一种三维石墨烯复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种三维石墨烯复合材料的制备方法，采用3D打印预先制备三维石墨烯结构，再经过与填充材料复合，制备出三维石墨烯复合材料。该方法步骤简单、成本低、高效；其中制备三维石墨烯结构的过程不需要化学试剂的使用、不需要额外的加工技术辅助、不需要在特殊气氛下加工，实现了快速成型；同时，制备的三维石墨烯复合材料结构可控，可实现多尺度复杂三维石墨烯结构的打印，且获得的复合材料具有优异的综合性能。优异的综合性能。优异的综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种三维石墨烯复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于石墨烯复合材料制备领域，具体涉及一种三维石墨烯复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯作为一种二维碳纳米材料，是由sp2杂化碳原子网状链接而成的二维平面结构。石墨烯具有比表面积大、耐腐蚀、良好的电学性能、极高的力学性能等优异的性质，使其在材料领域、柔性电子领域、能量存储具有非常大的潜在应用。
[0003]三维石墨烯复合材料充分发挥了三维石墨烯片优异的性质，赋予聚合物复合材料优异的导电、导热和力学性能等。同时，以三维石墨烯网络作为骨架构筑多孔三维石墨烯聚合物复合材料，在具备高孔隙率和大比表面积的同时，也具有优异的的电子传输能力，从而可广泛应用于能量存储、环境保护、传感、电子和电磁屏蔽等领域。
[0004]目前制备三维石墨烯复合材料的方法，主要可以分为两类：第一类，先将二维石墨烯材料与聚合物原料进行混合，作为3D打印的原材料，再通过3D打印技术制备三维石墨烯复合材料；第二类，先制备三维石墨烯材料，再通过喷涂、浸泡、铸造等工艺将三维石墨烯与聚合物进行复合，形成三维石墨烯复合材料。
[0005]第一类制备方法中，加工过程较为简单、方便。但是石墨烯与聚合物混合的过程，一直是阻碍制备三维石墨烯复合材料的关键问题。石墨烯与聚合物基体间的界面相互作用弱；石墨烯在聚合物内分散很难均一；石墨烯片间接触电阻高。石墨烯与聚合物混合的工艺复杂，耗时长，而且石墨烯的团聚，很难实现与聚合物形成分散均一的混合物，这将导致成型的三维石墨烯复合材料性能差别很大，阻碍其研究与应用。
[0006]第二类制备方法中，传统的三维石墨烯制备与研究中，常用的方法包括化学气相沉积(CVD)、氧化还原法、化学交联法等方法。但是这些方法在加工过程中需要大量化学试剂的辅助，以及高温真空等苛刻的环境。同时化学试剂的存在会影响石墨烯结构的性能；且这些方法加工过程复杂、成本高，严重影响加工成本与周期；此外，这些方法制备的三维石墨烯材料，外形结构简单，多为规则的立方体，很难实现复杂形貌的制备。这些加工方法存在的缺点，导致后续制备三维石墨烯复合材料的工艺更为复杂，难以设计具有特定形貌以及性能的功能三维石墨烯复合材料。

技术实现思路

[0007]为了克服加工过程复杂、成型结构简单等上述缺点，实现三维石墨烯复合材料的快速成型，本专利技术提供了一种三维石墨烯复合材料的制备方法，利用3D打印技术先制备三维石墨烯，将成型的三维石墨烯材料与高分子聚合物通过浸泡工艺，进行填充复合化，构建三维石墨烯复合材料。成型的三维石墨烯复合材料，形貌结构与3D打印制备的三维石墨烯材料一致。
[0008]本专利技术的制备方法具体包括以下步骤：
[0009]S1基底加工，将聚酰亚胺(PI)纸固定在底板上，对PI纸激光诱导，产生激光诱导石墨烯(LIG)基底；
[0010]S2铺粉，将聚合物粉末平铺在所述基底LIG表面，粉层厚度是石墨烯生长高度的60％
‑
80％；
[0011]S3激光诱导，使用CO2激光对铺好的聚合物粉末进行激光选择性碳化，形成预先设计的单层石墨烯膜；
[0012]S4继续铺粉，在形成的石墨烯表面平铺一层聚合物粉末，粉层厚度是石墨烯生长高度的60％
‑
80％；
[0013]S5激光诱导，使用CO2激光对铺好的聚合物粉末进行激光选择性碳化，形成预先设计的单层石墨烯膜；
[0014]S6逐层打印，反复重复步骤S4和S5，直至打印完成，得到三维石墨烯结构；
[0015]S7浸渍处理，将S6得到的三维石墨烯结构浸泡于填充材料中，充分浸泡后取出，进行固化，即得到三维石墨烯复合材料；
[0016]所述步骤S3和S5中采用的激光加工功率与铺粉厚度的关系为：L＝a(93.5x
‑
15.5)，其中a代表相关系数，为(60％
‑
80％)，x代表激光功率，单位为W，L代表铺粉层厚度，单位为μm。
