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一种电爆炸喷雾制备石墨烯-铝合金复合材料的方法 0 0

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申请进展

基本信息

申请人信息

代理人信息

摘要

法律状态

权利要求

说明书

专利申请流程有哪些步骤？

申请

申请号：指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。

申请日：提出专利申请之日。

2017-06-15

申请公布

申请公布指发明专利申请经初步审查合格后，自申请日（或优先权日）起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。

申请公布号：专利申请过程中，在尚未取得专利授权之前，国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。

申请公布日：申请公开的日期，即在专利公报上予以公开的日期。

2017-11-28

授权

授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由，授予发明专利权；或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由，授予实用新型专利权或外观设计专利权。

2019-03-22

预估到期

发明专利权的期限为二十年，实用新型专利权期限为十年，外观设计专利权期限为十五年，均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。

2037-06-15

基本信息

有效性	有效专利	专利类型	发明专利
申请号	CN201710450191.5	申请日	2017-06-15
公开/公告号	CN107309435B	公开/公告日	2019-03-22
授权日	2019-03-22	预估到期日	2037-06-15
申请年	2017年	公开/公告年	2019年
缴费截止日
分类号	B22F9/14 、B33Y70/00	主分类号	B22F9/14
是否联合申请	独立申请	文献类型号	B
独权数量	1	从权数量	4
权利要求数量	5	非专利引证数量	0
引用专利数量	9	被引证专利数量	0
非专利引证
引用专利	CN104925789A、CN105112703A、CN104964608A、KR20100047908A、WO2010024475A1、CN104399996A、CN104891457A、CN101745639A、CN104925788A	被引证专利
专利权维持	5	专利申请国编码	CN
专利事件	转让	事务标签	公开、实质审查、授权、权利转移

申请人信息

申请人	成都新柯力化工科技有限公司	第一申请人	成都新柯力化工科技有限公司
专利权人	成都新柯力化工科技有限公司	当前专利权人	商河县寰宇智能科技中心
发明人	陈庆、王镭迪、曾军堂	第一发明人	陈庆
地址	四川省成都市青羊区蛟龙工业港东海路4座	邮编	610091
申请人数量	1	发明人数量	3
申请人所在省	四川省	申请人所在市	四川省成都市

代理人信息

代理机构

专利代理机构是经省专利管理局审核，国家知识产权局批准设立，可以接受委托人的委托，在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。

代理人

专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务，取得一定资格的人。

摘要

本发明提出一种电爆炸喷雾制备石墨烯‑铝合金复合材料的方法，将铝合金连接在电极上，通过将石墨粉高压喷雾至电极，脉冲大电流发生持续放电，将铝合金爆炸瞬时形成高温、高压熔融粒子，同时石墨被解裂为石墨烯，在高压冲击波作用下石墨烯与铝合金分散并快速冷却形成超细、高结合强度的超细石墨烯‑铝合金复合材料。本发明提供上述方案能够实现在不需要完全熔化铝合金条件下直接将石墨烯分散于铝合金，并且获得铝合金中石墨烯分散性较高，得到的石墨烯‑铝合金复合材料具有轻质、高强度、高模量的性能特点，在军工的航空航天领域、轻型汽车、体育器材领域具有重要的作用。进一步能够推动石墨烯产业化发展。

摘要附图

法律状态

序号	法律状态公告日	法律状态	法律状态信息
1	2022-07-22	专利权的转移	登记生效日: 2022.07.08 专利权人由李纲变更为商河县寰宇智能科技中心地址由102200 北京市昌平区立汤路175号新华未来城大厦A座4层423变更为250000 山东省济南市商河县孙集工业园区
2	2019-03-22	授权
3	2017-11-28	实质审查的生效	IPC(主分类): B22F 9/14 专利申请号: 201710450191.5 申请日: 2017.06.15
4	2017-11-03	公开

权利要求

权利要求书是申请文件最核心的部分，是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。

1.一种电爆炸喷雾制备石墨烯-铝合金复合材料的方法，采用石墨粉作为原料，铝合金电极作为铝源，包括以下步骤：
（1）清洗石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干备用；
（2）采用研磨设备研磨石墨粉，得到超细石墨粉；
（3）将所述超细石墨粉用高压气流雾化，喷向预先设置的两电极之间，所述两电极之间提供10-20A的交变电流，所述电极采用导电金属材质，表面覆盖铝合金板，所述超细石墨粉在冲击大电流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同时铝合金金属板在爆炸瞬时形成的高温、高压下，变成熔融粒子，与石墨烯复合，并快速冷却，形成超细、高结合强度的超细石墨烯-铝合金复合材料；所述高压气流的喷口压力为8-12MPa，出口流速为20.8-24.4米/秒。

