泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法。


背景技术：

2.石墨烯是目前世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300w/m
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k，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm/v
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s，远高于碳纳米管或硅晶体，而且它的电阻率只有10ω
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cm，比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。石墨烯还有一个重要的特性，能够在常温下观察到量子霍尔效应，因此在其领域的深入研究将对未来电子器件的发展发挥特殊的作用，并可用于制备低能耗的高速电子器件。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。尽管石墨烯材料有着众多突出性能优势，然而在应用中如何提高其分散稳定性能，如何避免石墨烯层层堆叠导致回到类石墨性能，仍然是制约石墨烯应用的关键问题。要解决上述问题，需通过两种途径：一是，实现石墨烯单分散于水溶液或有机溶液中，然后利用湿法加工工艺沉积于应用器件表面，将水和有机溶剂挥发后得到有层间保护的石墨烯层层堆叠物；二是，利用比表面积大的固相载体实现石墨烯三维立体固相单分散。
3.泡沫金属一般定义为一种金属基体中含有一定数量、一定尺寸孔径、一定孔隙率的金属材料。它从结构上可分为开孔和闭孔两种形式，前者具有连续贯通的三维多孔结构，流体可以从中间流过；后者内部气孔相互独立，并且每个气孔都是封闭的。金属泡沫材料独特的特征结构，使它具有轻质、吸音减震、隔热(闭孔)、散热(开孔)、电磁屏蔽、高比强度等多功能复合特性。对于开孔泡沫金属，高孔隙率和复杂的三维立体网状结构使它具有很好的散热作用，高换热效率使它在紧凑型换热器散热和微电子器件冷却中的应用具有十分广阔的前景。
4.泡沫金属的表面积可达10～100cm/cm，又具有很多突出的物理、化学和机械性能，特别适合作为石墨烯沉积的固相分散载体，二者复合可以产生许多优异
5.的性能，克服泡沫金属和石墨烯单独存在时的诸多缺陷。例如，泡沫镍作为电池电极，通过担载石墨烯可获得更大的电催化活性表面积，更好的表面导电性；闭孔泡沫铝作为隔热或消音材料，表面包覆石墨烯可以消除热点、增加声波阻尼特性，从而提高隔热和消音效果，但是在现有的使用过程中，仅仅是将石墨烯与泡沫金属进行单纯混合，两者并未紧密结合，而且石墨烯易发生团聚和堆叠，因此如何实现两者的紧密结合，是我们当前所面临的难题。


技术实现要素：

6.针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种泡沫金属与石墨烯混合材料及
其制备方法，通过制备新型的复合材料，能够解决现有的单一材料所面临的导电线不足，并且解决界面反应，能有效提高整体的导电性能。
7.为实现上述目的，本发明提供泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法，包括以下步骤：
8.s1：将石墨烯泡沫浸入装有聚乙二醇的玻璃瓶中，然后将玻璃瓶置入超声发射器中进行超声，得到石墨烯泡沫的分散液；
9.s2：在分散液中加入碳纳米球，然后将玻璃瓶放置在超声波发射器中进行超声处理，得到混合液；
10.s3：将混合液转移到干燥箱中进行干燥，得到组装基材；
