專利名稱：石墨烯/金屬納米復合物粉末及其制造方法
技術領域：
所描述的技術大體上涉及納米復合物粉末及其制造方法，更特別地，涉及石墨烯/ 金屬納米復合物粉末及其制造方法。
背景技術：
金屬是一種具有良好強度以及高導熱性和高導電性的材料。同時，因為金屬由于其高延展性而比其他材料更容易加工，因此金屬可以以各種形式用于各行各業(yè)。近年來，對將可適用于各種工業(yè)領域的納米技術應用于金屬來獲得金屬納米粉末的制備方法進行了大量的研究。特別地，除了金屬的自身特性之外，隨著金屬顆粒尺寸的降低新發(fā)現(xiàn)的金屬納米粉末的機械特性和物理特性得到了廣泛關注。具體而言，由于表面效應、體積效應以及顆粒之間的相互作用所引起的新特征，期望將金屬納米粉末應用于高級材料，例如高溫結構材料、工具材料、電磁材料、以及用于過濾器和傳感器的材料。此外，許多研究已經(jīng)集中于維持或提高常規(guī)金屬粉末的特性或改善常規(guī)金屬粉末的機械特性。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供含有石墨烯/金屬納米復合物粉末的材料，其具有增強的機械特性。另外，本發(fā)明提供一種具有增強的機械特性的含有石墨烯/金屬納米復合物粉末的材料的制造方法。一個實施方式中，提供了石墨烯/金屬納米復合物粉末。該石墨烯/金屬納米復合物粉末包括基體金屬(base metal)以及分散在所述基體金屬中并且充當所述基體金屬用增強材料的石墨烯。該石墨烯以薄膜形式介入基體金屬的金屬顆粒之間，并且與金屬顆粒結合。基體金屬中含有的石墨烯體積分數(shù)大于0體積％，且小于30體積％，該范圍對應于以下界限在該界限內可以防止由于石墨烯之間的反應引起的石墨烯的結構變化。另一實施方式中，提供了一種石墨烯/金屬納米復合物材料。該金屬納米復合物材料含有上述石墨烯/金屬納米復合物粉末，并且是一種使用粉末燒結工藝制備的燒結材料。另一實施方式中，提供了一種石墨烯/金屬納米復合物粉末的制造方法。該方法包括使石墨烯氧化物(graphene oxide)分散在溶劑中。在分散有石墨烯氧化物的溶劑中提供基體金屬的金屬鹽。此后，對石墨烯氧化物和所述金屬鹽進行還原，從而制備其中石墨烯以薄膜形式分散在基體金屬的金屬顆粒之間的金屬納米復合物粉末。分散的石墨烯充當基體金屬用增強材料，其體積分數(shù)大于0體積％且小于30體積％，該范圍對應于以下界限 在該界限內可以防止由于石墨烯之間的反應引起的石墨烯的結構變化。又一實施方式中，提供了一種石墨烯/金屬納米復合物材料的制備方法。該方法包括使石墨烯氧化物分散在溶劑中。在分散有石墨烯氧化物的溶劑中提供基體金屬的金屬鹽。對該溶劑中含有的金屬鹽進行氧化以形成金屬氧化物。對石墨烯氧化物和所述金屬氧化物進行還原，由此制備其中石墨烯以薄膜形式分散在基體金屬的金屬顆粒之間的粉末。分散的石墨烯作為基體金屬用增強材料，并控制其體積分數(shù)大于0體積％，且小于30 體積％，該范圍對應于以下界限在該界限內可以防止由于石墨烯之間的反應引起的石墨烯的結構變化。又一實施方式中，提供一種石墨烯/金屬納米復合物材料的制造方法。該方法包括通過在基體金屬熔點的約50% 80%的溫度，對使用本發(fā)明一個實施方式的方法所制備的石墨烯/金屬納米復合物粉末進行燒結而形成塊狀材料。該發(fā)明內容以簡述形式來介紹摘選的概念，在以下具體實施方式
中會進一步說明所述概念。該發(fā)明內容并不是意圖要確定所要求保護主題的關鍵特征或必要特征，也不是意圖用其來作為確定所要求保護主題范圍的一種輔助。


通過參考附圖對本發(fā)明的示例性實施方式進行詳細說明，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點以及其他特征和優(yōu)點對本領域普通技術人員而言更加明顯。