[0017]进一步的，所述S3和S5中CO2激光的激光焦距、扫描速度和打印分辨率分别为33.1
‑
43.1mm，2.54
‑
203.2mm/s和10
‑
1000ppi/inch，激光功率为0.25
‑
25W，激光选择性碳化在室温大气环境条件下即可进行。
[0018]进一步的，所述填充材料为热固性树脂、热塑性树脂或橡胶。
[0019]进一步的，所述填充材料还包括稀释剂。
[0020]进一步的，所述热固性树脂为环氧树脂，稀释剂为丙酮。
[0021]进一步的，所述橡胶为Ecoflex或PDMS。
[0022]进一步的，所述橡胶为Ecoflex，稀释剂为丙酮、异丙醇或乙酸乙酯。
[0023]进一步的，所述浸泡在室温下进行，浸泡时间为30min
‑
6h。
[0024]进一步的，所述基底为激光诱导PI纸产生的石墨烯膜。
[0025]进一步的，所述聚合物粉末的粒径小于等于10μm。
[0026]进一步的，所述聚合物粉末为热塑性粉体，包括聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)或聚醚醚酮(PEEK)粉末。
[0027]进一步的，所述S3和S5中激光选择性碳化采用单次诱导。
[0028]本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0029]1.本专利技术提供的三维石墨烯复合材料制备方法，制备过程简单、快速、成本低、原材料丰富。并且由于三维石墨烯结构的形状、尺寸都可预先通过计算机设计，可以获得复杂形貌的三维石墨烯复合材料。
[0030]2.本专利技术采用3D打印制备的三维石墨烯结构与聚合物填充材料进行复合，聚合物填充材料在三维石墨烯网络中均匀分散填充，获得的三维石墨烯复合材料，性能均一，力学性能优异，采用不同类型的聚合物填充材料，能够使得制备的复合材料具备不同的特性，从而能够满足不同应用场合的需求。
[0031]3本专利技术提供的三维石墨烯复合材料制备方法，可获得不同性能的复合材料。通过
调控激光加工参数，制备不同结构的三维石墨烯，在通过浸泡工艺，制备具有不同性能的三维石墨烯复合材料。
[0032]4本专利技术提供的三维石墨烯复合材料制备方法，可获得不同性能的复合材料。通过调控聚合物填充材料的稀释程度，制备具有不同性能的三维石墨烯复合材料。
[0033]5.本专利技术制备三维石墨烯结构时采用粒径小于等于10μm的聚合物粉末，加工时，粉末体积变化小，流动快，产生的变形很小，有效地提升了成型样品的精度。
[0034]6.本专利技术中3D打印石墨烯结构的过程是逐层累积的过程，第一层石墨烯膜的成型影响后续铺粉层厚度，进而影响后续成型；具体地讲，聚合物在激光诱导后，产生的石墨烯膜的生长高度决定铺粉厚度。如果铺粉过厚，经过第二次诱导后，激光不能将所有的粉体进行碳化，从而导致在第一次成型的石墨烯与第二次成型的石墨烯之本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1基底加工，将聚酰亚胺(PI)纸固定在底板上，对PI纸激光诱导，产生激光诱导石墨烯(LIG)基底；S2铺粉，将聚合物粉末平铺在所述基底LIG表面，粉层厚度是石墨烯生长高度的60％
‑
80％；S3激光诱导，使用CO2激光对铺好的聚合物粉末进行激光选择性碳化，形成预先设计的单层石墨烯膜；S4继续铺粉，在形成的石墨烯表面平铺一层聚合物粉末，粉层厚度是石墨烯生长高度的60％
‑
80％；S5激光诱导，使用CO2激光对铺好的聚合物粉末进行激光选择性碳化，形成预先设计的单层石墨烯膜；S6逐层打印，反复重复步骤S4和S5，直至打印完成，得到三维石墨烯结构；S7浸渍处理，将S6得到的三维石墨烯结构浸泡于填充材料中，充分浸泡后取出，进行固化，即得到三维石墨烯复合材料；所述步骤S3和S5中采用的激光加工功率与铺粉厚度的关系为：L＝a(93.5x
‑
15.5)，其中a代表相关系数，为(60％
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80％)，x代表激光功率，单位为W，L代表铺粉层厚度，单位为μm。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充材料为热固性树脂、热塑性树脂或橡胶。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热固性树脂为环氧树脂，所述橡胶为Ecofle...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗斯达，刘福，王冠韬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：