石墨烯復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用與流程

本發(fā)明屬于石墨烯復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

石墨烯作為一種極具研究價值和應(yīng)用前景的新材料引起了研究者們的廣泛關(guān)注。在過去的十幾年里，研究者們對石墨烯的物理性能和化學(xué)性能進(jìn)行了廣泛、深入地研究，如其力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)和耐蝕性能等等得益于石墨烯的sp2軌道雜化以及二維薄層結(jié)構(gòu)，石墨烯及類石墨烯材料展現(xiàn)出了超高的強(qiáng)度、優(yōu)異熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率、透光率以及柔性輕質(zhì)等特性。憑借以上獨(dú)特的物理性能，石墨烯在能源、環(huán)境、生物技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、航空、航天及汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

因低成本、低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)異延展性和機(jī)加性能等優(yōu)點(diǎn)，鋁及其合金材料在航空航天、汽車和電子工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是，普通鋁合金材料已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展的需要。過去幾十年中，研究者們在提高鋁合金力學(xué)性能的傳統(tǒng)工藝研究上做出了巨大的努力，包括合金元素調(diào)整、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱處理制度和變形工藝等，但是難以實(shí)現(xiàn)鋁合金力學(xué)性能的進(jìn)一步突破。碳作為增強(qiáng)體能夠有效提高鋁及其合金的強(qiáng)度和剛度。最初，研究者們針對碳纖維或碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究。隨著石墨烯的出現(xiàn)，研究者們發(fā)現(xiàn)與碳纖維和碳納米管相比，石墨烯材料具有更高的強(qiáng)度、更高的模量、更大的比表面積和更好的延伸性能，這使得石墨烯增強(qiáng)鋁基納米復(fù)合材料有望成為下一代鋁基復(fù)合材料。值得一提的是，與顆粒及纖維增強(qiáng)材料相比，石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)具有全新的強(qiáng)軔化機(jī)理。此外，石墨烯在光學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能上展現(xiàn)出的優(yōu)異性能，以及納米量子效應(yīng)，有望賦予鋁基復(fù)合材料多功能化特性，從而得一種新型的輕質(zhì)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電和加工性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)功能一體化材料。

目前，石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料仍然存在一些列的技術(shù)工藝問題，比如：

1)石墨烯不容易均勻分散石墨烯微片材料擁有較大的比表面積導(dǎo)致在分散過程中易團(tuán)聚而降低表面能；2)不易制備出石墨烯含量較高的復(fù)合材料由于石墨烯在分散過程匯中易團(tuán)聚所以分散的石墨烯量有限，進(jìn)而造成了復(fù)合材料中石墨烯含量普遍偏低，這樣使得石墨烯的優(yōu)良性能不能得到充分的發(fā)揮；3)界面反應(yīng)較嚴(yán)重采用純al或低合金元素含量的al合金作為基體，同時由于制備工藝加熱和保溫時間過長，這導(dǎo)致了石墨烯與基體之間發(fā)生較重的界面反應(yīng)，生成al4c3脆性相影響材料性能；4)制備工藝較為單一燒結(jié)法是制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的最基本方法，而燒結(jié)法制備出的材料往往致密度不高，界面結(jié)合也不夠好。

因此開發(fā)一種無需復(fù)雜的預(yù)處理工藝和高溫過程、能直接利用在鋁粉基底上快速制備石墨烯的方法具有重要的產(chǎn)業(yè)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯復(fù)合材料的制備方法，該方法能直接利用在金屬粉體或非金屬粉體上制備石墨烯，無需復(fù)雜的預(yù)處理工藝和高溫過程，且處理工序更加簡化和具有兼容性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

石墨烯復(fù)合材料的制備方法，將基底粉體放置于等離子體化學(xué)氣相沉積裝置中，真空環(huán)境下，在等離子發(fā)生區(qū)域通入工作氣體載入碳源，0.1-1小時內(nèi)，在金屬粉體表面得到三維石墨烯；所述基底粉體為金屬粉體或非金屬粉體，所述金屬粉體包括鋁粉、鎳粉、銅粉、鈦粉的一種或多種，所述非金屬粉體包括碳化硅粉、石英的一種或多種。

作為一種優(yōu)選，所述金屬粉體為鋁粉。

進(jìn)一步，所述真空環(huán)境的真空度控制為10-300毫巴；所述工作氣體包括氫氣、氬氣、氦氣和氮?dú)庵械囊环N或多種。所述工作氣體包括但不僅限于氫氣、氬氣、氦氣和氮?dú)庵械囊环N或多種。