圖IA和IB為一個實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末的掃描電子顯微鏡 (SEM)圖像；圖2為一個比較例的石墨烯/金屬納米復合物粉末的SEM圖像；圖3A和:3B分別為根據(jù)一個實施方式和一個比較例制造的塊狀材料的斷口 SEM圖像；圖4為說明一個實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末的制造方法的流程圖；圖5為說明另一實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末的制造方法的流程圖；圖6為一個實施方式的石墨烯/銅(Cu)納米復合物粉末的透射電子顯微鏡(TEM) 圖像；圖7為一個實施方式的石墨烯/鎳(Ni)納米復合物粉末的SEM圖像；圖8為一個實施方式的石墨烯/Cu納米復合物粉末的SEM圖像；圖9為顯示一個實施方式的石墨烯/Cu納米復合物粉末的應力-應變特性的測量結果的圖；和圖10為顯示一個實施方式的石墨烯/Cu納米復合物粉末的應力-應變特性的測量結果的圖。發(fā)明詳述應該容易理解，通常如本文附圖中描述和說明的本發(fā)明的組件能夠以各種不同的構造進行布置和設計。因此，以下對本發(fā)明的設備和方法的實施方式進行的更詳細說明，如附圖中所示，并不意圖限制所要求保護的本發(fā)明的范圍，其只不過代表本發(fā)明的實施方式的特定實施例。通過參考附圖可以最好地理解目前描述的實施方式，所述附圖中類似的部件始終由類似的數(shù)字表示。此外，附圖不必須是按比例的，為清楚起見，層和區(qū)域的尺寸和相對尺寸可能進行了擴大。還應該理解的是，當稱元件或層在另一元件或層“上”時，該元件或層可以直接在其它元件或層上，或者可以存在插入元件或層。本發(fā)明中所使用的術語“石墨烯”是指其中多個碳原子互相共價鍵合以形成多環(huán)芳香族分子的單層或多層材料。共價鍵合的碳原子可以為例如五元、六元或七元的環(huán)狀基本重復單元。在本發(fā)明中，“石墨烯/金屬”復合物粉末是指含有金屬或其合金作為基體金屬的粉末，在該粉末中石墨烯分散在基體金屬中。該“基體金屬”包括性地指作為粉末基體的各種金屬或合金。本文所用的術語“石墨烯/金屬納米復合物粉末”是指含有金屬或金屬合金作為基體金屬的納米級復合物粉末，在該納米級復合物粉末中石墨烯分散在基體金屬中。 在一個實例中，“石墨烯/銅(Cu)納米復合物粉末”是指含有Cu或Cu合金作為基體金屬的納米級復合物粉末，在該納米級復合物粉末中石墨烯分散在基體金屬中。納米級是指直徑、 長度、高度或寬度為約10 μ m以下。石墨烯/金屬納米復合物粉末本發(fā)明一個實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末可以包括基體金屬以及分散在基體金屬中的石墨烯。石墨烯以薄膜形式介入基體金屬的金屬顆粒之間，同時與金屬顆粒結合。石墨烯可以為碳(C)原子的單層或多層，例如，厚度為約IOOnm以下的膜。根據(jù)一個實施方式，基體金屬可以為金屬或合金，其含有選自但并不限于由銅(Cu)、鎳(Ni)、鈷 (Co)、鉬(Mo)、鐵(Fe)、鉀(K)、釕(Ru)、鉻(Cr)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、鎂(Mg)、鈦(Ti)、 鎢(W)、鉛(Pb)、錯(Zr),W (Zn)以及鉬(Pt)組成的組中的至少一種。根據(jù)另一實施方式， 可以使用在溶劑中形成金屬鹽的各種金屬中的一種作為基體金屬。下文中，參考圖1來說明使用Cu作為基體金屬的一個實施方式。圖IA和IB為一個實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末的掃描電子顯微鏡 (SEM)圖像。具體而言，圖IA為其中未分散有石墨烯的Cu基體金屬的SEM圖像，圖IB為分散有石墨烯的石墨烯/Cu基體金屬的SEM圖像。當對圖IA和IB進行比較時，通過將石墨烯130分散在Cu基體金屬中來制造一個實施方式的石墨烯/Cu納米復合物粉末。圖IA顯示在Cu基體金屬中Cu顆粒110規(guī)則地結合的排列。與之相反，如圖IB所示，將石墨烯/Cu納米復合物粉末構造成使Cu基體金屬與石墨烯混合。Cu基體金屬中含有的Cu金屬顆粒120的尺寸可以為幾百個nm或更小。在 Cu基體金屬中，石墨烯130以薄膜形式介入金屬顆粒120之間。石墨烯130可以分散在Cu 基體金屬中并與金屬顆粒120結合以及充當增強材料來改善機械特性，例如Cu基體金屬的拉伸強度。