11.s4：将组装基材加入无水乙醇中超声分散，然后进行机械搅拌，搅拌的过程中将泡沫金属镍缓慢加入，然后进行抽滤处理，在真空干燥箱中进行干燥，然后进行挤压和烧结，得到石墨烯泡沫-镍的复合材料。
12.作为优选，在步骤s1和步骤s2中，所采用的超声波发射器的设定参数相同，均采用200-250w的超声功率，温度控制在20-25摄氏度，超声时间为10-15个小时。
13.作为优选，在步骤s2中，采用水热法制备碳纳米球，制备过程如下：
14.a1：称取一定质量的去离子水于烧杯中，然后称取葡萄糖溶于去离子水中，制备得到葡萄糖溶液；
15.a2：将葡萄糖溶液转移至反应釜中，然后置于180摄氏度的高温炉内，保温保压一端时间后取出反应产物，即为多孔碳纳米球。
16.作为优选，在步骤s3中，干燥箱的干燥温度为70-90摄氏度，干燥时间控制在10-14个小时。
17.作为优选，在步骤s4中，在添加铝粉前，还需要添加表面活性剂进行处理，分别将组装基材与铝粉与表面活性剂进行搅拌，待混合均匀后再将处理过铝粉加入到组装基材内混合搅拌，随后抽滤烘干。
18.作为优选，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠和聚二烯二甲基氯化铵中的一种或多种。
19.作为优选，在步骤s4中，组装基材进行超声分散，形成均分分散的悬浊液后开始进行机械搅拌，机械搅拌的过程中不断加入泡沫金属镍，并持续进行机械搅拌60-90min，机械搅拌的速率控制在100-300r/min。
20.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法，通过利用金属与非金属之间进行混合，从而得到一种具有优良导电性能的复合材料，而且能有效克服金属与非金属界面结合以及界面处微观组织形貌的影响，使得混合后的导电性能更加优异。
附图说明
21.图1为本发明的步骤流程图。
具体实施方式
22.为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明和实施例作进一步地描述；
23.请参阅图1，本发明公开了一种高导热性复合材料的制备方法泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法，包括以下步骤：s1：将石墨烯泡沫浸入装有聚乙二醇的玻璃瓶中，然后将玻璃瓶置入超声发射器中进行超声，得到石墨烯泡沫的分散液；s2：在分散液中加入碳纳米球，然后将玻璃瓶放置在超声波发射器中进行超声处理，得到混合液；s3：将混合液转移到干燥箱中进行干燥，得到组装基材；s4：将组装基材加入无水乙醇中超声分散，然后进行机械搅拌，搅拌的过程中将泡沫金属镍缓慢加入，然后进行抽滤处理，在真空干燥箱中进行干燥，然后进行挤压和烧结，得到石墨烯泡沫-镍的复合材料；在本实施例中，石墨烯泡沫是利用细小的管状石墨烯构成一个拥有与钻石同等稳定性的蜂窝状结构，由于其具有蜂窝状的微孔结构，从而可以该微孔结构内掺杂碳纳米球，利用碳纳米球的微孔和小孔结构，从而丰富组装基材的微观孔道结构，进一步提升复合相变材料的负载能力，降低孔距之间的间隙度，从而增强整体的导电性能，此外，添加有聚乙二醇，聚乙二醇附着在石墨烯泡沫和碳纳米球的表面，从而不仅使得石墨烯泡沫与碳纳米球粘结更加稳定，同时进一步提高符合相变材料的负载能力；相较于采用石墨烯或者碳纳米管，由于石墨烯会发生团聚现象，因此会破坏电传输网络，从而无法对导电率进行提升，而碳纳米管在与石墨烯泡沫进行结合时，会被聚乙二醇完全包覆，从而使得复合相变材料的负载能力完全由石墨烯泡沫所决定，由于石墨烯泡沫的的孔径内填覆有碳纳米球，因此在与泡沫金属镍进行结合时，能够有效进入其内部，泡沫金属镍的空隙进行填覆，从而提高整体的导电性能。
