專利名稱：薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料、其制備方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及一種薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料、其制備方法及應(yīng)用，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬粉體如Fe、N1、Cu及Ag等，具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，在抗靜電，電磁屏蔽，導(dǎo)電漿料，導(dǎo)熱劑，催化劑等方面有著廣泛的用途，然而金屬粉體存在成本高，化學(xué)性質(zhì)活潑，容易被氧化或腐蝕，因此使用壽命受到一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其具有良好的導(dǎo)熱、抗靜電、電磁屏蔽、抗氧化和防腐蝕性能，使用壽命長，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。本發(fā)明的另一目的在于提供一種制備前述薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法。本發(fā)明的又一目的在于提供前述薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:—種薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，包括薄層石墨烯搭橋并包覆的金屬粉體。進(jìn)一步的，所述金屬粉體包括過渡金屬粉體。所述薄層石墨烯包括層數(shù)為1-100層的石墨烯。一種薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法，包括:取過渡金屬粉體作為催化劑與薄層石墨烯混合，獲得薄層石墨烯搭橋的金屬粉體復(fù)合體系；或者，取過渡金屬粉體作為催化劑，并通過化學(xué)氣相沉積在催化劑表面生長薄層石墨烯，而后再與薄層石墨烯復(fù)合，獲得目標(biāo)產(chǎn)物；或者，取過渡金屬鹽和/或其水合物與過渡金屬氧化物和/或其水合物中的任意一種以上與薄層石墨烯混合，再經(jīng)過溶液或高溫還原，制得薄層石墨烯搭橋的金屬粉體復(fù)合體系。作為較佳的實(shí)施方案之一，該方法還可包括:通過化學(xué)氣相沉積在薄層石墨烯搭橋的金屬粉體復(fù)合體系內(nèi)的金屬粉體表面生長薄層石墨烯，獲得目標(biāo)產(chǎn)物。作為較佳的實(shí)施方案之一，所述催化劑的制備方法可包括:取過渡金屬鹽和/或其水合物與過渡金屬氧化物和/或其水合物中的任意一種以上作為原料，并經(jīng)過溶液或高溫還原后，獲得所述催化劑，且所述催化劑的粒徑為IOnm-1OO μ m。所述薄層石墨烯的層數(shù)為1-100層，徑向尺寸為lOnm-lmm，所述搭橋的薄層石墨烯可包括但不限于還原氧化石墨烯、氧化石墨烯、氟化石墨烯、插層膨脹石墨烯、帶孔石墨烯或液相解離的石墨烯，其中，所述插層膨脹石墨烯的膨脹工藝可包括但不限于微波膨脹、高溫膨脹、電化學(xué)膨脹或化學(xué)反應(yīng)膨脹。所述溶液還原是在包含分散劑和還原劑的反應(yīng)體系中進(jìn)行或在包含分散劑的反應(yīng)體系中利用電化學(xué)還原方式實(shí)現(xiàn)，其中，所述分散劑包括聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、十六烷基溴化銨、丙二醇，Triton X-100、十六烷基胺，三辛基磷氧或油酸，所述還原劑包括乙二醇、硼氫化鈉、硼氫化鈉、水合肼或抗壞血酸；所述高溫還原的工藝條件包括:反應(yīng)氣氛主要由氬氣和氫氣形成，反應(yīng)溫度為
100-1000°c。優(yōu)選的，所述反應(yīng)氣氛中IS氣和氫氣比例為0_500sccm:10_1000sccm。作為較佳的實(shí)施方案之一，所述化學(xué)氣相沉積的工藝條件包括:采用的碳源包括固相、液相或氣相碳源，生長溫度為400-1200°C，生長時間為30s-2h，生長壓力為ltorr-800torr,生長包覆的薄層石墨烯的層數(shù)為1-100層,其中，所述固相碳源包括聚合物、糖或無定形碳，所述聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯、聚乙二醇或聚二甲基硅氧烷，所述糖包括葡萄糖，蔗糖，果糖或纖維素，所述液相碳源包括小分子醇或芳香烴，所述小分子醇包括甲醇、乙醇或丙醇，所述氣相碳源包括甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、丙烷、一氧化碳或二氧化碳。如上所述薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料或如上方法制備的薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料在制備導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗靜電、電磁屏蔽材料、儲能材料、催化劑或合金材料中的應(yīng)用。