一种金属石墨烯复合材料及其制备方法、应用和石墨烯前驱体与流程

本技术涉及导体材料，具体而言，涉及一种金属石墨烯复合材料及其制备方法、应用和石墨烯前驱体。

背景技术：

1、金属导体因具有较好的导电性、导热性、延展性等性能，而被广泛应用于电力、交通运输、工业装备及电子信息等领域。但是，近年来，随着能源与环境问题日益严峻以及高新技术的发展，对金属导体的导电性、导热性、稳定性等性能提出了更高的要求。

2、石墨烯是一种二维晶体材料，具有诸多优点，比如高导电、高导热、高强度、柔韧度高、化学惰性强、优良的气体阻隔性能等，使得石墨烯在诸多方面具有很大的应用前景。现有技术中，通常采用气相沉积法将石墨烯与金属导体复合，例如在铜粉表面气相沉积石墨烯层，然后将含有石墨烯层的铜粉通过热压、烧结等工艺制成导体，以期获得兼顾金属和石墨烯共同优异性能的新材料。

3、然而，现有的金属石墨烯复合导体的导电性较差，有待进一步提高。

技术实现思路

1、本技术提供一种金属石墨烯复合材料及其制备方法和应用，以提高金属石墨烯复合导体的导电性。

2、本技术的实施例是这样实现的：

3、第一方面，本技术实施例提供一种金属石墨烯复合材料的制备方法，包括：

4、提供铜粉；

5、提供石墨烯前驱体，所述石墨烯前驱体为氧化石墨烯-氧化镍复合物；

6、将所述铜粉与所述氧化石墨烯-氧化镍复合物在表面活性剂作用下混合，并在第一温度下加热，得到包覆有氧化石墨烯-氧化镍复合物的铜粉；

7、将包覆有氧化石墨烯-氧化镍复合物的铜粉置于惰性气体氛围中，通入氢气并在第二温度下加热包覆有氧化石墨烯-氧化镍复合物的铜粉，然后降温得到包覆有石墨烯层的铜粉，所述石墨烯层分布有多个连接铜粉的镍铜碳共熔结构。

