[发明专利]一种石墨烯纳米片/铝复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯纳米片/铝复合材料及其制备方法，制备方法主要步骤如下：(1)将石墨烯纳米片分散到无水乙醇溶液中，制得石墨烯纳米片的无水乙醇分散液；(2)在氩气的保护下通过球磨将球形铝粉转变为片状铝粉；(3)在充有氩气的手套箱中将片状铝粉移入石墨烯纳米片的乙醇分散液，机械搅拌制得石墨烯纳米片/片状铝粉的复合浆料；(4)抽滤、干燥制得石墨烯纳米片/片状铝粉复合粉末；(5)冷压、真空烧结制得石墨烯纳米片/铝复合材料坯料；(6)通过热挤压制得石墨烯纳米片/铝复合材料。该制备工艺具有石墨烯纳米片结构损伤小、分散均匀，石墨烯纳米片‑Al界面结合良好的特点，制备的石墨烯纳米片/铝复合材料强度高、塑性好。

技术领域

本发明涉及石墨烯复合材料技术领域，具体为一种石墨烯纳米片/铝复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型呈蜂巢状结构、只有一个碳原子厚度的二维材料，具有超大的比表面积(2630m²/g)，极高的杨氏模量(1TPa)和断裂强度(125GPa)，超高的导热系数(5000W.m^-1K^-1)和电子迁移率(200000cm²v^-1s^-1)，自问世以来，在电子科技、新能源材料及复合材料等领域引起了广泛重视。在金属基体中加入少量的石墨烯有望制备出加工性能良好、综合性能优良的新型金属基复合材料，因此近年来石墨烯增强金属基复合材料受到人们的极大关注。

然而，由于石墨烯在金属基体内难以分散，并且容易和基体发生界面反应，导致高质量石墨烯增强金属基复合材料的制备仍存在诸多挑战。目前，在铝基复合材料领域，石墨烯/铝复合材料制备技术主要有球磨+粉末冶金、溶液分散+球磨+热等静压+重熔等。如管仁国等采用搅拌铸造法制备了石墨烯/Al复合材料，然而，由于石墨烯与铝基体的润湿性差导致其在复合材料中严重团聚。Bartolucci等采用球磨工艺将石墨烯分散到铝粉中，进而采用粉末冶金工艺制备了石墨烯含量为0.1wt.％的石墨烯/Al复合材料，然而由于石墨烯-Al界面发生反应生成了脆性相Al₄C₃，复合材料的力学性能与纯铝基体相比非但没有增加反而有所降低。Tang等通过在石墨烯纳米片中引入金属Ni离子来增加与铜基体的润湿性，通过放电等离子烧结工艺制备复合材料，该方法的不足之处是制备效率较低，而且仅适用于特殊的金属(Cu,Ni,Co等惰性金属)或其合金体系。现有技术尚存在如下不足：1)采用高能球磨分散法会严重损伤石墨烯的结构完整性，引入更多的缺陷，高温下缺陷位置容易生成脆性相Al₄C₃，恶化复合材料的塑性，并且还会造成粉体污染；2)铝粉容易被氧化，导致石墨烯与铝基体的冶金结合薄弱，削弱强化效果。

发明内容

本发明的目的在于针对现有制备技术中存在的不足，而导致石墨烯/铝复合材料增强效果差、塑性低的问题，提供一种石墨烯纳米片/铝复合材料及其制备方法，制备的复合材料具有强度高、塑性好的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种石墨烯纳米片/铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将粉末状石墨烯纳米片加入无水乙醇中，经机械搅拌、超声分散后，制得石墨烯纳米片的乙醇分散液；

(2)在惰性气体保护下将球形铝粉球磨制得片状铝粉；

(3)将片状铝粉在惰性气体的保护下移入步骤(1)制得的石墨烯纳米片乙醇分散液中，并通过机械搅拌制得石墨烯纳米片/片状铝粉的复合浆料；

(4)将步骤(3)制得的复合浆料经抽滤、干燥后，制得石墨烯纳米片/片状铝粉复合粉末；

(5)将步骤(4)制得的复合粉末经室温冷压、真空烧结后，制得石墨烯纳米片/铝复合材料坯料；