一種復(fù)合材料，包括:上述薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料或上述方法制備的薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，以及聚合物，包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、環(huán)氧樹脂、硅橡膠、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸、酚醛樹月旨、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、橡膠樹脂、聚乙二醇、聚碳酸酯、聚酰亞胺或尼龍的一種以上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點(diǎn):提供了一種簡單薄層石墨烯搭橋并包覆金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其能有效增強(qiáng)金屬粉體的抗氧化性和防腐蝕性等，并使其兼具良好的導(dǎo)熱、抗靜電、電磁屏蔽性能，還能延長其使用壽命，同時降低體系成本，在抗靜電，熱管理，導(dǎo)熱散熱，電磁屏蔽，催化劑、燒結(jié)活化劑、導(dǎo)電漿料、電池、硬質(zhì)合金等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a和圖2b分別是實(shí)施例1中多層石墨烯包覆鎳顆粒的SEM圖；圖3是實(shí)施例2中多層石墨烯包覆鎳顆粒的Raman圖4是實(shí)施例2中多層石墨烯搭接并包覆鎳顆粒的SEM圖。
具體實(shí)施例方式如前所述，鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的一個方面旨在提供一種薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其包括薄層石墨烯搭橋并包覆的金屬粉體，其結(jié)構(gòu)可參閱圖1。進(jìn)一步的，所述金屬粉體可包括過渡金屬粉體，所述薄層石墨烯可包括層數(shù)為1-100層的石墨稀。本發(fā)明的另一個方面旨在提供一種制備前述薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法，其實(shí)施方案之一可包括:取過渡金屬氧化物、鹽及其水合物中的任意一種以上(亦可稱為催化劑前驅(qū)體)為原料經(jīng)過溶液或高溫還原后，制備出不同粒徑的金屬粉或直接采用不同粒徑的金屬粉為催化劑，將金屬催化劑與薄層石墨烯混合獲得薄層石墨烯搭橋的復(fù)合體系，或?qū)⒋藦?fù)合體系通過化學(xué)氣相沉積在催化劑表面生長薄層高質(zhì)量石墨烯?；蛳仍诖呋瘎┍砻嫔L薄層高質(zhì)量石墨烯，再與薄層石墨烯復(fù)合，制備出薄層石墨烯搭橋并包覆的金屬粉體；其另一實(shí)施方案可以包括:取過渡金屬氧化物、鹽及其水合物中的任意一種以上為原料與多層石墨烯混合后，經(jīng)過溶液或高溫還原，制備出薄層石墨搭橋的金屬粉復(fù)合體系，或進(jìn)一步將此復(fù)合體系通過化學(xué)氣相沉積在催化劑表面生長多層高質(zhì)量石墨烯，制備出薄層石墨烯搭橋并包覆的金屬粉體。前述催化劑可以包括過渡金屬單質(zhì)，而前述催化劑前驅(qū)體可以包括過渡金屬氧化物、鹽或其水合物，前述過渡金屬包括Fe，Cu，Co, Ni, Pt或Ru等過渡金屬。本發(fā)明的又一個方面旨在提供前述薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用方案，作為其中可行的實(shí)施方案之一，所述的應(yīng)用方案可以包括:將該復(fù)合結(jié)構(gòu)材料添加至樣合物中，作為導(dǎo)電，導(dǎo)熱膠，墊，膏，衆(zhòng)，涂料等應(yīng)用到導(dǎo)電，導(dǎo)熱，抗靜電，電磁屏蔽器件中。前述聚合物可以選自但不限于聚苯胺，聚吡咯，聚噻吩，環(huán)氧樹脂，硅橡膠，聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，高密度聚乙烯，聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯，聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，聚丙烯酸，酚醛樹脂，聚甲基丙烯酸甲酯，聚酰胺，橡膠樹脂，聚乙二醇，聚碳酸酯，聚酰亞胺，尼龍等及其混合物。以下結(jié)合若干較佳實(shí)施例及附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例1:將5g鎳粉放入石英管中，并通入気氣:IOOsccm,氫氣200sccml5min。將管式爐升到900°C，氣氛環(huán)境為:氫氣:200sccm,気氣:IOOsccm甲燒為:30sccm ;氣壓保持在:500torr，保持30min。待生長完畢后，通氬氣200sccm直到石英管冷卻，獲得多層石墨烯包覆的鎳粉，其形貌可參閱圖2a和圖2b和圖3。實(shí)施例2:將5g氯化鎳鎳粉與500mg膨脹石墨球磨混合后，放入石英管中，并通入IS氣:IOOsccm,氫氣200sccml5min。將管式爐升到900°C,氣氛環(huán)境為:氫氣:200sccm,氬氣:IOOsccm甲烷為:30sccm ;氣壓保持在:500torr，保持30min。待生長完畢后，通氬氣200sCCm直到石英管冷卻，獲得多層石墨烯搭接并包覆的鎳粉，其表征結(jié)果可參閱圖4。實(shí)施例3:將氯化鎳飽和溶液與氧化石墨烯溶液攪拌混合，冷凍干燥后，放入到管式爐中，600°C保持IOmin,氣氛環(huán)境為:氫氣:300sccm,気氣:100sccm。再將管式爐升到1000。。，在1000°C時保持lOmin，此時氣氛環(huán)境為:甲烷:30sccm，氫氣:200sccm，氬氣:200sccm,保持IOmin,將石英管取出冷卻至室溫,獲得石墨烯搭接并包覆的鎳粉。 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、改進(jìn)等，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，它包括薄層石墨烯搭橋并包覆的金屬粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，所述金屬粉體包括過渡金屬粉體，所述薄層石墨烯包括層數(shù)為1-100層的石墨烯。