進(jìn)一步，所述碳源為甲烷及含有sp³和sp²碳原子的有機(jī)化合物。

本發(fā)明通過把粉基底體放置在等離子體反應(yīng)的區(qū)域，且無需控制加熱溫度；把甲烷和/或含有sp³和sp²碳原子的有機(jī)化合物引入到反應(yīng)體系中，在氫等離子作用下得到-ch3鍵，適當(dāng)增加碳的含量，從而實(shí)現(xiàn)快速在基底粉體上快速制備石墨烯花簇陣列的目的，此種方法可直接利用在基底上制備石墨烯，從而得到大比表面積的石墨烯包覆的復(fù)合材料。

現(xiàn)有技術(shù)的一些制備方法中需要控制加熱溫度，但溫度過高，會發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，生成脆性界面相影響復(fù)合材料的性能；本發(fā)明的制備方法不需要高溫過程，界面反應(yīng)較弱，增強(qiáng)了基體界面結(jié)合，從而提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度和韌性等性能。

進(jìn)一步，所述碳源包括甲烷、甲醇、乙醇、甲酸甲酯、乙炔的一種或多種。所述碳源包括但不僅限于甲烷、甲醇、乙醇、甲酸甲酯、乙炔的一種或多種。

進(jìn)一步，所述工作氣體除載入碳源外，還可以載入一種或多種還原性和化學(xué)惰性氣體。所述還原性和化學(xué)惰性氣體包括氫氣，氮?dú)?，氬氣。還原性氣體用來打開甲烷氣體的化學(xué)鍵，而惰性氣體擁有增加等離子能量密度。

進(jìn)一步，所述工作氣體的流速為10-60sccm；所述碳源的流速為10-60sccm。

作為一種優(yōu)選，工作氣體為氫氣，碳源為ch4。

作為一種優(yōu)選，工作氣體為氫氣、氬氣，載入的碳源為ch4；氫氣的流速為10-60sccm，氬氣的流速為10-60sccm；ch4的流速為10-60sccm。

工作氣體和攜帶的碳源流速控制在10-60sccm，調(diào)節(jié)c-h比例，控制石墨烯生長速度，以得到高質(zhì)量的三維石墨烯。

進(jìn)一步，所述離子發(fā)生區(qū)域的功率為100w-10kw。

進(jìn)一步，所述石墨烯復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟，

1)將基底粉體放置于等離子體化學(xué)氣相沉積裝置中，將裝置中的真空度抽至10-300毫巴；

2)在等離子發(fā)生區(qū)域通入氫氣和氮?dú)廨d入乙炔，等離子發(fā)生區(qū)域的功率為100w-10kw，載有乙炔的氫氣和氮?dú)獾牧魉贋?0-60sccm，無需外加熱源加熱，經(jīng)過0.1-1小時的沉積，在球狀基底粉體表面得到三維石墨烯。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種所述的制備方法制得的石墨烯復(fù)合材料。本發(fā)明的制備方法制得的石墨烯復(fù)合材料比表面積增大，這樣該結(jié)構(gòu)大大提高了石墨烯的表面負(fù)載，較大的比表面積有良好的導(dǎo)電性能，能作為較優(yōu)的電催化劑載體被應(yīng)用于燃料電池等領(lǐng)域。

本發(fā)明的目的之三在于提供一種所述的石墨烯復(fù)合材料在儲能材料、光伏材料和散熱材料中的應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)本發(fā)明通過把基底粉體放置在等離子體反應(yīng)的區(qū)域，且無需復(fù)雜的預(yù)處理工藝和控制加熱溫度，把甲烷或其他有機(jī)化合物引入到反應(yīng)體系中，在氫等離子作用下得到-ch3鍵，適當(dāng)增加碳的含量，從而實(shí)現(xiàn)了快速在基底粉體上制備石墨烯花簇陣列的目的；該方法處理工序更加簡化和具有兼容性，且制備時間短，僅需0.1-1小時。

2)本發(fā)明的方法可直接利用在基底粉體上制備石墨烯，從而得到大比表面積的石墨烯包覆的復(fù)合材料，該結(jié)構(gòu)大大提高了石墨烯的表面負(fù)載，為實(shí)現(xiàn)真正意義上的碳包覆復(fù)合材料制備提供了一個簡潔的方法，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為未生長石墨烯的鋁粉表面掃描電子顯微鏡圖片。