24.在步骤s1和步骤s2中，所采用的超声波发射器的设定参数相同，均采用200-250w的超声功率，温度控制在20-25摄氏度，超声时间为10-15个小时，在步骤s3中，干燥箱的干燥温度为70-90摄氏度，干燥时间控制在10-14个小时。在本实施例中，在该条件下，经过超声波处理的石墨烯泡沫已经基本丧失了部分原有完整的网络通道结构，破坏了石墨烯泡沫内的互联结构，生成了类似石墨烯纳米片的片状结构，从而在一定程度上增大了管径，而碳纳米球并非是光滑无孔的，其表面存在微孔，并且多孔碳纳米球的粘结还会制造部分纳米级的孔道，有利于提高复合相变材料的孔隙率，并且经过超声波的作用后，碳纳米球的提交降低，从而更好填充在石墨烯泡沫的孔洞内，此外经过精确测量得知，经过超声波作用后，碳纳米球上的孔径直径在5nm以下；若温度或功率发生变化，例如温度过高或功率过大，都会导致石墨烯泡沫在超声过程中所得到的孔径更大，从而无法与碳纳米球进行有效的结合得到复合相变材料，温度过低或频率过低则会无法在短时间内使得石墨烯泡沫发生破坏。
25.在步骤s2中，采用水热法制备碳纳米球，制备过程如下：a1：称取一定质量的去离子水于烧杯中，然后称取葡萄糖溶于去离子水中，制备得到葡萄糖溶液；a2：将葡萄糖溶液转移至反应釜中，然后置于180摄氏度的高温炉内，保温保压一端时间后取出反应产物，即为多孔碳纳米球。在本实施例中，利用水热法制备碳纳米球，更为具体的是，称取43.5ml的去离子水，然后加入6.5g葡萄糖，制备13wt％的葡萄糖溶液，然后将其放入高温炉内进行反应，反应6小时后，冷却至室温取出，然后按照石墨烯泡沫和多孔碳纳米球的质量比为2∶1进行混合得到复合相变材料。
26.在步骤s4中，在添加铝粉前，还需要添加表面活性剂进行处理，分别将组装基材与铝粉与表面活性剂进行搅拌，待混合均匀后再将处理过铝粉加入到组装基材内混合搅拌，随后抽滤烘干；表面活性剂为十二烷基硫酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠和聚二烯二甲基氯化铵中的一种或多种。在本实施例中，对组装基材和铝粉事先经过表面活性剂进行修饰，例如
向组装基材中添加十二烷基硫酸钠，使得该阴离子活性剂包覆在组装基材表面，使得组装基材带负电荷；在铝粉表面添加聚二烯二甲基氯化铵使得在其表面带正电荷，然后将两者混合，从而使得小尺寸的铝粉和组装基材相互粘结为大尺寸颗粒，铝粉和组装基材表面保护大量有机物，然后采用抽滤的形式，将水份及部分有机物抽滤走，同时由于添加有表面活性剂，也避免了石墨烯泡沫发生团聚现象。
27.在步骤s4中，组装基材进行超声分散，形成均分分散的悬浊液后开始进行机械搅拌，机械搅拌的过程中不断加入泡沫金属镍，并持续进行机械搅拌60-90min，机械搅拌的速率控制在100-300r/min。在本实施例中，组装基材和铝的界面结合好坏直接影响到符合材料的综合性能，若采用高温，则石墨烯泡沫和镍发生界面反应生成不导电的碳化镍脆性化合物，会对整体性能造成影响，因此当两者混合均匀后，进行冷压，在不低于500mpa的压力下保压2min，制得复合材料的预制块，然后将预制块放入管式炉中，在氩气氛围下进行烧结，设定的温度为650-680摄氏度，带烧结3-5小时，冷却到室温即可取出，得到复合材料，当然在进行挤压的过程中，首先将分散好的复合粉末装进包套并压实，然后在400摄氏度预热并挤压成型，挤压比为11，然后在进行冷压处理；通过利用粉末包套挤压技术，可以使得组装基材基体更好嵌入到泡沫金属镍内，同时温度较低，使得组装基材和基体镍没有发生界面反应，也没有形成明显的界面扩散层，此时组装基材与基体镍之间的结合力完全来于组装基材表面的凸起、凹陷以及皱褶和镍基体之间产生的相互摩擦作用，该复合材料的强度不会太高，为了进一步增强其强度，采用放电等离子体烧结技术，在烧结过程中，复合粉末颗粒表面产生的局部保温有利于增强组装基体与镍基体之间的界面结合强度，烧结过程对材料施加的压力能够诱导组装基体垂直于压力轴方向分布，产生择优取向实现自对准，进而实现复合材料中石墨烯泡沫的定向排列，且石墨烯泡沫和镍基体之间存在一个厚度处于纳米量级的扩散层，从而在不发生界面反应的同时增强了两者的结合性能，当组装基材基体结合至泡沫金属镍内后，组装基材对泡沫金属镍内的空隙进行封堵，减少了间隙的尺径大小，使得导电性能得到本质性提高。