但是，在一個實例中，當分散在Cu基體金屬中的石墨烯130的量超出預定的閾值時，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)石墨烯130發(fā)生結構變化，這歸因于由于石墨烯130之間的反應引起石墨烯130之間的凝聚和團聚。在一個實施例中，石墨烯130的結構變化可以為石墨烯130的結構改變?yōu)槭?。已發(fā)現(xiàn)一部分納米復合物粉末中的石墨烯130的結構變化可能減弱石墨烯130改善Cu基體金屬的機械特性的功能。因此，可以對分散在Cu基體金屬中的石墨烯130的量進行適當控制，使其具有約30體積％的閾值。因此，可以將納米復合物粉末中含有的石墨烯130控制到體積分數(shù)為大于0體積％且小于30體積％。圖IB中所示的一個實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末的石墨烯體積分數(shù)為約5體積％。圖2為一個比較例的石墨烯/金屬納米復合物粉末的SEM圖像。圖2所示的該比較例的石墨烯/金屬納米復合物粉末可以含有Cu 210作為基體金屬，并且具有的石墨烯體積分數(shù)為約30體積％。如圖2中所示，在石墨烯體積分數(shù)為約30體積％的石墨烯/金屬納米復合物粉末的情況下，由于在石墨烯/Cu納米復合物粉末中石墨烯230之間的反應導致石墨烯230可以發(fā)生凝聚或團聚。當石墨烯230凝聚或團聚時，可能妨礙石墨烯230在Cu基體金屬中的均勻分散。因此，石墨烯230作為用于改善Cu基體金屬的機械特性的增強材料的功能可能劣化。如上所述，在本發(fā)明一個實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末中，可以將分散在基體金屬中的石墨烯控制到體積分數(shù)大于0體積％且小于30體積％。石墨烯可以與基體金屬的金屬顆粒結合，并充當用于改善基體金屬的機械特性的增強材料。根據(jù)其他實施方式，充當導電材料的石墨烯可以與基體金屬的金屬顆粒結合以改善基體金屬的電特性 (例如導電率)。已知石墨烯具有約20000cm2/Vs 50000cm2/Vs的高遷移率。因此，通過將石墨烯與基體金屬的金屬顆粒結合而制造的本發(fā)明的納米復合物粉末可應用于高附加值的組件材料，例如高傳導性、高彈性的線涂材料或耐磨涂布材料。根據(jù)其他實施方式，可以使用粉末燒結工藝將本發(fā)明的石墨烯/金屬納米復合物粉末轉變?yōu)閴K狀材料。即，可以對石墨烯/金屬納米復合物粉末進行燒結以形成塊狀材料。 根據(jù)一個實施方式，燒結工藝可以在高壓下于基體金屬熔點的約50% 80 %的溫度進行。 對應于塊狀材料的納米復合物材料可應用于諸如連接器材料或電子封裝材料等電磁組件材料，或諸如高強度高彈性結構用材料等金屬復合物材料?？梢允褂檬w積分數(shù)大于0 體積％且小于30體積％的石墨烯/金屬納米復合物粉末來制造本發(fā)明一個實施方式的塊狀材料。圖3A和;3B分別為根據(jù)一個實施方式和一個比較例制造的塊狀材料的斷口 SEM圖像。圖3A顯示了通過對含有體積分數(shù)為約1體積％的石墨烯的石墨烯/Cu納米復合物粉末進行燒結而制造的塊狀材料，以及圖3B顯示了通過對含有體積分數(shù)為約30體積％的石墨烯的石墨烯/Cu納米復合物粉末進行燒結而制造的塊狀材料。圖3A和;3B的燒結工藝都在Cu基體金屬熔點的50 % 80 %的溫度范圍內于相同條件下進行的。參照圖3A，可以看出塊狀材料含有對諸如Cu等延展性金屬的粉末進行燒結之后觀察到的圓錐形凹陷(conic dimple)310。同樣也可以觀察到石墨烯330基本上均勻分布在塊狀材料中。參照圖3B，從塊狀材料的斷口未觀察到凹陷310。即，可以推斷出作為延展性金屬的Cu的粉末燒結相對不足。因此，可以推斷由于石墨烯含量為30體積％，石墨烯/ Cu納米復合物粉末的燒結受到抑制。石墨烯/金屬納米復合物粉末的制造方法圖4為說明一個實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末的制造方法的流程圖。 參照圖4，在操作410中，提供石墨烯氧化物并使其分散在溶劑中?？