2.根据权利要求1所述一种电爆炸喷雾制备石墨烯-铝合金复合材料的方法，其特征在于：所述石墨粉材料为鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨、氧化石墨中的至少一种。

3.根据权利要求1所述一种电爆炸喷雾制备石墨烯-铝合金复合材料的方法，其特征在于：所述清洗石墨粉包括以下步骤：
首先在HF溶液中超声0.5 1分钟，去除石墨表面杂质，最后用去离子水冲洗，去除HF残~
留液，在80 90℃的氩气保护下烘干石墨粉；所述HF溶液浓度为3.5 5%；所述氩气保护干燥~ ~
的氩气为纯度为99.9%，氩气的环境气压为100 1000Pa。
~

4.根据权利要求1所述一种电爆炸喷雾制备石墨烯-铝合金复合材料的方法，其特征在于：所述研磨设备为球磨机、砂磨机、同向啮合螺杆挤出机或反向啮合螺杆挤出机中的一种。

5.根据权利要求1所述一种电爆炸喷雾制备石墨烯-铝合金复合材料的方法，其特征在于：设置研磨设备的温度至60～350℃。

说明书

技术领域

[0001] 本发明涉及石墨烯复合材料领域，具体涉及一种电爆炸喷雾制备石墨烯-铝合金复合材料的方法。

背景技术

[0002] 石墨烯是人类已知的强度最高的物质。石墨烯是单原子层的石墨薄膜，其晶格是由碳原子构成的二维蜂窝结构。该材料具有许多新奇的物理特性，它是目前已知在常温下导电性能最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了一般导体。此外，石墨烯作为一种先进的增强材料，其为发展新型高性能金属带来了巨大的发展空间。
石墨烯复合金属材料具有轻质、高强度、高模量的性能特点，在军工的航空航天领域、轻型汽车、体育器材领域具有重要的作用。但是石墨烯与金属复合在制备工艺上存在几大问题：
一是石墨烯与基体合金润湿性差，如何解决界面问题；二是纳米尺度的石墨烯增强体颗粒加入，如何解决分散均匀性。如直接将石墨烯分散于铝合金一方面需要将铝合金完全熔化，另一方面石墨烯的分散性难以控制，因而，选择适宜的制备方法成为石墨金属复合材料的关键。

[0003] 石墨烯的制备方法主要包括化学气相沉积法、氧化插层再还原法、液相剥离法、机械剥离法、电爆炸法。其中化学气相沉积法可以获得高质量的石墨烯，然而产率低，对衬底要求高，转移存在极大的困难；氧化插层再还原法可以实现批量生产石墨烯，但是由于氧化过程中石墨烯的结构遭到破坏，难以得到高质量的石墨烯产品；液相剥离法是在合适的溶剂中，利用超声能量对石墨片层进行解离，然而，溶剂剥离法制备石墨烯存在难以去除残留溶剂的问题，而且溶剂剥离产率一般很低。相比之下，电爆炸法是一种大规模工业化生产出高质量石墨烯易行的方法。

[0004] 中国发明专利申请号201510230893.3公开了一种利用电爆炸制备石墨烯材料的方法,将石墨棒固定于电极之间；向电爆炸罐中加入蒸馏水，将电爆炸罐密封；向电爆炸系统中的高压电容组充电，后启动电爆炸系统；放电结束后打开电爆炸罐，收集电爆炸罐内的悬浊液；将悬浊液进行超声分散处理后静置，过滤；向滤液中加入盐酸，过滤，洗涤至中性，真空干燥得到所述石墨烯材料。但是，这种电爆炸制备石墨烯方法只能在爆炸管中间断工作，导致制备过程不连续。

[0005] 中国发明专利申请号 201210160242.8 公开了一种爆炸制备石墨烯的方法，首先将分解爆炸性物质与膨胀石墨混合后加入到反应器内密封，再将反应器加热至400℃～600℃，保持3～5分钟，自然冷却至室温，收集产物，获得所述石墨烯。

