專利名稱：石墨烯/納米銅導(dǎo)電復(fù)合材料及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種石墨烯/金屬納米粒子的制備方法，特別涉及一種石墨烯/納米銅復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
自從2004年，石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，引起了全世界的研究熱潮，至今，已發(fā)現(xiàn)石墨烯在光、電、磁等方面都具有許多奇特的性質(zhì)。它是目前已知的最薄、最硬、導(dǎo)電性能最好的一種材料，可以用來制備有機(jī)光電器件的電極、復(fù)合材料、電池、超級電容、儲氫材料、場發(fā)射材料以及超靈敏傳感材料等。石墨烯具有出色的電學(xué)性能。目前，人們對石墨烯基金屬無機(jī)納米粒子復(fù)合材料的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，以期制備出一種具有優(yōu)異特性的功能材料。納米銅顆粒的優(yōu)良特性得以造福人類。納米銅粉的比表面積大、表面活性中心數(shù)目多，在冶金和石油化工中是優(yōu)良的催化劑。納米級銅粉和其塊體材料一樣具有很高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，可用于制造導(dǎo)電漿料(導(dǎo)電膠、導(dǎo)磁膠等)，并用于微電子工業(yè)中的封裝、連接，對微電子器件的小型化起重要作用。自上世紀(jì)九十年代中期，IBM的Pokka等指出納米銅由于其低電阻而可被用于電子連接后，其特殊的電學(xué)性質(zhì)引起電子界的很大關(guān)注，越來越多的研究人員開始把注意力轉(zhuǎn)移到納米銅的制備和應(yīng)用上來。在工程結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用中，納米銅晶體材料有著良好的拉伸性能和抗沖擊強(qiáng)度，其力學(xué)性能與傳統(tǒng)的銅材相比有著很明顯的提升。另外，納米銅粉是高導(dǎo)電率、高強(qiáng)度的納米銅材不可缺少的基礎(chǔ)原料，因此納米銅粉和與其有關(guān)的復(fù)合材料的研制具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用石墨烯的電學(xué)性能，金屬納米粒子的高電導(dǎo)率、高硬度及熱穩(wěn)定性，提供一種具有優(yōu)良電學(xué)性能、機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性的石墨烯/納米銅復(fù)合材料。一種石墨烯/納米銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于將氧化石墨分散于N-甲基吡咯烷酮中超聲，得到分散均勻的氧化石墨懸浮液；調(diào)節(jié)溶液pH=9-10，加入質(zhì)量濃度為 1. 57g/廣7. 67g/L的硫酸銅溶液，在攪拌下，加入維生素C作為還原劑，在85°C 95°C回流反應(yīng)1. 5h^3. Oh ；將產(chǎn)物過濾，用蒸餾水洗滌干凈后，干燥，研磨，得到石墨烯/納米Cu復(fù)合材料。所述氧化石墨與硫酸銅的質(zhì)量比為1:0.纊1:3。所述還原劑維生素C的加入量為氧化石墨質(zhì)量的2. 45飛.67倍。下面通過紅外光譜圖、TEMl、SEM照片和TG曲線及電導(dǎo)率對本發(fā)明制備的石墨烯 /納米Cu復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行測試和表征。1.紅外光譜分析
圖1為氧化石墨的FIlR譜圖；圖2為石墨烯(b)，以及石墨烯/納米Cu復(fù)合材料(C) 的FIlR譜圖。圖1氧化石墨的譜圖中，3440CHT1為-OH的伸縮振動(dòng)峰，1728 cnT1為羧基中 C=O的伸縮振動(dòng)峰，1404 cm—1為-OH的面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰，1055 cm—1為C-O的伸縮振動(dòng)峰。圖2石墨烯的譜圖與圖1氧化石墨的譜圖極為相似，這說明石墨烯被還原以后，基本恢復(fù)了其共軛結(jié)構(gòu)，但曲線較氧化石墨光滑官能團(tuán)少，基本被還原。圖2石墨烯/納米Cu復(fù)合材料 (c)的譜圖與石墨烯(b)的譜圖相比，多出了幾個(gè)特征吸收峰，這說明復(fù)合過程它們之間有化學(xué)鍵的結(jié)合，生成了新的官能團(tuán)。這種現(xiàn)象表明，在復(fù)合材料的形成過程當(dāng)中，Cu與石墨烯之間發(fā)生了化學(xué)鍵合作用，而不是物理的吸附。2.電鏡分析
圖3為石墨烯的透射電鏡照片。從圖3可以看出，光能部分透過它的片層，而且其形貌像褶皺狀的絲綢一樣，這是厚片層的物質(zhì)不能具備的特征，說明這種方法制備的石墨烯在厚度方向上很薄。同時(shí)還可觀察到石墨烯片層各部分區(qū)域顏色深淺不一，透光性不盡相同，片層上端顏色明顯較下端淺，這說明制得的石墨烯不全是單片層結(jié)構(gòu)，而是由幾個(gè)單片層疊加而成。圖4為石墨烯/Cu復(fù)合材料的掃描電鏡照片。從圖4中可以清晰地看到，片狀物為相互堆積的石墨烯薄片，Cu納米粒子均勻、稠密地包覆在石墨烯的表面。根據(jù)圖4中的比例尺，我們可以得出石墨烯的厚度為lnm，這與單層石墨烯的厚度(0. 34nm)相比數(shù)值偏大，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是石墨烯表面包覆了 Cu納米顆粒，也有可能是三層石墨烯堆積在一起的厚度。納米Cu粒子的粒徑為lOnm，均勻的包覆在石墨烯的表面，并且在石墨烯片層邊緣處包覆的更多，說明在石墨烯的邊緣處對Cu粒子的吸附力更強(qiáng)。3.熱重分析
