一种石墨烯复合材料、其制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种石墨烯复合材料、其制备方法及应用 (Graphene composite material, preparation method and application thereof ) 是由 刘洋 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种石墨烯复合材料、其制备方法及应用,包括配制氧化石墨烯分散液,搅拌状态下将氮化物逐步加入到所述氧化石墨烯分散液,继续搅拌加入分散稳定剂,得到氧化石墨烯混合物料,保持搅拌的前提下,将所述氮化物、氧化石墨烯混合物料通过喷雾干燥机制备成核壳结构的氮化物-氧化石墨烯的复合材料；将制备的所述核壳结构的氮化物-氧化石墨烯的复合材料以还原方式制备成为氮化物-石墨烯复合材料。本发明将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面,所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在,石墨烯复合材料一体成型,生产成本低,且电导率以及热导率实现明显的提高。(The invention relates to a graphene composite material, a preparation method and application thereof, which comprises the steps of preparing a graphene oxide dispersion liquid, gradually adding nitride into the graphene oxide dispersion liquid under the stirring state, continuously stirring and adding a dispersion stabilizer to obtain a graphene oxide mixed material, and preparing the nitride and graphene oxide mixed material into a nitride-graphene oxide composite material with a core-shell structure by a spray dryer under the stirring condition; and preparing the prepared nitride-graphene oxide composite material with the core-shell structure into a nitride-graphene composite material in a reduction mode. According to the invention, graphene oxide is uniformly coated on the surface of the nitride material, the obtained core-shell structure composite material can exist stably, the graphene composite material is integrally formed, the production cost is low, and the electric conductivity and the thermal conductivity are obviously improved.)
技术领域
本发明涉及散热导热技术领域，尤其涉及一种石墨烯复合材料、其制备方法及应用。
背景技术
石墨烯(GNPs)是一种具有平面二维结构的碳材料，具有优异导电和导热性能，还具有大比表面积、高透明性和良好的机械性能，被广泛应用于电子器件、生物传感器、透明导电薄膜、复合材料等领域。
如现有技术CN 107869047 A公开了石墨烯-氮化硼复合材料及其制备方法，利用氮化硼表面的氧化石墨烯涂层的溶胀和融合作用，实现对氮化硼纤维的交联。氧化石墨烯作为上浆剂和交联剂，经过有机还原剂进一步的还原后形成石墨烯层。
又如另一个申请文本TW20184076A公开了具有石墨烯层的半导体结构，其中半导体可以是氮化镓，以有机金属化学气相沉积法，长成石墨烯在铜箔上；接着清洗半导体基板，使用氮气流进行干燥；转移该石墨烯至半导体基板上，蚀刻铜箔，固定石墨烯层，并使用丙酮进行清洗；再在石墨烯层表面，进行蚀刻以形成孔洞；并在石墨烯层表面沉积氮化镓半导体。
现有技术中所制备的复合材料由于是通过简单的涂覆或者混合，复合材料的稳定性会存在一定问题。此外还原过程中所涉及的还原剂如碘化氢、水合肼等均属于有毒有害化学试剂，不符合绿色化学的发展理念。
发明内容
为了现有技术存在的上述技术缺陷，本发明提供一种石墨烯复合材料、其制备方法及应用，将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面，所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在，石墨烯复合材料一体成型，生产成本低，且电导率以及热导率实现明显的提高，可以有效解决背景技术中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的石墨烯复合材料、其制备方法及应用的技术方案具体如下：