28.以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将石墨烯泡沫浸入装有聚乙二醇的玻璃瓶中，然后将玻璃瓶置入超声发射器中进行超声，得到石墨烯泡沫的分散液；s2：在分散液中加入碳纳米球，然后将玻璃瓶放置在超声波发射器中进行超声处理，得到混合液；s3：将混合液转移到干燥箱中进行干燥，得到组装基材；s4：将组装基材加入无水乙醇中超声分散，然后进行机械搅拌，搅拌的过程中将泡沫金属镍缓慢加入，然后进行抽滤处理，在真空干燥箱中进行干燥，然后进行挤压和烧结，得到石墨烯泡沫-镍的复合材料。2.根据权利要求1所述的泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法，其特征在于，在步骤s1和步骤s2中，所采用的超声波发射器的设定参数相同，均采用200-250w的超声功率，温度控制在20-25摄氏度，超声时间为10-15个小时。3.根据权利要求1所述的泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法，其特征在于，在步骤s2中，采用水热法制备碳纳米球，制备过程如下：a1：称取一定质量的去离子水于烧杯中，然后称取葡萄糖溶于去离子水中，制备得到葡萄糖溶液；a2：将葡萄糖溶液转移至反应釜中，然后置于180摄氏度的高温炉内，保温保压一端时间后取出反应产物，即为多孔碳纳米球。4.根据权利要求1所述的泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法，其特征在于，在步骤s3中，干燥箱的干燥温度为70-90摄氏度，干燥时间控制在10-14个小时。5.根据权利要求1所述的泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法，其特征在于，在步骤s4中，在添加铝粉前，还需要添加表面活性剂进行处理，分别将组装基材与铝粉与表面活性剂进行搅拌，待混合均匀后再将处理过铝粉加入到组装基材内混合搅拌，随后抽滤烘干。6.根据权利要求5所述的泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠和聚二烯二甲基氯化铵中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法，其特征在于，在步骤s4中，组装基材进行超声分散，形成均分分散的悬浊液后开始进行机械搅拌，机械搅拌的过程中不断加入泡沫金属镍，并持续进行机械搅拌60-90min，机械搅拌的速率控制在100-300r/min。

技术总结
本发明公开了一种泡沫金属与石墨烯混合材料及其制备方法，包括以下步骤：S1：将石墨烯泡沫浸入装有聚乙二醇的玻璃瓶中，然后将玻璃瓶置入超声发射器中进行超声，得到石墨烯泡沫的分散液；S2：在分散液中加入碳纳米球，然后将玻璃瓶放置在超声波发射器中进行超声处理，得到混合液；S3：将混合液转移到干燥箱中进行干燥，得到组装基材，S4：将组装基材加入无水乙醇中超声分散，然后进行机械搅拌，搅拌的过程中将泡沫金属镍缓慢加入，然后进行抽滤处理，在真空干燥箱中进行干燥，然后进行挤压和烧结，得到高导热性复合材料，本申请能够解决现有的单一材料所面临的导电性不足，并且解决界面反应，能有效提高整体的导电性能。能有效提高整体的导电性能。能有效提高整体的导电性能。


技术研发人员：赵修卫 周慧
受保护的技术使用者：深圳市云飞新材料有限公司
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/12