一種高導(dǎo)熱石墨烯/鈦復(fù)合材料及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種高導(dǎo)熱石墨烯/鈦復(fù)合材料的制備方法，通過(guò)電化學(xué)還原工藝在鈦或鈦合金基板表面制備石墨烯薄膜，形成石墨烯/鈦復(fù)合材料。本發(fā)明專利技術(shù)的制備方法簡(jiǎn)單、可靠、操作性強(qiáng)，且不使用化學(xué)還原劑，減少了化學(xué)藥品的污染，將還原和成膜過(guò)程一步完成，而且所制備的石墨烯薄膜致密、均勻、厚度可控。利用這種方法制備的石墨烯/鈦復(fù)合材料的熱導(dǎo)率顯著提高，可進(jìn)一步提高鈦或鈦合金的應(yīng)用范圍。

High thermal conductivity graphene / titanium composite material and preparation method thereof

The invention provides a preparation method of a high thermal conductivity graphene / titanium composite material, wherein graphene film is prepared on the surface of a titanium or titanium alloy substrate by electrochemical reduction process to form a graphene / titanium composite material. The preparation method of the invention is simple, reliable and feasible, and does not use the chemical reducing agent, reducing chemical pollution, will be reduced and the film-forming process in one step, and the prepared graphene film prepared uniform and controllable thickness. The thermal conductivity of the graphene / titanium composite prepared by this method is remarkably improved, and the range of application of Ti or Ti alloy can be further improved.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種高導(dǎo)熱石墨烯/鈦復(fù)合材料及其制備方法
本專利技術(shù)涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種高導(dǎo)熱石墨烯/鈦復(fù)合材料及其制備方法。
技術(shù)介紹
鈦和鈦合金因?yàn)槠渚哂懈邚?qiáng)度、低密度以及耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車等領(lǐng)域。但是鈦和鈦合金的導(dǎo)熱性能較差，其室溫?zé)釋?dǎo)率僅有5-21W/(m·K)，大大限制了其應(yīng)用范圍。如果能提高鈦和鈦合金的熱導(dǎo)率，則其應(yīng)用范圍會(huì)更廣。石墨烯是一類新型的二維材料，因?yàn)槠鋬?yōu)異的力、熱、光、電等性能，而廣受關(guān)注。石墨烯的理論熱導(dǎo)率為3000-5000W/(m·K)，實(shí)驗(yàn)報(bào)道值超過(guò)1000W/(m·K)，導(dǎo)熱性能非常優(yōu)異。已經(jīng)有各類研究，將石墨烯與高分子、金屬和陶瓷基體復(fù)合，提高基體的導(dǎo)熱性能。2010年，K.Jagannadham等報(bào)道，將石墨烯添加到銦和銦-鎵體系，復(fù)合后體系的熱導(dǎo)率提高2-3倍（K.Jagannadham,JournalofElectronicMaterials,2010,40,25-34）。2014年，P.Goli等在銅箔表面生長(zhǎng)石墨烯，復(fù)合后銅箔的熱導(dǎo)率提高24%（P.Goli,H.Ning,X.Li,C.Y.Lu,K.S.NovoselovandA.A.Balandin,NanoLetters,2014,14,1497-1503）。為提高鈦和鈦合金的熱導(dǎo)率，已有學(xué)者將石墨烯與鈦或鈦合金復(fù)合。例如，2014年，Zheng,H等通過(guò)磁控濺射鈦層，同時(shí)在表面浸涂化學(xué)還原好的石墨烯，反復(fù)多次，制備成石墨烯/鈦復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率由21W/(m·K)，提高到40W/(m·K)。但該方法較為復(fù)雜，石墨薄層的厚度也難以控制（H.ZhengandK.Jaganandham,JournalofHeatTransfer,2014,136,061301-061301）。