梢允褂弥T如Hummers 法或改良Hummers法等已知方法使石墨烯氧化物從石墨結構中分離。例如，在Hummers等白勺 Journal of the American Chemical Society 1958,80,1339 ^^Jf 7 Hummers ^AM 論文中公開的技術可以構成本發(fā)明的技術的一部分。上述溶劑可以含有例如乙二醇，但并不限于此?？梢允褂酶鞣N已知的可以使石墨烯氧化物基本上均勻分散于其中的溶劑。該石墨烯氧化物可以是單層氧化的，并且可以通過諸如Hummers法或改良Hummers法等已知方法將其從石墨的碳多層結構中分離?？梢允褂弥T如超聲處理法等分散方法使石墨烯氧化物基本上均勻分布。在操作420中，可以向所述溶劑中提供金屬鹽。例如，該金屬可以但并不限于是含有選自由 Cu、Ni、Co、Mo、Fe、K、Ru、Cr、Au、Ag、Al、Mg、Ti、W、Pb、Zr、Zn 和 Pt 組成的組中的至少一種金屬的金屬或合金，并且可以含有各種在所述溶劑中形成金屬鹽的金屬。在該情況下，可以控制相對于分散在所述溶劑中的石墨烯氧化物的量的金屬鹽的量。也就是說，為了防止在隨后的工藝中由石墨烯氧化物還原成的石墨烯發(fā)生凝聚或團聚，可以控制石墨烯氧化物和金屬鹽的量。根據(jù)一個實施方式，可以控制石墨烯氧化物和金屬鹽的量，使得分散在作為最終產(chǎn)物的石墨烯/金屬納米復合物粉末中的石墨烯的體積分數(shù)大于0體積％且小于30體積％。根據(jù)發(fā)明人，當提供的石墨烯氧化物和金屬鹽使得石墨烯的體積分數(shù)大于30 體積％時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于石墨烯之間的凝聚或團聚會引起石墨烯發(fā)生結構變化。石墨烯的結構變化可以為例如石墨烯轉化為石墨等等。即，在石墨烯/金屬納米復合物粉末中轉化的石墨烯可以妨礙石墨烯改善基體金屬的機械特性的功能。在一個實施例中，使用超聲處理法或磁混合法可以使石墨烯氧化物和金屬鹽在所述溶劑中基本上均勻混合。在操作430中，可以對石墨烯氧化物和金屬鹽進行還原。根據(jù)一個實施方式，可以向含有石墨烯氧化物和金屬鹽的溶劑提供還原劑，并且可以使用熱處理進行還原工藝。可以使用諸如胼(H2NH2)等還原劑。根據(jù)一個實施方式，還原工藝可以包括在還原氣氛下于約70°C 100°C的溫度對含有石墨烯氧化物、金屬鹽和還原劑的溶液進行熱處理。由于該還原工藝，可以獲得石墨烯/金屬納米復合物粉末，該石墨烯/金屬納米復合物粉末含有作為基體金屬的金屬和以薄膜形式介入基體金屬的金屬顆粒之間的石墨烯。此外，使用乙醇或水對所獲得的石墨烯/金屬納米復合物粉末進行洗滌以除去雜質。例如，可以通過使用烘箱在約80°C 100°C的溫度進行熱處理來干燥石墨烯/金屬納米復合物粉末。根據(jù)一些實施方式，可以在含有氫氣0 )的還原氣氛中對所獲得的石墨烯 /金屬納米復合物粉末進行熱處理。結果，可以除去石墨烯/金屬納米復合物粉末中殘留的雜質(如氧(0))，由此改善石墨烯的結晶性。例如，可以利用管式熔爐使用含氫氣體作為反應性氣體來進行氫致熱處理。例如，氫致熱處理可以在約300°C 700°C的溫度進行約1小時 4小時。圖5為說明另一實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末的制備方法的流程圖。 參照圖5，在操作510中，提供石墨烯氧化物并使其分散在溶劑中。可以使用諸如Hummers 法或改良Hummers法等已知方法使石墨烯氧化物從石墨結構中分離。例如，在Hummers等白勺 Journal of the American Chemical Society 1958,80,1339 ^7AJfJ Hummers 論文中公開的技術可以構成本發(fā)明的技術的一部分。該溶劑可以為蒸餾水或醇，但并不限于此?？梢允褂酶鞣N已知的可以使石墨烯氧化物基本上均勻分散于其中的溶劑。該石墨烯氧化物可以時單層氧化的，并且可以使用諸如Hummers法或改良Hummers法等已知方法將其從石墨烯的碳多層結構中分離?？梢允褂弥T如超聲處理法等分散方法使石墨烯氧化物基本上均勻分布。在操作520中，可以向所述溶劑中提供金屬鹽。