。

背景技术

在近现代工业中，铜及其合金以其优良的导电、导热、耐腐蚀性能在电工、电子、化工、交通、机械等领域被广泛应用。随着科技的发展，各行各业对材料性能的要求越来越高，铜基材料的强度和导电性通常难以同时兼顾，提高材料的强度往往会降低其导电性，而导电性能的提高又将影响到材料的强度。如何设计和制备综合性能优越的铜基材料，在保证材料导电性能不降低的同时，尽可能提高其强度、韧性等力学性能，一直是研究人员关注的热点和研究的重点。

碳材料具有密度低、强度高、导电性能好等特点，是优异的铜基复合材料增强体。作为性能优异的碳材料，石墨烯自被发现以来，便作为增强体用于制备各种复合材料。然而石墨烯铜复合材料的制备并不容易，石墨烯与金属元素之间的润湿性较差、分散性差、结合力弱，导致复合材料制备中石墨烯易团聚，性能远未达到预期效果。现有技术采用粉末冶金工艺以石墨烯-铜复合粉体为原料制备石墨烯铜复合材料，属于物理混合。CN201610393010.5公开了一种石墨烯-铜复合材料及其制备方法，该方法直接将石墨烯粉体、MAX相陶瓷粉体、铜粉混合均匀后得到复合粉体，然后直接进行热压烧结获得石墨烯-铜复合材料。但是，由于石墨烯本身易团聚，且两者密度相差较大，石墨烯与Cu之间的界面属于物理吸附，结合能较低，每个碳原子的结合力仅0.033eV，另外碳在铜中的溶解度仅为0.005at％，碳在铜中的扩散系数接近为0，且不与铜发生化学反应，这就造成石墨烯难以均匀分布在铜金属中。

为了改善现有技术中石墨烯与铜的润湿性，常采用化学方法在石墨烯表面生成铜、镍等金属颗粒，在经过干燥、高温还原性气氛下还原制得复合粉体，最后采用合适的材料制备工艺得到最终的石墨烯增强铜基复合材料。这些工艺方法不仅繁琐，且整个工艺过程中常使用到一些有毒、有害的化学试剂，容易对人体和环境造成伤害和污染。例如，CN103952588A公开了一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法，该方法首先在基体金属盐溶液中加入石墨烯并超声分散，采用非共价键对石墨烯进行改性，然后再加入有毒性的水合肼溶液还原出纳米铜粉和石墨烯，再经过搅拌、蒸干、高温还原制得石墨烯铜复合粉体，再经过粉末冶金工艺制备得到石墨烯铜基复合材料。CN201410690625.9中将无机铜盐、表面活性剂、络合剂、氧化石墨烯分散在还原性醇中，通入CO₂气体，控制气压和温度，在超临界状态下反应获得纳米铜/石墨烯复合材料，实验过程复杂，工业化较难。CN201711248593.3中采用Cu-Mn二元合金板或Cu-Ni二元合金板作为阳极，经电化学刻蚀去合金化，获得纳米多孔铜，在采用CVD法在纳米铜表面均匀生长石墨烯获得复合材料。纳米铜熔点较低，CVD法低温制备石墨烯时石墨烯缺陷较多，性能较差，而升高温度纳米铜会融合成块体铜，影响复合材料的制备。CN201310528409.6中将氧化石墨烯、铜盐、镍盐分散在碱性溶液，在加入乙二胺、水合肼、表面处理剂还原得到复合材料，此方法中氧化石墨烯很难分散在碱性溶剂中，工艺复杂难实现。CN201710219728.7中将氧化石墨烯-聚多巴胺溶解在乙醇溶液中，再加入可溶性铜盐，采用液相还原法制备纳米铜，离子反应速度较快，很难通过反应条件控制粒径大小。