一种网壳结构碳纳米管-石墨烯复合材料及制备方法技术

一种网壳结构碳纳米管

【技术实现步骤摘要】
一种网壳结构碳纳米管
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石墨烯复合材料及制备方法


[0001]本专利技术属复合材料
，具体涉及一种网壳结构碳纳米管
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石墨烯复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纳米管(CNTs)或石墨烯(GN)以其优异的性能，常作为增强相应用于金属基复合材料的制备中。但由于它们的一维或二维特性，造成其在金属基复合材料中的性能表现出现各向异性。其次，在粉末冶金法制备金属基复合材料的压制、承载过程中，CNTs的C
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C管状、GN的C
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C片层状结构极易被破坏，形成无定型碳，降低其增强效果。由于CNTs、GN的比表面积大，易缠结、团聚，导致在金属基复合材料中承载时其结构不稳定，刚度不够，不能有效传递载荷，造成抗拉强度下降；并且金属基复合材料在磨损过程中，由于碳层结构的破坏，增强相CNTs或GN易从金属基体中剥离，造成磨损率增大等问题。一般单独使用碳纳米管或石墨烯增强的金属基复合材料，在提高硬度及抗拉强度的同时，延伸率会下降。
[0003]碳纳米管
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石墨烯复合材料由于石墨烯和碳纳米管两者的协同作用，能提高材料性能。近年来，虽然有关碳纳米管
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石墨烯复合材料的制备和应用报道较多，但产品的用途主要集中于光电器件，储能电池，电化学传感器等领域。例如，申请号为2018111569851的中国专利文件公布了一种高稳定性石墨烯/碳纳米管复合导电浆料的制备方法，是分别对石墨烯、碳纳米管采用高速研磨，然后添加粘结剂后进行简单混合，获得一种碳纳米管与石墨烯的混合浆料。申请号为2017114778623的中国专利文件公布了石墨烯/碳纳米管复合材料及其制备方法和应用，是在石墨的氧化反应过程中加入碳纳米管，获得碳纳米管与石墨烯的混合物，作为一种导电剂应用于锂电池中。一些方法利用碳源在石墨烯基础上气相沉积于碳纳米管，或在碳纳米管的结构间隙中制备获得石墨烯。例如，申请号为2019111777632的中国专利文件公布了一种三维多孔石墨烯骨架
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单壁碳纳米管柔性复合材料及其制备方法，先用球磨法混合铜粉基单壁碳纳米管，采用化学气相沉积法在单壁碳纳米管的空间内制备石墨烯片层，用于柔性电子材料。虽然申请号为2018107795385的中国专利文件公布了一种三维石墨烯
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碳纳米管网络结构及其制备方法，利用苯环为碳源，化学气象沉积碳纳米管海绵体，然后在海绵体中经过胺化
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碳化过程制备石墨烯；由于其石墨烯是随机分布在碳纳米管海绵体的孔隙中，不能对碳纳米管海绵体有很好的支撑作用，因此产品若作为增强相，并不能解决在摩擦过程减少碳纳米管及石墨烯的结构破坏问题。对于作为金属基复合材料的增强相，特别是粉末冶金法制备金属基复合材料的增强相，还需要进一步研发新结构的碳纳米管
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石墨烯复合材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种网壳结构碳纳米管
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石墨烯复合材料及制备方法，所得材料特别适用于做金属基复合材料的增强相。
[0005]为实现专利技术目的，申请人参照建筑学中的网壳结构，研发制备网壳结构的碳纳米
管
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石墨烯复合材料。利用碳纳米管自缠绕的特性，使粗径、细径碳纳米管编织制备曲面网格链接、包裹在石墨烯纳米片外，以解决碳纳米管缠绕、石墨烯团聚的问题；由于这种碳纳米管编织的网壳，主要是通过编织网壳的碳纳米管的多个方向逐点传力，粗径碳纳米管主要起梁的作用，承受载荷可沿细径碳纳米管编织的网，向多个方向传递，因此碳纳米管网壳受力均匀，空间刚度大，稳定性更高，不仅能提高金属基复合材料的硬度、抗拉强度，同时解决金属基复合材料磨损过程中碳纳米管或石墨烯增强相的剥离脱落问题。
[0006]本专利技术网壳结构碳纳米管
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石墨烯复合材料，其特征在于：石墨烯表面斜插嵌入粗径碳纳米管，再以粗径碳纳米管为支撑、链接杆系基础，在石墨烯表面由细径碳纳米管编织获得曲面空间网格壳体结构，这种由粗径、细径碳纳米管构架的网壳链接并包覆在石墨烯表面。
[0007]本专利技术网壳结构碳纳米管
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石墨烯复合材料的方法，其特征在于按以下步骤：
[0008](1)机械激活石墨烯表面：将多层石墨烯原料加入卧式搅拌高能球磨机，加入陶瓷磨球，进行高速度、长时间研磨，以确保石墨烯被充分碾磨，并且石墨烯碎片粘附在陶瓷磨球表面，被破碎的石墨烯碎片表面碳环被破坏，出现空位及表面配位不全，石墨烯表面能升高，为碳纳米管的斜插嵌入提供活化位点；
[0009](2)制备石墨烯分散液：将步骤(1)球磨后的磨球及物料倒出，将表面粘附着石墨烯碎片的磨球筛分取出，加入0#分散溶液，进行超声处理；将超声处理后的磨球及溶液加入球磨仓，低速度、短时间研磨，研磨过程中磨球表面粘附的石墨烯碎片被清洗至分散液中，获得石墨烯碎片悬浮液A；
[0010](3)搭建粗径碳纳米管支撑杆系：添加粗径碳纳米管至步骤2中制备的石墨烯碎片悬浮液A中，然后进行高速度、短时间研磨。利用高速碰撞的动能，使粗径碳纳米管能在步骤1中机械激活的石墨烯碎片表面的空位及缺陷处，形成斜插嵌入石墨烯片层的结构。粗径碳纳米管斜插嵌入石墨烯碎片，为编织碳纳米管网壳提供杆系支撑及链接作用；