例如，該金屬可以但并不限于是含有選自由 Cu、Ni、Co、Mo、Fe、K、Ru、Cr、Au、Ag、Al、Mg、Ti、W、Pb、Zr、Zn 和 Pt 組成的組中的至少一種金屬的金屬或合金，并且含有各種在所述溶劑中形成金屬鹽的金屬。在該情況下， 可以控制相對于分散在所述溶劑中的石墨烯氧化物的量的金屬鹽的量。也就是說，為了防止在隨后的工藝中由石墨烯氧化物還原成的石墨烯發(fā)生凝聚或團聚，可以控制石墨烯氧化物和金屬鹽的量。根據(jù)一個實施方式，可以控制石墨烯氧化物和金屬鹽的量，使得分散在作為最終產(chǎn)物的石墨烯/金屬納米復合物粉末中的石墨烯的體積分數(shù)大于0體積％且小于30 體積％。根據(jù)發(fā)明人，當提供的石墨烯氧化物和金屬鹽使得石墨烯的體積分數(shù)大于30體積％時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于石墨烯之間的凝聚或團聚會引起石墨烯發(fā)生結構變化。石墨烯的結構變化可以為例如石墨烯轉化為石墨等等。即，在石墨烯/金屬納米復合物粉末中轉化的石墨烯可以妨礙石墨烯改善基體金屬的機械特性的功能。在一個實施例中，使用例如超聲處理法或磁混合法可以石墨烯氧化物和金屬鹽在所述溶劑中基本上均勻混合。在操作530中，可以對所述溶劑中含有的金屬鹽進行氧化以產(chǎn)生金屬氧化物。根據(jù)一個實施方式，可以向含有石墨烯氧化物和金屬鹽的溶劑提供氧化劑，并且可以使用熱處理進行氧化工藝來產(chǎn)生金屬的氧化物。氧化劑可以為例如氫氧化鈉(NaOH)。根據(jù)一個實施方式，該氧化工藝可包括在約40°C 100°C的溫度對含有石墨烯氧化物、金屬鹽和氧化劑的溶液進行熱處理。由于氧化工藝，從金屬鹽產(chǎn)生金屬氧化物。結果，石墨烯氧化物與金屬氧化物結合以形成復合物粉末。石墨烯氧化物和金屬氧化物之間的結合包括性地是指石墨烯氧化物和金屬氧化物之間的物理結合或化學結合。然后，將含有石墨烯氧化物和金屬氧化物的復合物粉末從溶劑中分離。在一個實施方式中，使用離心式分離器從溶劑中進行復合物粉末的分離?？梢允褂盟鸵掖紝钠涑ト軇┑膹秃衔锓勰┻M行洗滌?？梢栽谡婵障率褂幂^細孔隙率的過濾器和泵過濾復合物粉末。因而，可以獲得含有石墨烯氧化物和金屬氧化物的較純復合物粉末。在操作540中，可以將石墨烯氧化物和金屬氧化物還原。根據(jù)一個實施方式，可以在還原氣氛中對含有石墨烯氧化物和金屬氧化物的復合物粉末進行熱處理。在一個實例中，可以在具有氫氣氣氛的還原爐中于約200°C 800°C的溫度將復合物粉末還原1小時 6小時。結果，由于還原工藝，可以獲得石墨烯/金屬納米復合物粉末，該石墨烯/金屬納米復合物粉末含有作為基體金屬的金屬和以薄膜形式介入基體金屬的金屬顆粒之間的石墨火布。通過上述實施方式的工藝，可以制造其中石墨烯分散在基體金屬中并且與基體金屬的金屬顆粒結合的石墨烯/金屬納米復合物粉末。根據(jù)一些實施方式，可以將所制備的納米復合物粉末燒結以形成塊狀材料。根據(jù)一個實施方式，燒結工藝可以在高壓下于基體金屬熔點的約50% 80%的溫度進行。在一個實例中，可以在約50MPa的壓力下于約 500°C 900°C的溫度對石墨烯/Cu納米復合物粉末進行燒結。通過上述實施方式的工藝，可以制造石墨烯/金屬納米復合物粉末。石墨烯/金屬納米復合物粉末中含有的石墨烯可以與基體金屬的金屬顆粒結合并且充當用于改善基體金屬的機械特性的增強材料。根據(jù)其他實施方式，充當導電材料的石墨烯可以與基體金屬結合以改善石墨烯/金屬納米復合物粉末的電特性。已知石墨烯具有約20000cm2/Vs 50000cm2/Vs的高遷移率。因此，通過將石墨烯與基體金屬的金屬顆粒結合而制造的本發(fā)明的石墨烯/金屬納米復合物粉末可應用于高附加值的組件材料，例如高傳導性、高彈性的線涂材料或耐磨涂布材料。根據(jù)一些實施方式，可以將對應于使用上述燒結工藝形成的塊狀材料的納米復合物材料應用于諸如連接器材料或電子封裝材料等電磁組件材料，或諸如高強度高彈性結構用材料等金屬復合物材料。在下文中，會參考具體實施例和實驗例詳細地描述使用本發(fā)明任一實施方式的方法制造的石墨烯/金屬納米復合物粉末；然而，這些實施例只是說明性的以更好的理解本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明的范圍。