第一方面，本发明实施例公开了一种石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制氧化石墨烯分散液，搅拌状态下将氮化物逐步加入到所述氧化石墨烯分散液，继续搅拌加入分散稳定剂，得到氧化石墨烯混合物料，保持搅拌的前提下，将所述氮化物、氧化石墨烯混合物料通过喷雾干燥机制备成核壳结构的氮化物-氧化石墨烯的复合材料；
(2)将制备的所述核壳结构的氮化物-氧化石墨烯的复合材料以还原方式制备成为氮化物-石墨烯复合材料。
在上述任一方案中优选的是，步骤(1)中所述的氧化石墨烯分散液为超声分散或机械研磨或高速搅拌分散中的一种或多种。
在上述任一方案中优选的是，步骤(1)中所述的氧化石墨烯分散液的浓度范围为3～8mg/ml。
在上述任一方案中优选的是，步骤(1)中所述的继续搅拌的转速范围为100～800rpm。
在上述任一方案中优选的是，步骤(1)中所述的喷雾干燥的进风温度范围为20～220℃，出风温度范围为50～100℃。
在上述任一方案中优选的是，步骤(2)中所述的还原方式为激光还原或热还原或高压还原中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明一种石墨烯复合材料的制备方法，氧化石墨烯的分散溶剂仅为水溶液，氧化石墨烯的还原不涉及有毒有害物质，通过激光、加热或者电磁就可实现氧化石墨烯的充分还原，而且还原效果较原有技术要好，电导率以及热导率实现明显的提高。
第二方面，一种石墨烯复合材料，由所述的石墨烯复合材料的制备方法制得。
在上述任一方案中优选的是，所述石墨烯复合材料以氮化物为内壳，石墨烯包覆在氮化物表面形成外核的核壳结构。
在上述任一方案中优选的是，所述石墨烯复合材料的平均粒径范围为5～100微米。
与现有技术相比，本发明一种石墨烯复合材料，采用喷雾干燥技术，将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面，所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在，操作简单，氧化石墨烯一体成型，生产成本低。
第三方面，所述的石墨烯复合材料在电子器件散热或光伏发电中的应用。
与现有技术相比，本发明所述的石墨烯复合材料在电子器件散热或光伏发电中的应用，通过采用喷雾干燥技术，将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面，所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在，操作简单，氧化石墨烯一体成型，生产成本低。
氧化石墨烯的分散溶剂仅为水溶液，氧化石墨烯的还原不涉及有毒有害物质，通过激光、加热或者电磁就可实现氧化石墨烯的充分还原，而且还原效果较原有技术要好，电导率以及热导率实现明显的提高。
附图说明
附图用于对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1是按照本发明石墨烯复合材料制备方法的制备流程示意图。
图2是按照本发明石墨烯复合材料结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了达到电导率以及热导率实现明显的提高的目的，本发明提供一种石墨烯复合材料，所述石墨烯复合材料以氮化物为内壳，石墨烯包覆在氮化物表面形成外核形成核壳结构，所述石墨烯复合材料的平均粒径为5～100微米。
本发明还提供一种石墨烯复合材料的制备方法：所采用的技术方案如下：
(1)超高速搅拌分散配制氧化石墨烯分散液，搅拌氧化石墨烯分散液形成中心漩涡，搅拌状态下将氮化物逐步加入到上述氧化石墨烯分散液，继续搅拌加入分散稳定剂，得到氧化石墨烯混合物料；保持搅拌的前提下，将上述氮化物、氧化石墨烯混合物料通过喷雾干燥机制备成核壳结构的氮化物-氧化石墨烯的材料；
(2)将上述制备的核壳结构的氮化物-氧化石墨烯的材料进行还原反应制备成为氮化物-氧化石墨烯。
上述步骤(1)中的氧化石墨烯分散液的浓度为3～8mg/ml；所述的氧化石墨烯分散液为超声分散或机械研磨或高速搅拌分散中的一种或多种。
上述步骤(1)中的氧化石墨烯分散液的浓度范围为3～8mg/ml；上述步骤(1)中所述的继续搅拌转速范围为100～800rpm。
上述步骤(1)中所述的喷雾干燥的进风温度范围为20～220℃，出风温度范围为50～100℃。
上述步骤(2)中所述的还原方式为激光还原或热还原或高压还原中的一种或多种。
本发明还提供一种石墨烯复合材料的应用，应用在电子产品散热以及光伏发电等领域。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图及具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明。
实施例1：
如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种石墨烯复合材料的制备方法，利用超声分散配制浓度为5mg/ml的氧化石墨烯分散液，超声处理功率为80W，得到的氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的片径为5微米；通过机械搅拌将氮化硼粉体逐步加入到上述氧化石墨烯分散液，搅拌氧化石墨烯分散液形成中心漩涡，将氮化硼粉体加入到漩涡中心，充分混合分散，机械搅拌的转速为600rpm；保持搅拌的前提下，将上述氮化硼、氧化石墨烯混合物料通过喷雾干燥机制备成核壳结构的氮化硼-氧化石墨烯的粉体材料，所述喷雾干燥剂的搅拌转速为200rpm，进风温度为20℃，出风温度为90℃；
将上述制备的氮化硼-氧化石墨烯的粉体材料通过激光还原的方法制备成为氮化硼-石墨烯复合材料，激光还原处理的时间为10s,激光功率为5W。
