微纳米材料的宏观聚集体的制备装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其包括：一容器，用于盛放微纳米单元分散液，该微纳米单元分散液包括溶剂以及微纳米单元；一施压装置；以及一渐缩管道，所述渐缩管道内径沿着该渐缩管道的延伸方向逐渐变小，且所述渐缩管道的管壁上具有多个开孔；该微纳米单元分散液在压力下从所述渐缩管道的入口向出口方向流动；所述渐缩管道对其内部流动的微纳米单元分散液形成一剪切流场，从而使该流动的微纳米单元分散液中的微纳米单元在该剪切流场作用下沿着流动方向有序排布；且所述渐缩管道还可以在该微纳米单元沿着流动方向有序排布后，在该该微纳米单元分散液剪切流动的同时逐渐去除该该微纳米单元分散液的溶剂。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于微纳米
，尤其涉及一种微纳米材料的宏观聚集体的制备方法和制备装置。
技术介绍
石墨烯、碳纳米管等微纳米材料的宏观聚集体中基本的结构单元通常是微米尺度的sp2碳结构。这一微观织构特征决定了组装材料在受力时需通过微纳米结构间相互作用传递载荷。研究表明，微纳米结构的有序排布可以帮助层间的载荷的传递。但是，目前的抽滤、纺丝等加工技术无法获得微纳米材料的高度有序、致密的宏观聚集体，其组装体微观结构松散，结构决定性能，所以获得的材料性能与理想情况差距较大。大自然中，蜘蛛吐出的丝具有极强的韧性和强度，是已知的性能最优异的材料之一，其组成的微观单元高度有序排布。蜘蛛在吐丝瞬间，液态流动产生剪切速度场使微观组成单元高度有序排布，因此具有优异的性能。基于此，本技术提出一种生物启发的流动、蒸发组装技术。通过控制蒸发、压差和管道尺寸产生可控剪切流动速度场使石墨烯、碳纳米管等基本微纳米单元组装成微观结构满足上述要求的的宏观聚集体。
技术实现思路
本技术提供一种微纳米材料的宏观聚集体的制备装置。一种微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其包括：一容器，所述容器用于盛放微纳米单元分散液，所述微纳米单元分散液包括溶剂以及均匀分散于该溶剂中的微纳米单元；一施压装置，所述施压装置用于向该容器内的微纳米单元分散液施加压力；以及一渐缩管道，所述渐缩管道内径沿着该渐缩管道的延伸方向逐渐变小，且所述渐缩管道的管壁上具有多个开孔；该渐缩管道的内径较大的一端定义为入口，内径较小的一端定义为出口；所述渐缩管道的入口与该容器连通，从而使该微纳米单元分散液在所述施压装置的压力下从所述渐缩管道的入口向出口方向流动；所述渐缩管道对其内部流动的微纳米单元分散液形成一剪切流场，从而使该流动的微纳米单元分散液中的微纳米单元在该剪切流场作用下沿着流动方向有序排布；且所述渐缩管道还可以在该微纳米单元沿着流动方向有序排布后，保持该微纳米单元分散液继续流动，并在该微纳米单元分散液剪切流动的同时逐渐去除该微纳米单元分散液的溶剂。如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述渐缩管道的材料为金属、陶瓷、玻璃、石英或聚合物；所述渐缩管道的横截面形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形、长方形、或其他N边形，N≧5。如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述渐缩管道沿着长度方向分为的多段结构，使用时组装在一起。如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，每一段管道为两瓣或多瓣结构，使用时组装在一起。如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述入口通过一阀门与该容器连通。如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述多个开孔仅设置于所述渐缩管道沿着长度方向靠近出口的后段部分。如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述多个开孔仅设置于所述渐缩管道的一个或多个管壁上。如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述多个开孔沿着径向环绕所述渐缩管道设置。如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置进一步包括一加热装置，用于加热该渐缩管道内的微纳米单元分散液。如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置进一步包括一冷冻装置，用于冷冻该渐缩管道内的微纳米单元分散液。采用本技术提供的宏观聚集体的制备装置制备微纳米材料的宏观聚集体，具有以下优点：其一、通过控制渐缩流体管道的压差可以控制管道中的剪切速率大小，从而控制微纳米单元排布有序性，因此，可以通过压差和管道尺寸等外部条件控制流体管道中的流场，进而操纵微纳米材料宏观组装体的微观结构有序性和密度。其二、微纳米单元经过剪切流动有序后，在剪切流动的同时去除溶剂并保持剪切力不变，流动和去除溶剂的协同效应使微纳米单元的有序性不被破坏，从而确保了微纳米材料的宏观聚集体中的微纳米单元的有序性。其三、流体介质容易获得，管道加工技术成熟，适合批量生产，与其他自下而上的技术相比，是一种高通量，低成本的技术，适合大规模工业化生产。附图说明图1为本技术实施例1提供的微纳米材料的宏观聚集体的制备装置的结构示意图。