實施例1應用Cu和Ni作為本發(fā)明一個實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末的基體金屬。首先，使用Hummers法從石墨生產(chǎn)石墨烯氧化物粉末。將該石墨烯氧化物加入到乙二醇溶劑后，使用超聲處理法使石墨烯氧化物均勻分散在乙二醇溶劑中。結果，制備了石墨烯氧化物分散液。將銅水合物(copper hydrate)和鎳水合物(nickel hydrate)作為金屬鹽分別加入所制備的石墨烯氧化物分散液中。向含有石墨烯氧化物和銅水合物的混合物的溶液中加入作為還原劑的胼，并且對該溶液進行熱處理以制備其中石墨烯分散在Cu基體金屬中的石墨烯/Cu納米復合物粉末。同樣，向含有石墨烯氧化物和鎳水合物的混合物的溶液中加入作為還原劑的胼，并且對該溶液進行熱處理以制備其中石墨烯分散在Ni基體金屬中的石墨烯/Ni納米復合物粉末。使用乙醇和水對所制備的石墨烯/Cu納米復合物粉末和石墨烯/M納米復合物粉末進行沖洗，并在烘箱中進行干燥。所制造的石墨烯/Cu納米復合物粉末具有的石墨烯體積分數(shù)為約5體積％，并且所制造的石墨烯/M納米復合物粉末具有的石墨烯體積分數(shù)為約1體積％。為了評價本發(fā)明一個實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末的機械特性，制備了另外的石墨烯/Cu納米復合物粉末。使用乙二醇溶劑將12mg的石墨烯氧化物與16g的作為銅水合物的單水乙酸銅(II)混合。使用本發(fā)明的上述方法制造石墨烯/Cu納米復合物粉末，并且該石墨烯/Cu納米復合物粉末中含有的石墨烯的體積分數(shù)為0. 69體積％，其表示0.17重量％的重量分數(shù)。實施例2將Cu用作本發(fā)明一個實施方式的石墨烯/金屬納米復合物粉末的基體金屬。首先，使用Hummers法從石墨生產(chǎn)石墨烯氧化物粉末。將該石墨烯氧化物加入到蒸餾水后，使用超聲處理法使石墨烯氧化物均勻分散在蒸餾水中。結果，制備了石墨烯氧化物分散液。將作為銅水合物的單水乙酸銅(II)與所制備的石墨烯氧化物分散液混合。提供氫氧化鈉(NaOH)作為氧化劑，并且在約80°C的溫度對所述混合物進行熱處理以制備含有石墨烯氧化物和氧化銅的復合物粉末。使用離心式分離器將復合物粉末從蒸餾水中分離并且在真空下過濾。在氫氣還原爐中使用熱處理對所述復合物粉末進行還原以制造其中石墨烯分散在Cu基體金屬中的石墨烯/Cu納米復合物粉末。所制造的石墨烯/Cu納米復合物粉末具有的石墨烯體積分數(shù)為5體積％。實驗例拍攝實施例1中所獲得的石墨烯體積分數(shù)為5體積％的石墨烯/Cu納米復合物粉末以及石墨烯體積分數(shù)為1體積％的石墨烯/Ni納米復合物粉末的SEM圖像。另外拍攝石墨烯體積分數(shù)為5體積％的石墨烯/Cu納米復合物粉末的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。測量實施例1的石墨烯體積分數(shù)為約0. 69%的石墨烯/Cu納米復合物粉末以及純Cu粉末的每一個的應力-應變特性以對實施例1的石墨烯體積分數(shù)為約0. 69%的石墨烯/Cu納米復合物粉末以及純Cu粉末的機械特性進行比較并評估比較結果。拍攝實施例2中所獲得的石墨烯體積分數(shù)為5體積％的石墨烯/Cu納米復合物粉末的SEM圖像。測量根據(jù)實施例2的石墨烯體積分數(shù)為約5體積％的石墨烯/Cu納米復合物粉末以及純Cu粉末的每一個的應力-應變特性以對實施例2的石墨烯體積分數(shù)為約5體積％的石墨烯/Cu納米復合物粉末以及純Cu粉末的機械特性進行比較并評估比較結果。評價圖6為一個實施方式的石墨烯/Cu納米復合物粉末的TEM圖像。具體而言，圖6 為使用實施例1的方法制備的石墨烯體積分數(shù)為5體積％的石墨烯/Cu納米復合物粉末的 TEM圖像。圖7為一個實施方式的石墨烯/Ni納米復合物粉末的SEM圖像。具體而言，圖7 為使用實施例1的方法制備的石墨烯體積分數(shù)為1體積％的石墨烯/M納米復合物粉末的 SEM圖像。