3.—種薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于，包括: 取過渡金屬粉體作為催化劑與薄層石墨烯混合，獲得薄層石墨烯搭橋的金屬粉體復(fù)合體系； 或者，取過渡金屬粉體作為催化劑，并通過化學(xué)氣相沉積在催化劑表面生長薄層石墨烯，而后再與薄層石墨烯復(fù)合，獲得目標(biāo)產(chǎn)物； 或者，取過渡金屬鹽和/或其水合物與過渡金屬氧化物和/或其水合物中的任意一種以上與薄層石墨烯混合，再經(jīng)過溶液或高溫還原，制得薄層石墨烯搭橋的金屬粉體復(fù)合體系O
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于，該方法還包括: 通過化學(xué)氣相沉積在薄層石墨烯搭橋的金屬粉體復(fù)合體系內(nèi)的金屬粉體表面生長包覆薄層石墨稀，獲得目標(biāo)廣物。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于，所述催化劑的制備方法包括:取過渡金屬鹽和/或其水合物與過渡金屬氧化物和/或其水合物中的任意一種以上作為原料，并經(jīng)過溶液或高溫還原后，獲得所述催化劑，且所述催化劑的粒徑為IOnm-1OO μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于，所述薄層石墨烯的層數(shù)為1-100層，徑向尺寸為lOnm-lmm，所述搭橋的薄層石墨烯包括還原氧化石墨烯、氧化石墨烯、氟化石墨烯、插層膨脹石墨烯、帶孔石墨烯或液相解離的石墨烯，其中，所述插層膨脹石墨烯的膨脹工藝包括微波膨脹、高溫膨脹、電化學(xué)膨脹或化學(xué)反應(yīng)膨脹。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于，所述溶液還原是在包含分散劑和還原劑的反應(yīng)體系中進(jìn)行或在包含分散劑的反應(yīng)體系中利用電化學(xué)還原方式實(shí)現(xiàn)，其中， 所述分散劑包括聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、十六烷基溴化銨、丙二醇，Triton X-100、十六烷基胺，三辛基磷氧或油酸， 所述還原劑包括乙二醇、硼氫化鈉、硼氫化鈉、水合肼或抗壞血酸； 所述高溫還原的工藝條件包括:反應(yīng)氣氛主要由氬氣和氫氣形成，反應(yīng)溫度為100-1000°c。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于，所述化學(xué)氣相沉積的工藝條件包括:采用的碳源包括固相、液相或氣相碳源，生長溫度為400-1200°C，生長時間為30s-2h，生長壓力為ltorr_800torr，生長包覆的薄層石墨烯的層數(shù)為1-100層，其中， 所述固相碳源包括聚合物、糖或無定形碳，所述聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯、聚乙二醇或聚二甲基硅氧烷，所述糖包括葡萄糖，蔗糖，果糖或纖維素， 所述液相碳源包括小分子醇或芳香烴，所述小分子醇包括甲醇、乙醇或丙醇， 所述氣相碳源包括甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、丙烷、一氧化碳或二氧化碳。
9.權(quán)利要求1-2中任一項(xiàng)所述薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料或權(quán)利要求3-8中任一項(xiàng)所述方法制備的薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料在制備導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗靜電、電磁屏蔽材料、催化劑，儲能材料或合金材料中的應(yīng)用。
10.一種復(fù)合材料，其特征在于，包括: 權(quán)利要求1-2中任一項(xiàng)所述薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料或權(quán)利要求3-8中任一項(xiàng)所述方法制備的薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，以及 聚合物，包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、環(huán)氧樹脂、硅橡膠、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸、酚醛樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、橡膠樹脂、聚乙二醇、 聚碳酸酯、聚酰亞胺或尼龍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄層石墨烯/金屬粉體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料、其制備方法及應(yīng)用。該復(fù)合結(jié)構(gòu)材料包括薄層石墨烯搭橋并包覆的金屬粉體，其制備工藝包括取過渡金屬粉體或還原的過渡金屬粉體與薄層石墨烯混合，再通過化學(xué)氣相沉積在過渡金屬粉體表面生長包覆薄層石墨烯，獲得薄層石墨烯搭橋并包覆的金屬粉體；或者通過化學(xué)氣相沉積在過渡金屬粉體表面生長薄層石墨烯，而后再與薄層石墨烯復(fù)合獲得目標(biāo)產(chǎn)物。本發(fā)明工藝簡單，能增強(qiáng)金屬粉體的抗氧化性和防腐蝕性，并使其兼具良好導(dǎo)熱、抗靜電、電磁屏蔽性能及延長其使用壽命，同時降低成本，在抗靜電、熱管理、導(dǎo)熱散熱、電磁屏蔽、催化劑、燒結(jié)活化劑、導(dǎo)電漿料、電池、硬質(zhì)合金等方面具有廣闊應(yīng)用前景。
文檔編號B22F9/24GK103192072SQ20131008733
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者劉立偉, 李偉偉, 高嵩, 邱勝強(qiáng), 郭玉芬, 徐建寶, 朱超, 魏相飛 申請人:蘇州格瑞豐納米科技有限公司