图2为本技术实施例2提供的微纳米材料的宏观聚集体的制备装置的结构示意图。图3为本技术实施例3提供的微纳米材料的宏观聚集体的制备装置的结构示意图。图4为本技术实施例的渐缩管道内的流场分布示意图。图5为本技术实施例的渐缩管道内的微纳米单元的有序性与皮克列数 (Peclet number)、剪切速率的关系图。图6为本技术实施例无序分散于溶液中的微纳米纤维单元经过管道流场剪切、蒸发后变为有序、致密结构的数值模拟结果。图7为不考虑溶剂的蒸发时，本技术实施例的渐缩管道中的微纳米单元分散液所受到的压强差沿着管道长度x的分布以及与所述渐缩管道的管道梯度β的关系。图8为不考虑溶剂的蒸发时，本技术实施例的渐缩管道中的微纳米单元分散液所受到的剪切速率沿着管道长度x的分布以及与所述渐缩管道的形状、尺寸、梯度β以及入口出口压差Δp的关系。图9为考虑溶剂的蒸发时，本技术实施例的渐缩管道中的微纳米单元分散液所受到的剪切速率沿着管道长度x的分布以及与所述渐缩管道的梯度β的关系。主要元件符号说明 微纳米材料的宏观聚集体的制备装置10, 10A, 10B容器12施压装置14渐缩管道16入口160出口162开孔164阀门18加热装置17冷冻装置19微纳米单元分散液20溶剂22微纳米单元24微纳米材料的宏观聚集体26预制体28如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本技术。具体实施方式以下将结合上述附图和不同实施例说明本技术提供的微纳米材料的宏观聚集体的制备方法和制备装置。参见图1，本技术实施例提供的微纳米材料的宏观聚集体的制备装置10包括：一容器12、一施压装置14以及一渐缩管道16。所述容器12用于盛放微纳米单元分散液20。所述微纳米单元分散液20包括溶剂22以及均匀分散于该溶剂22中的微纳米单元24。所述施压装置14与该容器12连接，用于向该容器12内的微纳米单元分散液20施加压力，从而使该微纳米单元分散液20可以沿着所述渐缩管道16流动。所述渐缩管道16与该容器12连接，用于对其内部流动的微纳米单元分散液20形成一剪切流场，从而使该流动的微纳米单元分散液20中的微纳米单元24在该剪切流场作用下沿着流动方向有序排布。而且，所述渐缩管道16还可以在该微纳米单元24沿着流动方向有序排布后，保持该微纳米单元分散液20继续流动，并在该微纳米单元分散液20剪切流动的同时逐渐去除该微纳米单元分散液20的溶剂22，从而在所述渐缩管道16内得到一微纳米材料的宏观聚集体26。所述容器12的形状、大小和结构不限，可以根据需要设计。所述容器12的材料可以为金属、陶瓷、玻璃、石英或聚合物等具有一定硬度和强度的材料。所述施压装置14可以为任何可以向该容器12内的微纳米单元分散液20施加压力的装置。所述施压装置14设置的位置不限，可以根据需要选择。所述渐缩管道16的内径沿着该渐缩管道16的延伸方向逐渐变小。本技术将该渐缩管道16的内径较大的一端定义为入口160，内径较小的一端定义为出口162。优选地，所述渐缩管道16的内径从入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其包括：一容器，所述容器用于盛放微纳米单元分散液；一施压装置，所述施压装置用于向该容器内的微纳米单元分散液施加压力；以及一渐缩管道，所述渐缩管道内径沿着该渐缩管道的延伸方向逐渐变小，且所述渐缩管道的管壁上具有多个开孔；该渐缩管道的内径较大的一端定义为入口，内径较小的一端定义为出口；所述渐缩管道的入口与该容器连通，从而使该微纳米单元分散液在所述施压装置的压力下从所述渐缩管道的入口向出口方向流动；所述渐缩管道对其内部流动的微纳米单元分散液形成一剪切流场，从而使该流动的微纳米单元分散液中的微纳米单元在该剪切流场作用下沿着流动方向有序排布；且所述渐缩管道还可以在该微纳米单元沿着流动方向有序排布后，保持该微纳米单元分散液继续流动，并在该微纳米单元分散液剪切流动的同时逐渐去除该微纳米单元分散液的溶剂。

【技术特征摘要】
1.一种微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其包括：一容器，所述容器用于盛放微纳米单元分散液；一施压装置，所述施压装置用于向该容器内的微纳米单元分散液施加压力；以及一渐缩管道，所述渐缩管道内径沿着该渐缩管道的延伸方向逐渐变小，且所述渐缩管道的管壁上具有多个开孔；该渐缩管道的内径较大的一端定义为入口，内径较小的一端定义为出口；所述渐缩管道的入口与该容器连通，从而使该微纳米单元分散液在所述施压装置的压力下从所述渐缩管道的入口向出口方向流动；所述渐缩管道对其内部流动的微纳米单元分散液形成一剪切流场，从而使该流动的微纳米单元分散液中的微纳米单元在该剪切流场作用下沿着流动方向有序排布；且所述渐缩管道还可以在该微纳米单元沿着流动方向有序排布后，保持该微纳米单元分散液继续流动，并在该微纳米单元分散液剪切流动的同时逐渐去除该微纳米单元分散液的溶剂。2.如权利要求1所述的微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其特征在于，所述渐缩管道的材料为金属、陶瓷、玻璃、石英或聚合物；所述渐缩管道的横截面形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形、长方形、或其他N边形，N≧5。3.如权利要求1所述的微纳米材料的宏观聚集体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐志平，高恩来，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：新型
国别省市：北京;11