[0006] 中国发明专利申请号 201510230895.2公开了一种利用电爆炸制备氮掺杂石墨烯材料的方法，属于工艺技术领域。所述方法是组装和调试电爆炸系统后将石墨棒固定于电极之间；向电爆炸罐中加入氮源溶液，将电爆炸罐密封；向电爆炸系统中的高压电容组充电，后启动电爆炸系统；放电结束后打开电爆炸罐，收集电爆炸罐内的悬浊液；将悬浊液进行超声分散处理后静置，过滤；向滤液中加入盐酸，过滤，洗涤至中性，真空干燥得到所述氮掺杂石墨烯材料。但是该方案需要液相环境，导致石墨烯表面携带杂质，降低石墨烯性能。

[0007] 目前已有利用电爆炸法制备石墨烯的技术，但是利用电爆炸法制备石墨烯复合材料的技术还比较少。

发明内容

[0008] 针对现有技术将石墨烯难以均匀分散于铝合金制备复合材料的缺陷，本发明提出一种利用爆炸法制备石墨烯-铝合金复合材料的方法，通过将石墨粉高压喷雾至电极，脉冲大电流发生持续放电，将铝合金爆炸瞬时形成高温、高压熔融粒子，石墨被裂解为石墨烯，与铝合金分散并快速冷却形成超细、高结合强度的超细石墨烯-铝合金复合材料。

[0009] 为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

[0010] 一种电爆炸喷雾制备石墨烯-铝合金复合材料的方法，采用石墨粉作为原料，铝合金电极作为铝源，包括以下步骤：

[0011] （1）清洗石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干备用；

[0012] （2）采用研磨设备研磨石墨粉，得到超细石墨粉；

[0013] （3）将所述超细石墨粉用高压气流雾化，喷向预先设置的两电极之间，所述两电极之间提供10-20 A的交变电流，所述电极采用导电金属材质，表面覆盖铝合金板，所述超细石墨粉在冲击大电流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同时铝合金金属板在爆炸瞬时形成的高温、高压下，变成熔融粒子，与石墨烯复合，并快速冷却，形成超细、高结合强度的超细石墨烯-铝合金复合材料。

[0014] 可选的，所述石墨粉材料为鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨、氧化石墨中的至少一种。

[0015] 可选的，所述清洗石墨粉包括以下步骤：

[0016] 首先在HF溶液中超声0.5 1分钟，去除石墨表面杂质，最后用去离子水冲洗，去除~HF残留液，在80 90℃的氩气保护下烘干石墨粉；所述HF溶液浓度为3.5 5%。
~ ~

[0017] 可选的，所述氩气保护干燥的氩气为纯度为99.9%，氩气的环境气压为100 1000 ~Pa。

[0018] 可选的，所述研磨设备为：球磨机、砂磨机、同向啮合螺杆挤出机或反向啮合螺杆挤出机中的一种。

[0019] 可选的，设置研磨设备的温度至60～350℃。

[0020] 可选的，所述高压气流的喷口压力为8-12MPa，出口流速为20.8-24.4米/秒。

[0021] 本发明将铝合金连接在电极上，通过将石墨粉高压喷雾至电极，脉冲大电流发生持续放电，将铝合金爆炸瞬时形成高温、高压熔融粒子，同时石墨被解裂为石墨烯，在高压冲击波作用下石墨烯与铝合金分散并快速冷却形成超细、高结合强度的超细石墨烯-铝合金复合材料。集石墨烯剥离与分散于一体，将石墨烯均匀分散于铝合金中，成分的发挥石墨烯对铝合金的增强作用，得到的石墨烯-铝合金复合材料具有轻质、高强度、高模量的性能特点，在军工的航空航天领域、轻型汽车、体育器材领域具有重要的作用。

[0022] 本发明提出一种利用爆炸法制备石墨烯-铝合金复合材料的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

[0023] 1、本发明提供的一种电爆炸喷雾制备石墨烯-铝合金复合材料的方法，能够在不需要完全熔化铝合金条件下直接将石墨烯分散于铝合金，并且获得石墨烯分散性较高。