圖5為氧化石墨、石墨烯、石墨烯/納米Cu復(fù)合材料的TG曲線。圖中，(1)為氧化石墨的TG曲線。從圖5 (1)中可以看出，氧化石墨的熱失重過程可分為3個(gè)階段第一階段是升溫的初始階段，溫度為2(T190°C。此階段，隨著溫度升高，氧化石墨表面水分蒸發(fā)，引起氧化石墨的失重，此時(shí)的失重率主要與物料的干燥程度有關(guān)。第二階段是氧化石墨急劇失重的階段，溫度為20(T500°C。在此階段氧化石墨表面的官能團(tuán)開始分解，它是熱解的主要階段。第三階段為氧化石墨碳骨架逐漸分解的過程，溫度為50(T60(TC。圖中(2)為石墨烯的TG曲線。從圖(2)中可以看出，石墨烯熱失重過程可分為3個(gè)階段第一階段是升溫的初始階段，溫度為2(T10(TC。在此階段，隨著溫度升高，石墨烯表面水分蒸發(fā)，引起石墨烯失重。第二階段是石墨烯的緩慢失重的階段，溫度為100°C、00°C。這一階段失重并不明顯， 引起失重的原因可能是石墨烯在制備過程中的一些雜質(zhì)分解所引起的。第三階段失重比較明顯，溫度為40(T70(TC。這一階段的失重主要是由于殘留在石墨烯表面的一些有機(jī)官能團(tuán)發(fā)生分解所引起的。圖中(3)為石墨烯/納米Cu復(fù)合材料的TG曲線。從圖中可以看出，復(fù)合材料在整個(gè)過程當(dāng)中失重不太明顯，從開始升溫到400°C以前復(fù)合物發(fā)生輕微的失重，主要是水的蒸發(fā)和復(fù)合物分子內(nèi)失水所引起的，在400°C、0(TC，出現(xiàn)比較明顯的失重，這與純石墨烯失重曲線類似，是復(fù)合物中石墨烯表面官能團(tuán)分解導(dǎo)致；800°C以后，石墨烯的碳骨架分解引起了一定失重，最后質(zhì)量保持穩(wěn)定，剩余73%。因而可知，石墨烯比氧化石墨穩(wěn)定性要高，石墨烯/Cu復(fù)合材料比石墨烯穩(wěn)定性高，原因可能是納米銅Cu在石墨烯的表面， 其自身具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，并且還進(jìn)一步阻止了石墨烯表面上的一些殘留有機(jī)官能團(tuán)的分解。4.導(dǎo)電性能分析
表ι為復(fù)合材料的電導(dǎo)率，從表中1可以看出，復(fù)合材料的導(dǎo)電能力隨著加入CuSO4的濃度的增加而增加，在CuSO4的濃度為4. 68g/L，其電導(dǎo)率達(dá)到最大值0. 74 S/cm，接著電導(dǎo)率開始下降至0.65 S/cm，這主要是由于隨著納米Cu粒子的增加，在石墨烯的薄片間通過橋連結(jié)構(gòu)形成了導(dǎo)電通路，因而導(dǎo)電率不斷增大；到CuSO4的質(zhì)量濃度為4. 68g/L達(dá)到最大值，之后隨著Cu質(zhì)量的增大，影響了石墨烯原有的導(dǎo)電體系，復(fù)合材料表現(xiàn)出與Cu類似的性質(zhì)，從而電導(dǎo)率開始下降。表1為加入CuSO4的質(zhì)量濃度與復(fù)合材料的電導(dǎo)率的關(guān)系。
表 權(quán)利要求
1.一種石墨烯/納米銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于將氧化石墨分散于N-甲基吡咯烷酮中超聲，得到分散均勻的氧化石墨懸浮液；調(diào)節(jié)溶液PH=9-10，加入濃度為1. 57g/ 廣7. 67g/L的硫酸銅溶液，在攪拌下，加入維生素C作為還原劑，在85°C 95°C回流反應(yīng) 1. 5h^3. Oh ；將產(chǎn)物過濾，用蒸餾水洗滌干凈后，干燥，研磨，得到石墨烯/納米銅復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述石墨烯/納米銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述氧化石墨與硫酸銅的質(zhì)量比為1:0.纊1:3。
3.如權(quán)利要求1所述石墨烯/納米銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述還原劑維生素C的加入量為氧化石墨質(zhì)量的2. 45飛.67倍。
4.如權(quán)利要求1所述方法制備的石墨烯/納米銅復(fù)合材料。
5.如權(quán)利要求4所述石墨烯/納米銅復(fù)合材料，其特征在于納米銅粒子均勻的包覆在石墨烯的表面。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種石墨烯/納米銅復(fù)合材料的制備方法，屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明以N-甲基吡咯烷酮為溶劑，對氧化石墨進(jìn)行分散，同時(shí)，將硫酸銅溶液逐滴滴入其中，再利用維生素C作為還原劑，一步法同步還原氧化石墨與硫酸銅，制得石墨烯/Cu納米復(fù)合材料。本發(fā)明制備的復(fù)合材料中銅納米粒子均勻的分散于石墨烯表面，具有優(yōu)良的電學(xué)性能和較好的熱穩(wěn)定性，極大地提高了石墨烯的加工性能，因此可用于高溫導(dǎo)電材料，加工高導(dǎo)電的納米器件以及導(dǎo)電膠等領(lǐng)域。本發(fā)明工藝簡單，操作方便，反應(yīng)條件溫和，無污染，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，具有良好的工業(yè)化生產(chǎn)前景。
文檔編號H01B13/00GK102436862SQ20111026560
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者何靜嫻, 馮超, 楊佩佩, 緱浩, 莫尊理, 郭瑞斌 申請人:西北師范大學(xué)