[0011](4)编织碳纳米管
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石墨烯网壳结构：在步骤3制备的粗径碳纳米管
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石墨烯碎片的悬浮液中添加细径碳纳米管，进行低速度、长时间研磨，至细径碳纳米管与粗径碳纳米管发生自缠绕，并在石墨烯碎片外层编织形成，由粗径碳纳米管为杆系梁、细径碳纳米管为曲面网格构成的空间网壳结构，随后出料、清洗、抽滤、干燥获得一种网壳结构碳纳米管
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石墨烯复合材料；
[0012]步骤(1)所述多层石墨烯原料的片层数为3
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10层，片径为3
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15μm；陶瓷磨球为ZrO2磨球，磨球直径为2
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5mm，磨球与石墨烯体积比为1:1
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1.5，磨球与石墨烯在球磨仓的体积填充率为40％
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60％；所述高速度、长时间研磨为磨球碰撞速度9
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15米/秒，研磨时间3
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6小时；
[0013]步骤(2)所述0#分散溶液由1#表面活性剂、2#分散剂与水组成，2#分散剂为十二烷基二苯醚二磺酸钠、十二烷基苯磺酸、十八烷基甲苯磺酸钠、对甲苯磺酸钠、N,N
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二甲基吡咯烷酮、石油磺酸钠、聚乙二醇其中的一种或两种；0#分散溶液中1#表面活性剂浓度为1
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3g/L，2#分散剂浓度为1
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4g/L；
[0014]步骤(2)所述表面粘附着石墨烯碎片的磨球加入0#分散溶液，其中0#分散溶液:磨球的体积比为1.3
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1:1。超声处理后磨球及溶液加入球磨仓，进行低速度、短时间研磨，磨球碰撞速度：2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种网壳结构碳纳米管
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石墨烯复合材料，其特征在于：石墨烯表面斜插嵌入粗径碳纳米管，再以粗径碳纳米管为支撑、链接杆系基础，在石墨烯表面由细径碳纳米管编织成曲面空间网格壳体结构，这种由粗径、细径碳纳米管构架的网壳链接并包覆在石墨烯表面。2.一种网壳结构碳纳米管
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石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于按以下步骤：(1)机械激活石墨烯表面：将多层石墨烯原料加入卧式搅拌高能球磨机，加入陶瓷磨球，进行高速度、长时间研磨，以确保石墨烯被充分碾磨，并且石墨烯碎片粘附在陶瓷磨球表面，被破碎的石墨烯碎片表面碳环被破坏，出现空位及表面配位不全，石墨烯表面能升高，为碳纳米管的斜插嵌入提供活化位点；(2)制备石墨烯分散液：将步骤(1)球磨后的磨球及物料倒出，将表面粘附着石墨烯碎片的磨球筛分取出，加入0#分散溶液，进行超声处理；将超声处理后的磨球及溶液加入球磨仓，低速度、短时间研磨，研磨过程中磨球表面粘附的石墨烯碎片被清洗至分散液中，获得石墨烯碎片悬浮液A；(3)搭建粗径碳纳米管支撑杆系：添加粗径碳纳米管至步骤2中制备的石墨烯碎片悬浮液A中，然后进行高速度、短时间研磨。利用高速碰撞的动能，使粗径碳纳米管能在步骤1中机械激活的石墨烯碎片表面的空位及缺陷处，形成斜插嵌入石墨烯片层的结构。粗径碳纳米管斜插嵌入石墨烯碎片，为编织碳纳米管网壳提供杆系支撑及链接作用；(4)编织碳纳米管
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石墨烯网壳结构：在步骤3制备的粗径碳纳米管
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石墨烯碎片的悬浮液中添加细径碳纳米管，进行低速度、长时间研磨，至细径碳纳米管与粗径碳纳米管发生自缠绕，并在石墨烯碎片外层编织形成，由粗径碳纳米管为杆系梁、细径碳纳米管为曲面网格构成的空间网壳结构，随后出料、清洗、抽滤、干燥获得一种网壳结构碳纳米管
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石墨烯复合材料；步骤(1)所述多层石墨烯原料的片层数为3
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10层，片径为3
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15μm；陶瓷磨球直径为2
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5mm，磨球与石墨烯体积比为1:1
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1.5，磨球与石墨烯在球磨仓的体积填充率为40％...

【专利技术属性】
技术研发人员：周蕾，岳有成，胥福顺，吕爽，蔡晓兰，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：