[发明专利]一种低缺陷石墨烯包覆铝粉微粒的制备方法

说明书

本发明提供了一种低缺陷石墨烯包覆铝粉微粒的制备方法。该制备方法包括以下步骤：1)以石墨作为电极，金属铂为对电极，电极插入电解质水溶液中，并连接到直流电源的正负两极；然后施加电压，通入电流，石墨膨胀、分散在电解质溶液中；2)将收集得的膨胀的石墨粉末用水洗去电解质组分，然后分散在有机溶液中，超声，得到石墨烯均匀分散液；3)在石墨烯分散液中加入铝粉或铝合金粉，搅拌混合，然后过滤/干燥，得到石墨烯包覆铝粉的复合铝粉材料。本发明制备的石墨烯铝粉复合材料中石墨烯紧密吸附在铝粉颗粒表面，而且石墨烯氧化程度低，结构和化学的缺陷少，复合材料电导率和热导率高。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体地，涉及一种低缺陷石墨烯包覆铝粉微粒的制备方法，该方法通过制备低缺陷的石墨烯，然后在有机溶剂中与铝粉微粒复合，制备一种石墨烯包覆铝粉的复合微粒。

背景技术

铝粉是最常用的金属粉材料，其应用范围非常广泛，如可作为军工或民用燃料、金属颜料、导热材料、结构增强材料、吸附和催化材料使用。常用铝粉的直径在1至几十微米左右，铝粉由于表面活性高，极易在铝粉颗粒表面形成一层致密的氧化层，这种氧化层可以极大损害铝本身优异的导电、导热性能。另外，铝粉作为燃料时，其在较高温度下极容易发生凝聚，这种凝集效应会极大影响铝粉的燃烧效率，导致铝粉燃烧不充分。

石墨烯是一种只有单原子厚度的二维片状结构的碳材料。石墨烯具有极高的表面积(2630平方米/克)、优异的化学稳定性、卓越的电学、热学以及力学性能被认为是未来最具潜力的新材料。利用石墨烯改性铝粉可以显著提高铝粉的电学、热学以及力学等性能。石墨烯在铝粉中的作用主要表现在以下几个方面：1)石墨烯具有卓越的导热特性，热导系数高达5300W m^-1K^-1，远超碳纳米管、钻石、石墨等碳同素异形体以及铝、银、铜等金属材料。石墨烯与铝复合可以显著改善铝粉或者铝块体材料的导热性能；2)石墨烯的电学的电阻率(约为10^-8Ω·m)低于铝粉(铝粉由于表面氧化层几乎是绝缘体)，加入石墨烯有利于显著提高铝粉的电导；3)石墨烯的杨氏模量高达1TPa，拉伸强度达到100GPa，石墨烯与铝复合可以显著提高铝材料的力学性能；4)石墨烯具有超光滑的碳表面，可以作为钝感剂减少外力作用下铝粉之间或者与周围介质间的摩擦，减少热点产生，提高铝粉的安全性能；5)石墨烯的二维结构特点以及极高的表面积有利于石墨烯包覆在铝粉表面，这样利用石墨烯的空间阻隔作用可以抑制铝粉相互聚集；6)石墨烯厚度在1nm以下，横向尺寸可达几十微米，与此高的长径比有利于石墨烯在低的浓度条件下显著改变铝粉的性能。

大量关于石墨烯纳米复合材料的研究证实，在铝材料中简单添加石墨烯对铝材料性能的改善效果不理想。这主要是由于石墨烯之间具有强烈的范德华相互作用，它们之间极易团聚重新形成石墨结构，从而难以充分发挥石墨烯本身的结构和优异性能。用石墨烯包覆铝粉可以克服上述缺点。这种石墨烯包覆铝粉复合材料中石墨烯以单层(或少数几层)包覆在铝粉表面，形成一种石墨烯为壳、铝粉为核的似胶囊样的结构。这种结构可以使石墨烯与铝粉紧密接触，也可以避免石墨烯之间相互团聚，从而充分发挥石墨烯的结构和性能优势。另外，石墨烯包覆在铝粉表面可以有效防止铝粉相互聚集。

专利CN201510729890披露了一种石墨烯与铝粉复合的方法。这种方法是把氧化石墨烯分散在水中，然后与铝粉混合，通过静电相互作用把氧化石墨烯吸附在铝粉颗粒表面，最后在Ar/H₂混合气中进行热还原得到石墨烯/铝粉复合材料。这种方法最大的缺陷在于使用了水做石墨烯的分散液，因为铝粉极易在水中被水解成氧化物，将会极大损害铝金属的性能。专利CN201510730024披露了一种在有机溶剂中制备石墨烯/铝粉复合材料的方法。这种方法是把氧化石墨烯分散在醇类溶剂中，然后与铝粉混合，得到氧化石墨烯/铝粉复合材料，最后在Ar/H₂混合气中进行热还原得到石墨烯/铝粉复合材料。用氧化石墨烯在液相中制备石墨烯/铝粉复合材料可以实现石墨烯对铝粉的有效包覆，但氧化石墨烯表面有大量结构和化学缺陷，这些缺陷即使经过还原也不能完全恢复，导致石墨烯/铝粉复合材料的热学、电学以及力学性能受到很大的损害。

发明内容