圖2為鋁粉表面生長包覆石墨烯的電子掃描顯微鏡圖片。

圖3為圖2樣品的高倍電子顯微掃描照片。

圖4為石墨烯@鋁基樣品的拉曼表征結(jié)果。

具體實(shí)施方式

以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。優(yōu)選實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件，所舉實(shí)施例是為了更好地對本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行說明，但并不是本發(fā)明的內(nèi)容僅限于所舉實(shí)施例。所以熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容對實(shí)施方案進(jìn)行非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

利用微波等離子化學(xué)氣相沉積方法，首先在石英管式真空爐中間放置鋁粉，用機(jī)械泵將真空管式爐的真空度抽至10毫巴，通入h2，然后打開ch4載入微波等離子發(fā)生區(qū)域，h2的流速為50sccm，ar的流速為50sccm，打開微波電源，功率為200w，開始沉積，生長時間為0.5小時，在鋁粉的表面得到石墨烯。

實(shí)施例2

利用等離子化學(xué)氣相沉積方法，首先在石英管式真空爐中間放置鋁粉，鋁粉表面掃描電子顯微鏡圖片見圖1，用機(jī)械泵將真空管式爐的真空度抽至30毫巴，通入h2，然后打開ar載入甲酸甲酯至等離子發(fā)生區(qū)域，h2的流速為30sccm，ar的流速為40sccm，打開射頻電源，功率為900w，開始沉積，生長時間為0.2小時，在球狀鋁粉表面得到三維石墨烯，得到的石墨烯的電子掃描顯微鏡圖片見圖2、圖3，并對得到三維石墨烯進(jìn)行拉曼光譜的測定，見圖4。

實(shí)施例3

利用微波等離子化學(xué)氣相沉積方法，首先在石英管式真空爐中間放置鋁粉，用機(jī)械泵將真空管式爐的真空度抽至60毫巴，通入h2，然后打開ar載入乙炔至射頻等離子發(fā)生區(qū)域，h2的流速為40sccm，ar的流速為40sccm，打開微波電源，功率為500w，開始沉積，生長時間為1小時，在球狀鋁粉的表面得到三維石墨烯。

實(shí)施例4

利用微波等離子化學(xué)氣相沉積方法，首先在石英管式真空爐中間放置鋁粉，用機(jī)械泵將真空管式爐的真空度抽至100毫巴，通入h2，然后打開n2載入甲醇和乙炔至射頻等離子發(fā)生區(qū)域，h2的流速為50sccm，n2的流速為50sccm，打開微波電源，功率為500w，開始沉積，生長時間為1小時，在球狀鋁粉的表面得到三維石墨烯。

實(shí)施例5

利用微波等離子化學(xué)氣相沉積方法，首先在石英管式真空爐中間放置鋁粉，用機(jī)械泵將真空管式爐的真空度抽至260毫巴，通入h2，然后打開ar載入乙炔至射頻等離子發(fā)生區(qū)域，h2的流速為50sccm，ar的流速為50sccm，打開微波電源，功率為450w，開始沉積，生長時間為1小時，在球狀鋁粉的表面得到三維石墨烯。

實(shí)施例6

利用微波等離子化學(xué)氣相沉積方法，首先在石英管式真空爐中間放置鎳粉，用機(jī)械泵將真空管式爐的真空度抽至40毫巴，通入h2，然后打開ar載入乙炔至射頻等離子發(fā)生區(qū)域，h2的流速為50sccm，ar的流速為50sccm，打開微波電源，功率為400w，開始沉積，生長時間為1小時，得到三維石墨烯。

實(shí)施例7

利用微波等離子化學(xué)氣相沉積方法，首先在石英管式真空爐中間放置銅粉，用機(jī)械泵將真空管式爐的真空度抽至30毫巴，通入h2，然后打開n2載入乙醇至射頻等離子發(fā)生區(qū)域，h2的流速為50sccm，ar的流速為50sccm，打開微波電源，功率為400w，開始沉積，生長時間為1.5小時，得到三維石墨烯。

實(shí)施例8

利用微波等離子化學(xué)氣相沉積方法，首先在石英管式真空爐中間放置sic粉，用機(jī)械泵將真空管式爐的真空度抽至100毫巴，通入h2，然后打開n2載入甲醇和甲酸甲酯至射頻等離子發(fā)生區(qū)域，h2的流速為60sccm，ar的流速為60sccm，打開微波電源，功率為400w，開始沉積，生長時間為1小時，得到三維石墨烯。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。