一種層鑄成型石墨烯‑金屬複合材料及製備方法與流程

2023-12-03 06:02:56 3

本發明涉及石墨烯應用技術領域，特別涉及一種層鑄成型石墨烯-金屬複合材料及製備方法。

背景技術：

單層石墨烯片是由一層密集的碳六元環構成的，沒有任何結構缺陷，它的厚度為0.35nm左右，是目前為止最薄的二維納米碳材料。同時，它也是組成其他碳族材料的基本單元，能夠通過翹曲得到零維的富勒烯、捲曲得到一維的碳納米管和堆疊得到三維的石墨。石墨烯中最基本的重複周期單元是有機化學中最為穩定的苯環結構，它是當前為止最好的二維納米材料。現實中製備的石墨烯不僅存在單層的，也有多層的。由於其結構獨特，石墨烯的各類性質也非常優異。其是世界上最薄最輕的物質，厚度最薄可達0.34nm，比表面積為2630m2/g，室溫下的載流子遷移率約為20萬(cm2/vs)，己知強度最高的材料之一，比金剛石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。同時它又擁有很好的韌性，且可以彎曲，理想石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa，斷裂強度為130GPa。導熱係數高達5000W/mK，是目前為止最高的。

目前，國內外研究人員在石墨烯材料的複合，修飾應用方面進行了較多研究，如中國專利申請號：CN201610825355.3公布了一種氧化鎳/氧化石墨烯複合材料的製備方法，它為了解決現有製備金屬氧化物/石墨烯複合材料中的金屬氧化物顆粒大且粒徑不均勻以及比電容較低的問題。中國專利申請號：CN201610821003.0，公布了一種羥基氧化鐵/氧化石墨烯複合材料的製備方法及其應用。羥基氧化鐵/氧化石墨烯複合材料是由氧化石墨烯的懸濁液和羥基氧化鐵的懸濁液在按照體積比1:1～2混合、分散後通過水熱法複合而成。中國專利申請號：CN201610804294.2，公開了一種磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料的製備方法。該方法主要包括將廢舊磷酸鐵鋰電池正極片通過有機溶劑浸泡、超聲波處理、球磨、焙燒、淬火、與導電炭黑混合焙燒得到磷酸鐵鋰材料；然後將天然鱗片石墨和硝酸鈉加入到硫酸溶液中，通過高錳酸鉀等氧化得到氧化石墨烯；最後將得到的磷酸鐵鋰材料和氧化石墨烯混合，以N-甲基-2-吡咯烷酮為分散劑，球磨即得磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料。中國專利申請號：CN201610768001.X，公開了一種二硫化錫/石墨烯納米複合材料的製備方法、鋰離子電池負極、鋰離子電池，製備方法步驟包括水熱工序、複合工序，本發明製備方法使得二硫化錫在石墨烯表面直接進行原位生長，經過洗滌，乾燥獲得片狀二硫化錫/石墨烯複合材料，該材料應用於鋰離子電池負極材料，有效地提高材料的穩定性以及導電性，提升電池性能，具有循環穩定性好，比能量密度高等優點。中國專利申請號：CN201610763257.1，公開了一種三氧化二鐵/石墨烯複合材料的製備方法、鋰離子電池負極、鋰離子電池，製備方法步驟包括水熱工序、複合工序，本發明製備方法使得三氧化二鐵納米顆粒均勻負載在三維石墨烯的表面和孔道結構中，經過洗滌，乾燥獲得三氧化二鐵/石墨烯複合材料，該材料應用於鋰離子電池，具有高容量、循環壽命長、低成本以及易大規模生產等優異性能。中國專利申請號：CN201610764913.X，公開了一種硫化錳/石墨烯納米複合材料的製備方法、鋰離子電池負極、鋰離子電池，製備方法步驟包括水熱工序、複合工序，本發明製備方法使得硫化錳在石墨烯表面直接進行原位生長，經過洗滌，乾燥獲得硫化錳/石墨烯複合材料，本發明通過硫化錳和三維還原氧化石墨烯複合來克服其體積變化導致的穩定性差等缺點，增強其導電性，從而提高鋰離子電池的性能，該材料應用於鋰離子電池負極材料，有著循環穩定性好，比能量密度高等優點。中國專利申請號：CN201610748848.1，涉及一種具有層次性多孔空心微球狀結構的二硫化鉬/石墨烯複合材料及其合成方法，屬於微納米複合材料製備與合成的技術領域。該複合材料作為超級電容器電極材料使用時具有大的比電容和優異的循環充放電穩定性，展示出了廣闊的應用前景。中國專利申請號：CN201610594377.3，公開了一種負載有納米銀的氟化石墨烯複合材料的製備方法，得到的複合材料具有優良性能。中國專利申請號：一種電化學性能優異的錳鈷硫化物/石墨烯複合材料製備工藝，該製備工藝中電化學沉積採用三電極體系，工作電極為三維石墨烯泡沫，對電極為鉑片，參比電極為Ag/AgCl標準電極。本工藝操作簡便，製備的物質結構穩定，改變參數可以改變物質的形貌，進而提升材料的電化學性能，可用於大面積製備電極材料。