石墨烯的制備方法有多種，包括化學(xué)氣相沉積法、物理剝離法、氧化還原法等。其中氧化還原法是指先制備氧化石墨烯，然后通過(guò)化學(xué)試劑還原或者通過(guò)電化學(xué)還原得到石墨烯。本專利技術(shù)采用電化學(xué)還原氧化石墨烯的方法，在鈦或者鈦合金表面直接制備石墨烯薄膜，來(lái)提高鈦和鈦合金的熱導(dǎo)率。本專利技術(shù)所公開(kāi)的方法與已報(bào)道的各類鈦/石墨烯復(fù)合的方法有著明顯的不同。如申請(qǐng)專利技術(shù)專利（申請(qǐng)?zhí)枺?01510125804.9，一種石墨烯/鈦復(fù)合材料及其制備方法）是通過(guò)球磨鈦粉和氧化石墨烯粉，然后冷凍干燥和燒結(jié)來(lái)制備石墨烯/鈦復(fù)合材料。如申請(qǐng)專利技術(shù)專利（申請(qǐng)?zhí)?01510685207.1，一種石墨烯增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料及其制備方法）是通過(guò)球磨石墨烯和鈦粉，干燥后，熱壓燒結(jié)得到石墨烯增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。如申請(qǐng)專利技術(shù)專利（申請(qǐng)?zhí)枺?01510341808.0，一種石墨烯紙的制備方法）是通過(guò)溶劑蒸發(fā)的方法先在基底（銅片、ITO玻璃或Pt片）上生成氧化石墨烯膜，再采用雙電極體系，以凝膠為電解質(zhì)，在-10V～0V電位范圍內(nèi)進(jìn)行電化學(xué)還原，隨后，浸泡、晾干、壓平，得到石墨烯紙。如授權(quán)專利技術(shù)專利（授權(quán)公開(kāi)號(hào)，CN104140096B，一種石墨烯卷的制備方法）是以氧化石墨烯為前驅(qū)體，兩電極采用表面光滑的銅片，先選擇電壓為10～30V，進(jìn)行正極吸附，再轉(zhuǎn)換電壓方向，選擇電壓為60～80V，進(jìn)行負(fù)極還原反應(yīng)，隨后酸洗、去離子水清洗，再超聲處理得到具有卷曲褶皺結(jié)構(gòu)的石墨烯卷。如授權(quán)專利技術(shù)專利（授權(quán)公開(kāi)號(hào)，CN103208373B，石墨烯電極及其制備方法與應(yīng)用）是以氧化石墨烯為原料，但不調(diào)節(jié)氧化石墨烯的pH值，在拋光的金、鎳、鋁或不銹鋼基板上，通過(guò)恒電位短時(shí)間還原（6-50秒），隨后再在高氯酸鋰水溶液中進(jìn)一步還原，經(jīng)去離子水沖洗后，得到孔徑為5-20微米、厚度為10-60微米的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)石墨烯，用做超級(jí)電容器等的電極。本專利技術(shù)與上述專利（授權(quán)公開(kāi)號(hào)，CN103208373B，石墨烯電極及其制備方法與應(yīng)用）有著明顯的不同，表現(xiàn)在如下方面：（1）膠體性質(zhì)和基板不同，CN103208373B專利不調(diào)節(jié)氧化石墨烯膠體的pH值，不添加電解質(zhì)，采用拋光的金、鎳、鋁或不銹鋼為基板，而本專利技術(shù)調(diào)節(jié)pH值，而且添加NaCl或Na2SO4以增加體系的導(dǎo)電性，采用鈦或者鈦合金為基板，這樣石墨烯的質(zhì)量更高；（2）電化學(xué)還原工藝不同，CN103208373B專利采用恒電位短時(shí)間（5-60秒）還原，而本專利技術(shù)采用連續(xù)電位掃描（0～-1.6V）多循環(huán)較長(zhǎng)時(shí)間還原，這樣氧化石墨烯還原的更充分；（3）電化學(xué)還原后處理工藝不同，CN103208373B專利在電化學(xué)反應(yīng)后還要求產(chǎn)物繼續(xù)在高氯酸鋰溶液中進(jìn)行還原反應(yīng)，而本專利技術(shù)不需要；（4）石墨烯形態(tài)不同，CN103208373B專利的石墨烯產(chǎn)物為疏松的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，厚度10-60微米，主要應(yīng)用于超級(jí)電容器電極，而本專利技術(shù)制備的石墨烯為致密、均勻的薄膜狀，厚度0.4-2.0微米，主要為提高基板的熱導(dǎo)率。在制備鈦/石墨烯復(fù)合材料時(shí)，現(xiàn)有方法工藝較為復(fù)雜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝簡(jiǎn)單、可靠、操作性強(qiáng)，不使用化學(xué)還原劑，且石墨烯膜致密、均勻、厚度可控，熱導(dǎo)率更高的石墨烯/鈦復(fù)合材料及其制備方法。