石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種易操作，低成本的石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法。此方法能夠有效解決現(xiàn)有的制備石墨烯強(qiáng)化金屬基復(fù)合粉末方法的諸多限制，所生產(chǎn)的石墨烯強(qiáng)化金屬基復(fù)合粉末能夠適用于傳統(tǒng)粉末冶金以及多種增材制造過(guò)程。該方法能夠?qū)螌踊蛏賹邮┚鶆虻陌苍诮饘倩w粉末的表面，金屬基體粉末與石墨烯結(jié)合牢靠，不易脫落，并且該方法適用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】
石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法。
技術(shù)背景
[0002]石墨稀(graphene)最早由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Novoselov等人在2004年用膠帶剝離高定向熱解石墨的方法獲得，它是由碳原子緊密堆積的二維蜂型晶格結(jié)構(gòu)的新型材料。其按照層數(shù)可以分為單層石墨烯和多層石墨烯，厚度一般在10nm以下。自從石墨烯被人工制備以來(lái)，它成為了物理和材料學(xué)界的重點(diǎn)研究話題，引起的學(xué)者和工業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。石墨烯是目前世界上已知的最薄的材料，它擁有許多極其優(yōu)異的物理性質(zhì)，例如透光率尚達(dá)97.7%，導(dǎo)熱系數(shù)尚，電子遷移率尚，電阻率是已知材料最小，室溫下也可呈現(xiàn)霍爾效應(yīng)。同時(shí)比表面積大，強(qiáng)度，彈性模量，導(dǎo)熱率可超過(guò)金剛石。由于這些優(yōu)異的性質(zhì)，石墨烯可被應(yīng)用于:I)體積更小，導(dǎo)電效率更高的電子器件，晶體管等；2)精度，靈敏度更高的光學(xué)，氣體，溫度傳感器等;3)新型能源如太陽(yáng)能光板，新型電極材料等;4)機(jī)械性能更優(yōu)異的復(fù)合材料等等。
[0003]為了有效利用石墨烯的一系列優(yōu)異性能，國(guó)際上已有一系列制備包含石墨烯的金屬或陶瓷基復(fù)合粉末的技術(shù)，并應(yīng)用于各種領(lǐng)域。采用反應(yīng)液化學(xué)合成是其中一個(gè)主要方法，例如，CN102130334A提出了將鐵鹽溶液與氧化石墨烯混合溶液在反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，干燥反應(yīng)產(chǎn)物即得到石墨烯鐵氧化物復(fù)合材料;CN101937985A將氧化石墨烯與鈦源按不同比例混合，攪拌至均勻，通過(guò)液相法合成氧化石墨烯/ 二氧化鈦復(fù)合材料并通過(guò)還原反應(yīng)獲得石墨烯/ 二氧化鈦復(fù)合顆粒，該復(fù)合材料可用于電池負(fù)極材料;該類方法的主要缺陷在于產(chǎn)量較少，可進(jìn)行反應(yīng)的材料有限，反應(yīng)條件難以控制。電化學(xué)法也是制取含石墨烯復(fù)合顆粒的主要技術(shù)之一，CN102174702提出了一種制備金屬納米粒子-石墨烯復(fù)合物的方法，其原理為將導(dǎo)電基底和工作電極置入含有氧化石墨烯和金屬化合物的水分散液中并將氧化石墨烯和金屬化合物沉積在工作電極表面;CN 201410759742描述了通過(guò)電泳辦法在石墨烯陰極表面沉積鎳獲取石墨烯復(fù)合材料顆粒的辦法;采用電化學(xué)辦法雖然能夠得到更多種類的含石墨烯復(fù)合材料顆粒，且分散效果較好，但存在產(chǎn)量很低，顆粒尺寸無(wú)法控制，且消耗大量電能的弊端。球磨法機(jī)械混合是另外一種制備石墨烯/金屬?gòu)?fù)合粉末的方法，例如，CN104862508A描述了將鋁合金粉末添加到石墨烯溶液中，然后裝入球磨灌進(jìn)行機(jī)械球磨，球磨時(shí)間為20?40小時(shí)，球磨結(jié)束后將混合溶液裝入燒杯置于烘箱中烘干，得到石墨烯/鋁合金復(fù)合粉末可用于后續(xù)的粉末成型過(guò)程;W02015149385A1描述了將單分散的石墨烯溶液與金屬粉末混合后進(jìn)行球磨，然后將混合粉末裝入包套并密封的過(guò)程，所得產(chǎn)品可用于熱等靜壓制造金屬板材，雖然球磨混合的辦法能夠適用于混合大多數(shù)種類的金屬粉末和石墨烯，且產(chǎn)量較高，但它們往往存在著制備過(guò)程繁瑣，高能耗，耗時(shí)長(zhǎng)等等缺點(diǎn)。另外，球磨過(guò)程中磨球?qū)w粉末和石墨烯的破壞作用也會(huì)使復(fù)合粉末的質(zhì)量下降。而且，在烘干和運(yùn)輸過(guò)程中石墨烯的再次團(tuán)聚也會(huì)影響石墨烯在復(fù)合粉末的均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是提供一種易操作、低成本、效率高的石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法，用此方法生產(chǎn)的石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末能夠有效避免制備過(guò)程中對(duì)基體粉末或石墨烯的物理?yè)p傷，并且獲得石墨烯在基體粉末中的均勻分布。
[0005]本發(fā)明的石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法，包括以下步驟:
1、將清洗并干燥后的金屬粉末置于石英管中，石英管置于管式電爐中；
2、向石英管通入非氧化性氣體或抽真空至10—3Pa至常壓，并升溫至適宜石墨烯沉積的溫度600 °C-1500 °C;