氧化石墨烯的分散溶剂仅为水溶液，氧化石墨烯的还原不涉及有毒有害物质，通过激光、加热或者电磁就可实现氧化石墨烯的充分还原，而且还原效果较原有技术要好，电导率以及热导率实现明显的提高，采用喷雾干燥技术，将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面，所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在，操作简单，氧化石墨烯一体成型，生产成本低。
实施例2：
如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种石墨烯复合材料的制备方法，利用超高速搅拌分散配制浓度为3mg/ml的氧化石墨烯分散液，搅拌速度400krpm，得到的氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的片径为30微米；通过机械搅拌将氮化镓片状微晶逐步加入到上述氧化石墨烯分散液，搅拌氧化石墨烯分散液形成中心漩涡，将氮化镓片状微晶加入到漩涡中心，充分混合分散，机械搅拌的转速为800rpm；继续搅拌并加入0.01mg/ml的分散稳定剂聚氧乙烯辛基苯酚醚-10(OP10)；保持搅拌的前提下，将上述氮化镓、氧化石墨烯混合物料通过喷雾干燥机制备成核壳结构的氮化镓-氧化石墨烯的片状材料；所述喷雾干燥机的搅拌转速为100rpm，进风温度为160℃，出风温度为70℃；
将上述制备的氮化镓-氧化石墨烯的片状材料放置在氢气与氩气体积比1：3的混合气体中加热至400℃，持续时间1h，制备成为氮化镓-氧化石墨烯。
氧化石墨烯的分散溶剂仅为水溶液，氧化石墨烯的还原不涉及有毒有害物质，通过激光、加热或者电磁就可实现氧化石墨烯的充分还原，而且还原效果较原有技术要好，电导率以及热导率实现明显的提高，采用喷雾干燥技术，将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面，所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在，操作简单，氧化石墨烯一体成型，生产成本低。
实施例3：
如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种石墨烯复合材料的制备方法，利用超高速搅拌分散配制浓度为8mg/ml的氧化石墨烯分散液，得到的氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的片径为70微米；通过机械搅拌将氮化铝逐步加入到上述分散液，搅拌氧化石墨烯分散液形成中心漩涡，将氮化镓片状微晶加入到漩涡中心，充分混合后，在胶体磨中进一步研磨；在研磨过程加入0.01mg/ml的分散稳定剂OP10；保持搅拌的前提下，将上述氮化铝、氧化石墨烯混合物料通过喷雾干燥机制备成核壳结构的氮化铝-氧化石墨烯的片状材料；所述喷雾干燥机搅拌转速为500rpm，进风温度为100℃，出风温度为50℃；
将上述制备的氮化铝-氧化石墨烯材料放置在微波炉中，1000W，1～2S，制备得到氮化铝-氧化石墨烯材料。
氧化石墨烯的分散溶剂仅为水溶液，氧化石墨烯的还原不涉及有毒有害物质，通过激光、加热或者电磁就可实现氧化石墨烯的充分还原，而且还原效果较原有技术要好，电导率以及热导率实现明显的提高，采用喷雾干燥技术，将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面，所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在，操作简单，氧化石墨烯一体成型，生产成本低。
实施例4：
如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种石墨烯复合材料的制备方法，利用超高速搅拌分散配制浓度为5mg/ml的氧化石墨烯分散液，搅拌速度350krpm，得到的氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的片径为100微米；通过机械搅拌将氮化镓片状微晶逐步加入到上述分散液，搅拌氧化石墨烯分散液形成中心漩涡，将氮化镓片状微晶加入到漩涡中心，充分混合分散，机械搅拌的转速为800rpm；保持搅拌的前提下，将上述氮化镓、氧化石墨烯混合物料通过喷雾干燥机制备成核壳结构的氮化镓-氧化石墨烯的片状材料；所述喷雾干燥机搅拌转速为200rpm，进风温度为220℃，出风温度为100℃；
高压搅拌容器中加入水，将将上述制备的氮化镓-氧化石墨烯材料放入高压搅拌容器内，密封搅拌容器并在水中注入氢气加压至350MPa，搅拌转速为400rpm，在该压力下保持搅拌2h，制备得到氮化镓-氧化石墨烯。
氧化石墨烯的分散溶剂仅为水溶液，氧化石墨烯的还原不涉及有毒有害物质，通过激光、加热或者电磁就可实现氧化石墨烯的充分还原，而且还原效果较原有技术要好，电导率以及热导率实现明显的提高，采用喷雾干燥技术，将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面，所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在，操作简单，氧化石墨烯一体成型，生产成本低。
实施例5：
如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种石墨烯复合材料的制备方法，利用超声分散配制浓度为4mg/ml的氧化石墨烯分散液，超声处理功率为90W，得到的氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的片径为50微米；通过机械搅拌将氮化硼粉体逐步加入到上述氧化石墨烯分散液，搅拌氧化石墨烯分散液形成中心漩涡，将氮化硼粉体加入到漩涡中心，充分混合分散，机械搅拌的转速为500rpm；保持搅拌的前提下，将上述氮化硼、氧化石墨烯混合物料通过喷雾干燥机制备成核壳结构的氮化硼-氧化石墨烯的粉体材料，所述喷雾干燥剂的搅拌转速为200rpm，进风温度为50℃，出风温度为100℃；