綜上所述，儘管將石墨烯及其複合材料和技術應用到較多領域，並獲得性能改善和提升，但具有高硬度高強度的石墨烯由於表面活性能高，分子間的作用力以及化學鍵作用強而必然容易發生團聚。因此，在製備成石墨烯複合材料的時候由於發生疊層和團聚，不能充分體現石墨烯材料的高硬度、高強度和高導熱的性能優勢，這一問題限制了其在更大範圍、更廣闊領域的應用。

技術實現要素：

本發明的目的是解決現有技術的不足，提供一種層鑄成型石墨烯-金屬複合材料的製備方法。本發明在超聲作用下石墨烯片層之間被打開，在雷射作用下石墨烯材料與納米金屬物質進行融合，得到的材料具有高硬度、高強度、電阻率低，易被加工使用的優越性能，可廣泛應用於牙齒種植、超級電鑽等材料加工領域；電池、超級電容器儲能材料領域；催化劑材料領域；散熱材料領域；醫學領域；塗料材料領域；導電油墨；光電、傳感器材料領域；生物相關領域等。

本發明是通過以下技術方案實現的：

層鑄成型石墨烯-金屬複合材料的製備方法，其特徵在於包括如下步驟：

(1)在超聲作用下將石墨烯量子點和/或石墨烯微片與納米金屬單質/納米金屬化合物進行混合研磨、剪切，製得複合漿體材料或複合粉體材料；

(2)對製得的複合漿體材料或粉體材料進行乾燥，得到無水複合粉體材料；

(3)將製得的無水複合粉體材料經雷射處理進行淬化、提煉，促進分子重排、接枝融合，得層鑄成型石墨烯-金屬複合材料。

進一步地，所述納米金屬單質為納米級的鋯、鈦、鉛、鎳、銅、銀、鉬、金、鈀、鋅、鋁、鐵、鈷、鉻、錳、錫、銥、釕、銦、鑭系金屬中的一種或幾種。

進一步地，所述納米金屬化合物為氧化鋯、二硫化鉬、二硫化鎢、氧化鉛、硫化鉛、氫氧化鎳、氧化鎳、磷化鎳、氧化銅、氧化銀、氯化鈀、氧化鋅、氧化鋁、氧化鐵、磷化鐵、硫化鈷、硫酸鉛、磷酸鐵鋰、磷酸錳鋰、磷酸釩鋰、磷酸釩鈉、磷酸鐵錳鋰、矽酸錳鋰、矽酸鐵鋰、鈦酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、氧化鈷、氧化鈦、硼化鈦、氧化釩、氫氧化鎘、硫化鎘、氧化鉻、氧化錳、氧化錫、氧化銻、氧化鎢、氧化鉍、氧化釔、氧化鋯、矽酸鋯、氧化銥、氯化銥、銥絡合物、氧化銀、氧化釕、釕酸鉍、釕酸鉛、氧化鈧、氧化銦、氧化鎂中的一種或幾種。

進一步地，所述超聲作用由超聲頭、超聲器或超聲裝置產生。

優選地，步驟(1)的混合研磨在高壓條件下進行，壓力為10-250MPa，時間為10-60min。高壓條件下的固相混合研磨剪切，不僅使得混合物分散、混合更均勻，提高其分散混合的均勻度，更有效地達到阻止石墨烯量子點和/或石墨烯微片的層疊和團聚，利於石墨烯與金屬物質的複合作用及增強結合力。

進一步地，步驟(1)的混合研磨採用的是高壓液流法或物理研磨法中的一種或兩種組合。

進一步地，所述高壓液流法，是指將混合物經高壓流體進行研磨、剪切，進行破碎、混合的方法，其中流體是水、乙醇、丙酮、甲醯胺、N-甲基吡咯烷酮、乙腈、甲醇、丙醇、丙酮、二氧六環、四氫呋喃、甲乙酮、正丁醇、乙酸乙酯、乙醚、異丙醚、二氯甲烷、氯仿、溴乙烷、苯、四氯化碳、二硫化碳、環己烷、己烷、煤油中的一種或幾種。高壓液流法混合研磨時的溫度為2-18℃，優選地，溫度為4-6℃。可防止出現高溫時劇烈的布朗運動產生再團聚。

進一步地，所述物理研磨法，是指將混合物經高壓固體進行研磨、剪切，進行破碎、混合的方法。

進一步地，步驟(2)的乾燥方法是常壓乾燥法、低壓乾燥法、真空乾燥法、超臨界乾燥法或噴霧乾燥法。

本發明還提供一種層鑄成型石墨烯-金屬複合材料，其特徵在於，由上述的製備方法得到。

本發明的有益效果是：

通過本發明層鑄成型石墨烯-金屬複合材料的製備方法，使得石墨烯應用時避免了疊層和團聚，且本發明製備的層鑄成型石墨烯復金屬物質複合材料，是在超聲作用下石墨烯片層之間被打開，在雷射作用下石墨烯材料與納米金屬物質進行融合，得到的材料具有高硬度、高強度、高導熱、電阻率低，易被加工使用的優越性能，可廣泛應用於牙齒種植、超級電鑽等材料加工領域；電池、超級電容器儲能材料領域；催化劑材料領域；散熱材料領域；醫學領域；塗料材料領域；導電油墨；光電、傳感器材料領域；生物相關領域等。

具體實施方式

以下對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。

實施例1