圖8為一個實施方式的石墨烯/Cu納米復合物粉末的SEM圖像。具體而言，圖8 為使用實施例2的方法制備的石墨烯體積分數(shù)為5體積％的石墨烯/Cu納米復合物粉末的 SEM圖像。參照圖IB和圖8的SEM圖像以及圖6的TEM圖像，Cu基體金屬中含有的金屬顆粒120、620和820的尺寸為幾百nm或更小?？梢杂^察到在Cu納米復合物粉末中的體積分數(shù)為5體積％的石墨烯130以薄膜形式介入Cu基體金屬的金屬顆粒120、620和820之間。 參照圖7，可以觀察到體積分數(shù)為1體積％的石墨烯730以薄膜形式介入Ni基體金屬的金屬顆粒720之間。圖9為顯示一個實施方式的石墨烯/Cu納米復合物粉末的應力-應變特性的測量結果的圖，該圖使用實施例1的石墨烯體積分數(shù)為0. 69體積％的石墨烯/Cu納米復合物粉末以及純Cu粉末獲得。參照圖9，可以觀察到石墨烯/Cu納米復合物粉末在彈性區(qū)和塑性區(qū)比純Cu粉末具有更高的拉伸應力。例如，石墨烯/Cu納米復合物粉末在約0.01以上的應變部分比純Cu粉末有高出約30%的拉伸應力。因此，可以推測出石墨烯分散在Cu基體金屬中，與Cu基體金屬的Cu顆粒結合，并且作為增強材料來增加納米復合物粉末的機械強度。圖10為顯示一個實施方式的石墨烯/Cu納米復合物粉末的應力應變特性的測量結果的圖，該圖使用實施例2的石墨烯體積分數(shù)為5體積％的石墨烯/Cu納米復合物粉末以及純Cu粉末獲得。參照圖10，石墨烯/Cu納米復合物粉末的屈服強度為約221MPa，而純 Cu粉末的屈服強度為約77. IMPa。此外，石墨烯/Cu納米復合物粉末的彈性模量為72. 5GPa, 而純Cu粉末的彈性模量為46. IGPa0因此，石墨烯/Cu納米復合物粉末在彈性區(qū)顯示出比純Cu粉末更好的機械特性。在塑性區(qū)，石墨烯/Cu納米復合物粉末的拉伸強度為約M5MPa，而純Cu粉末的拉伸強度為約202MPa，從而可以看出石墨烯/Cu納米復合物粉末顯示出比純Cu粉末更好的拉伸強度。但是，石墨烯/Cu納米復合物粉末的延伸率為約43%，而純Cu粉末的延伸率為大約12%，所以可以看出純Cu粉末比Cu納米復合粉末具有更好的延伸率。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，石墨烯以薄膜形式介入基體金屬的金屬顆粒之間并與金屬顆粒結合，從而改善了基體金屬的機械特性或電特性。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，可以容易制備具有增強的機械特性或電特性的石墨烯/ 金屬納米復合物粉末。以上是對本發(fā)明的示例性說明，其不應當解釋為對本發(fā)明的限制。雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的許多實施方式，本領域技術人員在沒有實質性脫離本發(fā)明的新穎性教導和優(yōu)點時，可以容易地意識到對實施方式進行許多改進是可行的。據(jù)此，所有此類改進均包括在權利要求所限定的本發(fā)明的范圍內。因此，應該理解以上是對本發(fā)明的示例性說明，其并不解釋為限制到所公開的具體實施方式
，并且對所公開的實施方式進行的改進，以及其他實施方式，也包括在所附權利要求的范圍內。本發(fā)明由下述權利要求來限定，權利要求的等同方式同樣包括在其中。
權利要求
1.石墨烯/金屬納米復合物粉末，所述石墨烯/金屬納米復合物粉末包含基體金屬；和石墨烯，所述石墨烯分散在所述基體金屬中，并且充當所述基體金屬用增強材料，其中所述石墨烯以薄膜形式介入所述基體金屬的金屬顆粒之間，并且與所述金屬顆粒結合，以及所述基體金屬中含有的石墨烯的體積分數(shù)大于O體積％且小于30體積％，該范圍對應于以下界限在該界限內能夠防止由于所述石墨烯之間的反應引起的所述石墨烯的結構變化。
2.如權利要求1所述的石墨烯/金屬納米復合物粉末，其中所述金屬顆粒的尺寸為 Inm 10 μ m0