将上述制备的氮化硼-氧化石墨烯的粉体材料通过激光还原的方法制备成为氮化硼-石墨烯复合材料，激光还原处理的时间为8s,激光功率为4W。
氧化石墨烯的分散溶剂仅为水溶液，氧化石墨烯的还原不涉及有毒有害物质，通过激光、加热或者电磁就可实现氧化石墨烯的充分还原，而且还原效果较原有技术要好，电导率以及热导率实现明显的提高，采用喷雾干燥技术，将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面，所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在，操作简单，氧化石墨烯一体成型，生产成本低。
实施例6：
如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种石墨烯复合材料的制备方法，利用超高速搅拌分散配制浓度为5mg/ml的氧化石墨烯分散液，搅拌速度600krpm，得到的氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的片径为60微米；通过机械搅拌将氮化镓片状微晶逐步加入到上述氧化石墨烯分散液，搅拌氧化石墨烯分散液形成中心漩涡，将氮化镓片状微晶加入到漩涡中心，充分混合分散，机械搅拌的转速为800rpm；继续搅拌并加入0.01mg/ml的分散稳定剂聚氧乙烯辛基苯酚醚-10(OP10)；保持搅拌的前提下，将上述氮化镓、氧化石墨烯混合物料通过喷雾干燥机制备成核壳结构的氮化镓-氧化石墨烯的片状材料；所述喷雾干燥机的搅拌转速为100rpm，进风温度为200℃，出风温度为80℃；
将上述制备的氮化镓-氧化石墨烯的片状材料放置在氢气与氩气体积比1：3的混合气体中加热至400℃，持续时间1h，制备成为氮化镓-氧化石墨烯。
氧化石墨烯的分散溶剂仅为水溶液，氧化石墨烯的还原不涉及有毒有害物质，通过激光、加热或者电磁就可实现氧化石墨烯的充分还原，而且还原效果较原有技术要好，电导率以及热导率实现明显的提高，采用喷雾干燥技术，将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面，所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在，操作简单，氧化石墨烯一体成型，生产成本低。
实施例7：
如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种石墨烯复合材料的制备方法，利用超高速搅拌分散配制浓度为7mg/ml的氧化石墨烯分散液，得到的氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的片径为60微米；通过机械搅拌将氮化铝逐步加入到上述分散液，搅拌氧化石墨烯分散液形成中心漩涡，将氮化镓片状微晶加入到漩涡中心，充分混合后，在胶体磨中进一步研磨；在研磨过程加入0.01mg/ml的分散稳定剂OP10；保持搅拌的前提下，将上述氮化铝、氧化石墨烯混合物料通过喷雾干燥机制备成核壳结构的氮化铝-氧化石墨烯的片状材料；所述喷雾干燥机搅拌转速为500rpm，进风温度为220℃，出风温度为100℃；
将上述制备的氮化铝-氧化石墨烯材料放置在微波炉中，1000W，1～2S，制备得到氮化铝-氧化石墨烯材料。
氧化石墨烯的分散溶剂仅为水溶液，氧化石墨烯的还原不涉及有毒有害物质，通过激光、加热或者电磁就可实现氧化石墨烯的充分还原，而且还原效果较原有技术要好，电导率以及热导率实现明显的提高，采用喷雾干燥技术，将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面，所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在，操作简单，氧化石墨烯一体成型，生产成本低。
实施例8：
如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种石墨烯复合材料的制备方法，利用超高速搅拌分散配制浓度为4mg/ml的氧化石墨烯分散液，搅拌速度500krpm，得到的氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的片径为100微米；通过机械搅拌将氮化镓片状微晶逐步加入到上述分散液，搅拌氧化石墨烯分散液形成中心漩涡，将氮化镓片状微晶加入到漩涡中心，充分混合分散，机械搅拌的转速为800rpm；保持搅拌的前提下，将上述氮化镓、氧化石墨烯混合物料通过喷雾干燥机制备成核壳结构的氮化镓-氧化石墨烯的片状材料；所述喷雾干燥机搅拌转速为200rpm，进风温度为210℃，出风温度为90℃；
高压搅拌容器中加入水，将将上述制备的氮化镓-氧化石墨烯材料放入高压搅拌容器内，密封搅拌容器并在水中注入氢气加压至350MPa，搅拌转速为400rpm，在该压力下保持搅拌2h，制备得到氮化镓-氧化石墨烯。
氧化石墨烯的分散溶剂仅为水溶液，氧化石墨烯的还原不涉及有毒有害物质，通过激光、加热或者电磁就可实现氧化石墨烯的充分还原，而且还原效果较原有技术要好，电导率以及热导率实现明显的提高，采用喷雾干燥技术，将氧化石墨烯均匀包覆在氮化物材料表面，所得到的核壳结构复合材料能够稳定存在，操作简单，氧化石墨烯一体成型，生产成本低。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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