[0024] 2、本发明在制备过程中未涉及化学反应，避免了化学反应对石墨烯结构的破坏，获得的产品质量较高，对环境造成污染少。

[0025] 3、本发明反应条件可控，生产原料可回收，制备效率高，生产成本降低，具备大规模工业化生产条件。

实施方案

[0026] 以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。

[0027] 实施例1

[0028] （1）将鳞片石墨粉在溶液浓度为5%的HF溶液中超声1分钟，去除石墨表面杂质，最后用去离子水冲洗，去除HF残留液，在环境气压为1000 Pa，80℃纯度为99.9%的氩气保护下烘干石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干备用；

[0029] （2）将石墨粉材料放入球磨机中，设置球磨机的温度至60℃，研磨速度为320rpm/min，经过研磨后获得更细的固体产物为石墨细粉；

[0030] （3）将所述超细石墨粉石用高压气流雾化，高压气流的喷口压力为8MPa，出口流速为24.4米/秒，喷向预先设置的两电极之间，所述两电极之间提供20 A的交变电流，两个电极之间的交变电场为电压为5KV，交变频率为100Hz，电极采用无氧铜板，表面覆盖1085铝合金板，所述超细石墨粉在冲击大电流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同时铝合金金属板在爆炸瞬时形成的高温、高压下，变成熔融粒子，与石墨烯复合，并快速冷却，形成超细、高结合强度的超细石墨烯-铝合金复合材料。

[0031] 对实施例中制备获得的石墨烯-铝合金复合材料利用3D打印激光烧结成型，对得到的制品进行力学性能测试，结果如表1所示。其显现出良好的强度，相较于直接熔融分散添加石墨烯的同类铝合金材料，其强度提升明显。

[0032] 实施例2

[0033] （1）将热裂解石墨粉在溶液浓度为3.5%的HF溶液中超声0.5分钟，去除热裂解石墨表面杂质，最后用去离子水冲洗，去除HF残留液，在环境气压为100 Pa，90℃纯度为99.9%的氩气保护下烘干热裂解石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干备用；

[0034] （2）将石墨粉材料放入砂磨机中，设置砂磨机的温度至150℃，研磨速度为350rpm/min，经过研磨后获得更细的固体产物为石墨细粉；

[0035] （3）将所述超细石墨粉石用高压气流雾化，高压气流的喷口压力为9MPa，出口流速为21米/秒，所述两电极之间提供10A的交变电流，两个电极之间的交变电场为电压为1.5KV，交变频率为1000Hz，电极采用无氧镍板，表面覆盖1050铝合金板，所述超细石墨粉在冲击大电流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同时铝合金金属板在爆炸瞬时形成的高温、高压下，变成熔融粒子，与石墨烯复合，并快速冷却，形成超细、高结合强度的超细石墨烯-铝合金复合材料。

[0036] 对实施例中制备获得的石墨烯-铝合金复合材料利用3D打印激光烧结成型，对得到的制品进行力学性能测试，结果如表1所示。其显现出良好的强度，相较于直接熔融分散添加石墨烯的同类铝合金材料，其强度提升明显。

[0037] 实施例3

[0038] （1）将氧化石墨粉在溶液浓度为4.5%的HF溶液中超声0.7分钟，去除氧化石墨表面杂质，最后用去离子水冲洗，去除HF残留液，在环境气压为500 Pa，85℃纯度为99.9%的氩气保护下烘干石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干备用；

[0039] （2）将石墨粉材料放入同向啮合螺杆挤出机中，设置同向啮合螺杆挤出机的温度至250℃，挤出速度为450 rpm/min，经过研磨后获得更细的固体产物为石墨细粉；

[0040] （3）将所述超细石墨粉石用高压气流雾化，高压气流的喷口压力为12MPa，出口流速为24.4米/秒，所述两电极之间提供15 A的交变电流，两个电极之间的交变电场为电压为4.5KV，交变频率为1MHz，电极采用无氧镍板，表面覆盖1080铝合金板，所述超细石墨粉在冲击大电流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同时铝合金金属板在爆炸瞬时形成的高温、高压下，变成熔融粒子，与石墨烯复合，并快速冷却，形成超细、高结合强度的超细石墨烯-铝合金复合材料。

[0041] 对实施例中制备获得的石墨烯-铝合金复合材料利用3D打印激光烧结成型，对得到的制品进行力学性能测试，结果如表1所示。其显现出良好的强度，相较于直接熔融分散添加石墨烯的同类铝合金材料，其强度提升明显。