3.如權利要求1所述的石墨烯/金屬納米復合物粉末，其中所述基體金屬包含選自由銅(Cu)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鉬(Mo)、鐵(Fe)、鉀(K)、釕(Ru)、鉻(Cr)、金(Au)、銀(Ag)、鋁 (Al)、鎂(Mg)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉛(1 )、鋯(Zr), W (Zn)以及鉬(Pt)組成的組中的至少一種。
4.一種石墨烯/金屬納米復合物材料，所述石墨烯/金屬納米復合物材料充當包含權利要求1所述的石墨烯/金屬納米復合物粉末的粉末燒結材料。
5.一種石墨烯/金屬納米復合物粉末的制造方法，所述方法包括(a)使石墨烯氧化物分散在溶劑中；(b)向分散有所述石墨烯氧化物的溶劑中提供基體金屬的金屬鹽；和(c)通過對所述石墨烯氧化物和所述金屬鹽進行還原而形成其中石墨烯以薄膜形式分散在所述基體金屬的金屬顆粒之間的粉末，其中分散的石墨烯充當所述基體金屬用增強材料，并且控制其體積分數(shù)大于0體積％ 且小于30體積％，該范圍對應于以下界限在該界限內能夠防止由于所述石墨烯之間的反應引起的所述石墨烯的結構變化。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述金屬鹽為鹽水合物(salthydrate)，該鹽水合物包含選自由 Cu、Ni、Co、Mo、Fe、K、Ru、Cr、Au、Ag、Al、Mg、Ti、W、Pb、Zr、Zn 和 Pt 構成的組中的至少一種。
7.如權利要求5所述的方法，所述方法還包括(d)使用氫氣0 )在300°C 700°C的溫度對所形成的粉末進行熱處理。
8.如權利要求5所述的方法，其中操作(c)包括使用還原劑在70°C 100°C的溫度對所述石墨烯氧化物和所述金屬鹽進行還原。
9.一種金屬納米復合物材料的制造方法，所述方法包括通過在高壓下于基體金屬熔點的50% 80%的溫度對根據(jù)權利要求5制備的石墨烯/金屬納米復合物粉末進行燒結以形成塊狀材料。
10.一種金屬納米復合物粉末的制造方法，所述方法包括(a)使石墨烯氧化物分散在溶劑中；(b)向分散有所述石墨烯氧化物的溶劑中提供基體金屬的金屬鹽；(c)通過對所述溶劑中含有的金屬鹽進行氧化而形成金屬氧化物；和(d)通過對所述石墨烯氧化物和所述金屬氧化物進行還原而形成其中石墨烯以薄膜形式分散在所述基體金屬的金屬顆粒之間的粉末，其中分散的石墨烯充當所述基體金屬用增強材料，并且控制其體積分數(shù)大于0體積％ 且小于30體積％，該范圍對應于以下界限在該界限內能夠防止由于所述石墨烯之間的反應引起的所述石墨烯的結構變化。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述金屬鹽為鹽水合物，該鹽水合物包含選自由 Cu、Ni、Co、Mo、Fe、K、Ru、Cr、Au、Ag、Al、Mg、Ti、W、Pb、Zr、Si 和 Pt 構成的組中的至少一種。
12.如權利要求10所述的方法，其中操作(d)包括在還原氣氛中對含有所述石墨烯氧化物和所述金屬氧化物的納米復合物粉末進行熱處理。
13.如權利要求10所述的方法，其中操作(c)包括向含有所述石墨烯氧化物和所述金屬鹽的溶劑中提供氧化劑，和進行熱處理。
14.一種石墨烯/金屬納米復合物材料的制造方法，所述方法包括通過在基體金屬熔點的50% 80%的溫度對使用權利要求10所述的方法制備的石墨烯/金屬納米復合物粉末進行燒結以形成塊狀材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了石墨烯/金屬納米復合物粉末及其制造方法。該石墨烯/金屬納米復合物粉末包括基體金屬和分散在所述基體金屬中的石墨烯。該石墨烯充當基體金屬用增強材料。石墨烯以薄膜形式介入基體金屬的金屬顆粒之間并與金屬顆粒結合?；w金屬中含有的石墨烯的體積分數(shù)大于0體積％且小于30體積％，該范圍對應于以下界限在該界限內能夠防止由于石墨烯之間的反應引起的石墨烯的結構變化。
文檔編號B22F9/24GK102218540SQ20111012983
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月14日 優(yōu)先權日2010年4月14日
發(fā)明者林炳圭, 洪淳亨, 陳成奐, 黃載元 申請人:韓國科學技術院