科创中国

"40. 石墨烯包覆多功能复合粉体制备技术

负责人：刘马宝

所在学院：航天学院

一、项目简介

采用无助剂、气氛可控、层数可控的石墨烯原位包覆处理技术，制备具有核壳结构的石墨烯包覆粉体（金属、陶瓷、高分子等），形成壳体为石墨烯的核壳结构复合粉体。利用该核壳结构复合粉体可制备具有优异的力学（高强度、高韧性、耐磨损）、物理（电性能、热性能）及化学（自润滑、耐腐蚀）性能的复合材料及构件。该技术处理过程中不添加任何助剂，可保持生成的石墨烯的活性，并避免石墨烯与包覆粉体界面间的污染，实现石墨烯在粉末表面的原位生成、石墨烯的均匀分散。制备的核壳结构石墨烯包覆复合粉体可利用传统粉末冶金或其他先进制造技术（如3D打印）进行成型，从而得到综合性能优异的三维石墨烯网络结构增强型复合材料或构件。同时，本粉体处理技术无污染、处理成本低廉，可实现规模化工业生产。

二、技术创新点

由于石墨烯具有优异的机械、物理及化学性能，且具有大的比表面积和自润滑性能，利用本技术制备的核壳结构石墨烯包覆粉体，石墨烯在粉体上的附着力强，可提高粉体流动性，且粉体成型后得到的复合材料及其构件可实现增强、增韧、耐磨、高导电、高导热、耐腐蚀等综合性能的提升。

本核壳结构石墨烯原位制备复合粉体技术具有以下创新点：

（1）石墨烯原位包覆粉体制备过程中无需任何助剂；

（2）石墨烯层数有效可控，可根据材料或构件的不同性能需求处理复合粉体；

（3）成型后的材料或构件具有独特的三维网络石墨烯增强、增韧、高导电、高导热等改性结构；

（4）本粉体处理技术环境友好、处理成本低廉，利于工业化生产。

本核心技术与市场上国际同类技术相比主要优势在于：

（1）技术领先。本技术可根据材料性能需求，对石墨烯包覆层数进行可控调节，技术及产品性能属于国际领先水平；

（2）具备完全自主知识产权（9项发明专利），且关键设备为自主研发；

（3）应用范围广。该技术具有普适性，可应用于不同种类材料粉体的改性处理；

（4）易于工业化生产。本技术为粉体处理技术，不涉及粉体自身制备，且本技术处理后的石墨烯包覆粉体适用于传统粉末冶金和3D打印等先进制造技术，因此，粉体本身制备和材料成型过程均可沿用原有设备，无需进行设备升级改造或添置新设备。

（5）价格优势。产品生产成本低，与国外同类材料相比更具竞争力，且完全可以替代进口产品。

（6）环保优势。本粉体处理技术无污染。

与传统TC4合金相比强度与韧性同时提高，为国内外公开报道的最高值（图1）。

图1 GE-TC4微观表征及其常规拉伸性能

与常规石墨烯-镍718 (GE-IN718)复合材料相比，强度和塑性获得显著提升（图2）。

图2 GE-IN718组织表征及力学性能

图3为石墨烯增强铜基复合材料与纯铜的拉伸应力-应变曲线、微观组织及国内外研究中石墨烯增强铜基复合材料的拉伸强度-延伸率汇总。与国内外报道的研究结果相比具有较高的韧性。

图3（a）石墨烯增强铜基复合材料与纯铜的拉伸应力-应变曲线及微观组织；（b）国内外研究中石墨烯增强铜基复合材料的拉伸强度-延伸率汇总

图4为石墨烯-氮化铝（GE-AlN）的断裂韧性测试，***.%GE-AlN的断裂韧性为*** MPa·m1/2，而传统AlN陶瓷断裂韧性为*** MPa·m1/2，极大地提高了该材料的断裂韧性。

图5为国内外研究中石墨烯增强铜基复合材料的电导率汇总，本方法制备的石墨烯增强铜基复合材料与国内外同类材料相比具有显著优势

三、市场前景及应用

作为一种石墨烯包覆粉体技术，本技术应用十分广泛，可应用于各类金属、陶瓷以及高分子粉体的改性处理，且对粉体形貌、尺寸无特殊要求，可实现微纳尺度球形及非球形粉体的石墨烯改性包覆。

利用本技术制备的核壳结构石墨烯包覆粉体可利用传统粉末冶金或3D打印进行成型制备，得到的金属基、陶瓷基、高分子基复合材料及产品可应用于先进轨道交通、电子电信、航空航天、人工智能等众多领域。

四、技术成熟度

产业化阶段

五、合作方式

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