8、在本技术的一种实施例中，所述表面活性剂包括苯甲酸、芳香族烷基氧基醚中的至少一种。

9、在本技术的一种实施例中，所述第一温度为80-100℃；和/或，在所述第一温度下加热6-12h。

10、在本技术的一种实施例中，所述第二温度为980-1050℃；和/或，在所述第二温度下加热15-30min。

11、在本技术的一种实施例中，降温速率为8-20℃-min。

12、在本技术的一种实施例中，将所述铜粉与所述氧化石墨烯-氧化镍复合物在表面活性剂作用下混合的方式为：

13、将铜粉置于表面活性剂溶液中，再添加氧化石墨烯-氧化镍复合物。

14、在本技术的一种实施例中，所述表面活性剂的质量浓度为0.2-0.5％。

15、在本技术的一种实施例中，所述铜粉的添加量为0.05-0.5g/ml；

16、和/或，所述氧化石墨烯-氧化镍复合物的添加量为(0.1-1)×10-3g/ml。

17、在本技术的一种实施例中，在第三温度下，采用pecvd法对所述石墨烯层进行缺陷修复。

18、在本技术的一种实施例中，所述第三温度为500-550℃。

19、在本技术的一种实施例中，所述氧化石墨烯-氧化镍复合物采用以下步骤制得：

20、将氧化石墨烯溶于水并分散均匀，得到氧化石墨烯水溶液；

21、将乙酸镍溶于水，溶解充分得到乙酸镍溶液；

22、将所述乙酸镍溶液加入所述氧化石墨烯水溶液，充分搅拌并调节ph值，得到碱性混合液；

23、将所述碱性混合液在第四温度下加热，得到不溶物，在第五温度下加热所述不溶物，得到氧化石墨烯包裹氧化镍形成的核壳结构的氧化石墨烯-氧化镍复合物。

24、在本技术的一种实施例中，所述氧化石墨烯-氧化镍复合物的制备步骤包括以下特征中的至少一个：

25、(1)所述氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的浓度为0.01-0.05g/ml；

26、(2)所述乙酸镍溶液中乙酸镍的浓度为(0.01-0.1)×10-3mmol/l；

27、(3)所述碱性溶液的ph值为10-12；

28、(4)所述第四温度为80-120℃；

29、(5)将所述碱性混合液在第四温度下加热10-12h；

30、(6)所述第五温度为200-300℃；

31、(7)在所述第五温度下加热所述不溶物10-14h；

32、(8)在所述第五温度下加热所述不溶物的环境为：空气环境。

33、在本技术的一种实施例中，将所述具有石墨烯层的铜粉进行热压烧结。

34、第二方面，本技术实施例提供一种金属石墨烯复合材料，其包括：

35、基材，所述基材包括铜；

36、包覆层，包覆于所述基材的表面，所述包覆层包括石墨烯层和多个镍铜碳共熔结构，所述多个镍铜碳共熔结构分散布置在所述基材的表面，并连接所述石墨烯层与所述基材。

37、在一些实施例中，所述石墨烯层的层数为3-10层；

38、和/或，所述镍铜碳共熔结构在所述基材表面的分布密度为5-30个/cm2。

39、第三方面，本技术实施例提供一种金属石墨烯复合材料的石墨烯前驱体，用于制备第二方面中提供的金属石墨烯复合材料，所述石墨烯前驱体包括氧化石墨烯和氧化镍，所述氧化石墨烯包裹所述氧化镍形成核壳结构的氧化石墨烯-氧化镍复合物。

40、在本技术的一种实施例中，所述氧化石墨烯与所述氧化镍的质量比为25：1。

41、第四方面，本技术实施例提供一种第二方面中的金属石墨烯复合材料作为电线、电缆、电接触头、电池连接件或导体的应用。

42、有益效果：

43、本技术提供的制备方法，改变石墨烯的沉积方式，通过提供核壳结构的氧化石墨烯-氧化镍复合物作为石墨烯前驱体，将氧化石墨烯-氧化镍复合物在表面活性剂和第一温度的条件下稳定地包覆在铜粉的表面，实现在铜粉的表面引入极少量的、分散的镍离子，然后在惰性气体、氢气条件和第二温度条件下，将氧化石墨烯原位还原为石墨烯层，将表面活性剂碳化并转化为石墨烯以弥补石墨烯层上的缺陷，同时还原氧化镍并利用镍与铜、碳均互熔的特性，形成多个镍-铜-碳的共熔结构，这些共熔结构分散地分布在石墨烯形成的网状结构包覆层上，作为固定连接点，将石墨烯的包覆层固定在铜粉的表面，提高石墨烯层抵抗外力的能力。

44、其中，通过先将氧化石墨烯和氧化镍制备成核壳结构的氧化石墨烯-氧化镍复合物，使得氧化镍、氧化石墨烯易于在表面活性剂中分散，该核壳结构的复合物作为石墨烯前驱体，在表面活性剂和第一温度的条件下，能够吸附在铜粉的表面并形成铜-氧-碳键构成氧化石墨烯-氧化镍复合物与铜粉的稳定连接结构，且保证氧化石墨烯-氧化镍复合物的分散性和均匀性，有利于后续形成分散的镍铜碳共熔结构。

45、经过表面活性剂作用和第一温度加热的作用，铜粉表面包覆的氧化石墨烯-氧化镍复合物稳定附着且分散均匀，进一步通过将包覆有氧化石墨烯-氧化镍复合物的铜粉在第二温度下加热，使得第二温度下形成的石墨烯层相对均匀，第二温度下形成的极少量镍相对分散且均匀地分布在铜粉表面，从而在铜粉表面形成相对均匀、分散的镍铜碳共熔结构(石墨烯-镍-铜复合物)，这些镍铜碳共熔结构作为多个固定连接点，起到钉子的作用，将石墨烯层更好地固定在铜粉表面。

46、同时，在惰性气体和氢气条件下，表面活性剂在第二温度下碳化并作为碳源，转化为石墨烯沉积在铜粉表面，实现去杂，并对有缺陷的石墨烯进行一次修复。

47、由于镍还能够在高温下吸附碳，降温时，在固定连接点附近释放碳，形成石墨烯，再次对有缺陷的石墨烯进行一次修复。

48、另外，还通过在第三温度下，采用pecvd法对石墨烯层进行缺陷修复，又一次修复石墨烯，使得石墨烯的网状结构更完整、稳定。