3、向石英管內(nèi)通入碳源氣體，金屬粉末表面開(kāi)始沉積石墨烯；
4、沉積過(guò)程中以轉(zhuǎn)速0.3-20轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)石英管，使粉末混合均勻；
5、反應(yīng)進(jìn)行30-180分鐘后，停止通入碳源氣體，同時(shí)關(guān)閉管式電爐，保持通入非氧化氣體，并使溫度降至室溫；
6、將所得粉末從石英管取出，并進(jìn)行篩分和包裝。
[0006]所述的金屬粉末為金、銀、銅、鋅、鐵、鈷和鎳中的一種或任意組合，通常一次可處理的粉末重量可達(dá)1-5 Kg0
[0007]所述的石英管內(nèi)壁有4至16片攪拌葉片用于均勻攪拌粉末，攪拌葉片由反應(yīng)腔內(nèi)壁面向軸心延伸。
[0008]所述的非氧化氣體為惰性氣體、氫氣。
[0009]所述的碳源氣體為一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、環(huán)己烷中的一種或任意組合。
[0010]本發(fā)明的石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法易操作、成本低、效率高，且能有效避免制備過(guò)程中對(duì)基體粉末或石墨烯的物理?yè)p傷，所獲得的石墨烯在基體粉末中的均勻分布;此法所生產(chǎn)的墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末中，單層或少層石墨烯均勻的分布在金屬顆粒表面或者完全包覆金屬顆粒，適用于傳統(tǒng)粉末冶金應(yīng)用和增材制造領(lǐng)域，能夠明顯提高產(chǎn)品的材料強(qiáng)度、楊氏模量、延展性、抗磨損性能等。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明的石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的生產(chǎn)設(shè)備示意圖；
圖2為圖1中石英管橫截面示意圖；
1、管式電爐，2、石英管，3、抽真空閥門，4、廢氣排出孔，5、攪拌葉片，6、金屬基體粉末，
7、轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置，8、反應(yīng)氣體流入孔。
【具體實(shí)施方式】
[0012]—種石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法，具體步驟如下:
1、將3Kg銅粉末依次用去離子水、乙醇、丙酮超聲清洗后并在50至80°C下烘干，將獲得的銅粉末置于潔凈的石英管中間部位；
2、將石英管放入管式電爐中，石英管中間部位與管式電爐中間部位對(duì)齊，開(kāi)始加熱，升溫速率每分鐘25°C，向石英管通入非氧化氣體60分鐘，氣流速率為50 sccm，同時(shí)抽真空至合適氣壓10—1Pa;
3、當(dāng)石英管中部區(qū)域的溫度達(dá)到1100-1200°C時(shí)，維持反應(yīng)氣壓，向石英管內(nèi)以50sccm通入一氧化碳和乙炔，使石墨稀開(kāi)始沉積在銅粉末表面；
4、沉積過(guò)程中，石英管交替向正負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)180°，每3分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)一次；
5、反應(yīng)進(jìn)行40分鐘后，停止通入碳源氣體，同時(shí)關(guān)閉電爐，保持通入非氧化氣體，并使溫度降至室溫；
6、將所得粉末從石英管取出，并進(jìn)行篩分和包裝，所獲得的石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末形狀為球形，石墨烯厚度100 nm以下，含氧量低于2000 ppm。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法，其特征在于:它包括以下步驟: (1)、將清洗并干燥后的金屬粉末置于石英管中，石英管置于管式電爐中； (2)、向石英管通入非氧化性氣體或抽真空至10—3Pa至常壓，并升溫至適宜石墨烯沉積的溫度600 °C-1500 °C; (3 )、向石英管內(nèi)通入碳源氣體，金屬粉末表面開(kāi)始沉積石墨烯； (4)、沉積過(guò)程中以轉(zhuǎn)速0.3-20轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)石英管，使粉末混合均勻； (5)、反應(yīng)進(jìn)行30-180分鐘后，停止通入碳源氣體，同時(shí)關(guān)閉管式電爐，保持通入非氧化氣體，并使溫度降至室溫； (6)、將所得粉末從石英管取出，并進(jìn)行篩分和包裝。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法，其特征在于:所述的金屬粉末為金、銀、銅、鋅、鐵、鈷和鎳中的一種或任意組合。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法，其特征在于:所述的非氧化氣體為惰性氣體、氫氣。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨稀包覆金屬基復(fù)合粉末的氣相沉積制備方法，其特征在于:所述的碳源氣體為一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、環(huán)己烷中的一種或任意組合。
【文檔編號(hào)】C23C16/26GK106077622SQ201610437344
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月20日
【發(fā)明人】王亞超, 石京
【申請(qǐng)人】石京