為了達(dá)到上述的目的，本專利技術(shù)公開(kāi)了一種高導(dǎo)熱石墨烯/鈦復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：S101，配置氧化石墨烯膠體：配置氧化石墨烯膠體，調(diào)節(jié)其pH值，并向氧化石墨烯膠體中添加一定量的電解質(zhì)；S102，電化學(xué)還原氧化石墨烯：采用電化學(xué)還原氧化石墨烯的方法，在鈦或鈦合金基板上制備石墨烯薄膜；S103，沖洗石墨烯薄膜：沖洗鈦或鈦合金基板表面的石墨烯薄膜；S104，干燥：在一定溫度下，干燥一定時(shí)間，即得到石墨烯/鈦復(fù)合材料。進(jìn)一步地，上述石墨烯/鈦復(fù)合材料的制備方法中，所述S101步驟中配置的氧化石墨烯膠體的濃度為7-35mg/mL。進(jìn)一步地，上述石墨烯/鈦復(fù)合材料的制備方法中，所述S101步驟中使用氨水或者氫氧化鈉的一種或者兩種調(diào)節(jié)氧化石墨烯膠體的pH值，且調(diào)節(jié)后的pH值為6.5-7。進(jìn)一步地，上述石墨烯/鈦復(fù)合材料的制備方法中，所述S101步驟中所用的電解質(zhì)為氯化鈉或硫酸鈉的一種或者兩種，且其在氧化石墨烯膠體中的濃度為0.05-0.1摩爾/升。進(jìn)一步地，上述石墨烯/鈦復(fù)合材料的制備方法中，所述S102步驟中，使用三電極體系的電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)還原，工作電極為鈦或鈦合金基板，對(duì)電極為石墨或鉑，參比電極為飽和甘汞電極，所述三個(gè)電極都置于S101配置的氧化石墨烯膠體中。進(jìn)一步地，上述石墨烯/鈦復(fù)合材料的制備方法中，所述S102步驟中，電化學(xué)還原時(shí)，采用連續(xù)電位掃描，掃描速度為3-10mV/s，電壓窗口為0～-1.6V，循環(huán)次數(shù)為5-20次。進(jìn)一步地，上述石墨烯/鈦復(fù)合材料的制備方法中，所述S103步驟中所用的清洗劑為去離子水、無(wú)水乙醇的一種或者兩種。進(jìn)一步地，上述石墨烯/鈦復(fù)合材料的制備方法中，所述S104步驟中的干燥是自然干燥，干燥溫度為20-40℃，干燥時(shí)間為0.5-10小時(shí)。本專利技術(shù)還公開(kāi)了一種高導(dǎo)熱石墨烯/鈦復(fù)合材料，其是由上文所述方法之一制備得到的，且所述石墨烯在鈦或鈦合金基板的表面形成致密、均勻、厚度可控的薄膜狀結(jié)構(gòu)，薄膜厚度為400~2000nm；且所述石墨烯/鈦復(fù)合材料的熱導(dǎo)率比鈦或鈦合金基板的熱導(dǎo)率提高20-80%。本專利技術(shù)采用電化學(xué)還原氧化石墨烯工藝本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種高導(dǎo)熱石墨烯/鈦復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：S101，配制氧化石墨烯膠體：配制氧化石墨烯膠體，調(diào)節(jié)其pH值，并向氧化石墨烯膠體中添加一定量的電解質(zhì)；S102，電化學(xué)還原氧化石墨烯：采用電化學(xué)還原氧化石墨烯的方法，在鈦或鈦合金基板上制備石墨烯薄膜；S103，沖洗石墨烯薄膜：沖洗鈦或鈦合金基板表面的石墨烯薄膜；S104，干燥：在一定溫度下，干燥一定時(shí)間，即得到高導(dǎo)熱的石墨烯/鈦復(fù)合材料。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種高導(dǎo)熱石墨烯/鈦復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：S101，配制氧化石墨烯膠體：配制氧化石墨烯膠體，調(diào)節(jié)其pH值，并向氧化石墨烯膠體中添加一定量的電解質(zhì)；S102，電化學(xué)還原氧化石墨烯：采用電化學(xué)還原氧化石墨烯的方法，在鈦或鈦合金基板上制備石墨烯薄膜；S103，沖洗石墨烯薄膜：沖洗鈦或鈦合金基板表面的石墨烯薄膜；S104，干燥：在一定溫度下，干燥一定時(shí)間，即得到高導(dǎo)熱的石墨烯/鈦復(fù)合材料。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述S101步驟中配置的氧化石墨烯膠體的濃度為7-35mg/mL。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述S101步驟中使用氨水、氫氧化鈉的一種或者兩種調(diào)節(jié)氧化石墨烯膠體的pH值，且調(diào)節(jié)后的pH值為6.5-7。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述S101步驟中所用的電解質(zhì)為氯化鈉或硫酸鈉的一種或者兩種，且其在氧化石墨烯膠體中的濃度為0.05-0.1摩爾/升。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述S102步驟中...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王華濤，王靜，張文英，楊新異，鐘博，周薇薇，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山東,37