[0042] 实施例4

[0043] （1）将膨胀石墨粉在溶液浓度为4%的HF溶液中超声0.7分钟，去除石墨表面杂质，最后用去离子水冲洗，去除HF残留液，在环境气压为500 Pa，85℃纯度为99.9%的氩气保护下烘干石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干备用；

[0044] （2）将石墨粉材料放入反向啮合螺杆挤出机中，设置反向啮合螺杆挤出机的温度至250℃，挤出速度为520 rpm/min，经过研磨后获得更细的固体产物为石墨细粉；

[0045] （3）将所述超细石墨粉石用高压气流雾化，高压气流的喷口压力为11MPa，出口流速为22米/秒，喷向预先设置的两电极之间，所述两电极之间提供20A的交变电流，两个电极之间的交变电场为电压为1KV，交变频率为1MHz，电极采用无氧铜板，表面覆盖1070铝合金板，所述超细石墨粉在冲击大电流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同时铝合金金属板在爆炸瞬时形成的高温、高压下，变成熔融粒子，与石墨烯复合，并快速冷却，形成超细、高结合强度的超细石墨烯-铝合金复合材料。

[0046] 对实施例中制备获得的石墨烯-铝合金复合材料利用3D打印激光烧结成型，对得到的制品进行力学性能测试，结果如表1所示。其显现出良好的强度，相较于直接熔融分散添加石墨烯的同类铝合金材料，其强度提升明显。

[0047] 实施例5

[0048] （1）鳞片石墨与热裂解石墨混合，将混合石墨粉在溶液浓度为5%的HF溶液中超声0.5分钟，去除石墨表面杂质，最后用去离子水冲洗，去除HF残留液，在环境气压为1000 Pa，
89℃纯度为99.9%的氩气保护下烘干石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干备用；

[0049] （2）将混合石墨粉材料放入球磨机中，设置球磨机的温度至60℃，研磨速度为450rpm/min，经过研磨后获得更细的固体产物为石墨细粉，并且石墨粉材料均匀分散在液态石蜡中，得到石墨粉石蜡均匀分散体；

[0050] （3）将所述超细石墨粉石用高压气流雾化，高压气流的喷口压力为8MPa，出口流速为21米/秒，喷向预先设置的两电极之间，所述两电极之间提供15A的交变电流，两个电极之间的交变电场为电压为3KV，交变频率为0.5MHz，电极采用无氧铂板，表面覆盖1085铝合金板，所述超细石墨粉在冲击大电流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同时铝合金金属板在爆炸瞬时形成的高温、高压下，变成熔融粒子，与石墨烯复合，并快速冷却，形成超细、高结合强度的超细石墨烯-铝合金复合材料。

[0051] 对实施例中制备获得的石墨烯-铝合金复合材料利用3D打印激光烧结成型，对得到的制品进行力学性能测试，结果如表1所示。其显现出良好的强度，相较于直接熔融分散添加石墨烯的同类铝合金材料，其强度提升明显。

[0052] 表1：

[0053]性能指标抗拉强度( MPa ) 屈服强度( MPa ) 延伸率（%）
石墨烯加入熔融1085铝合金分散样品 530 430 11.0
实施例一 786 689 22.4
石墨烯加入熔融1050铝合金分散样品 558 454 9.1
实施例二 752 658 23.5
石墨烯加入熔融1080铝合金分散样品 501 400 9.6
实施例三 776 688 24.0
石墨烯加入熔融1070铝合金分散样品 487 405 9.2
实施例四 735 697 21.7
石墨烯加入熔融1085铝合金分散样品 530 430 11.0
实施例五 781 655 19.4

[0054] 从表1可以看出，本发明方法制备的石墨烯-铝合金复合材料相比于对应条件下熔融加入石墨烯的铝合金材料，在抗拉强度、屈服强度以及延伸率方面均有大幅提升。

13D打印成型石墨烯复合材料的方法 2一种基于氧化石墨烯自组装制备石墨烯基复合材料的方法 3一种溴化聚乙烯/石墨烯复合材料及其制备方法 4一种Ni(OH)2石墨烯复合材料及制备方法 5一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法 6一种石墨烯复合材料及其制备方法和装置 7一种基于石墨烯的复合抗菌材料的制备方法 8一种Ni(OH)2/多层石墨烯复合材料的制备方法 9一种CoTe纳米线-石墨烯复合材料及其制备方法 10一种氧化石墨烯硅碳复合负极材料制备方法