一种光推进石墨烯复合材料薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种光推进石墨烯复合材料薄膜及其制备方法和应用，属于聚酰亚胺材料光推进技术领域。本发明专利技术中制备的石墨烯聚酰亚胺复合材料具有以下特征：材料具有高导电性能；材料具有高强度、高热稳定性；材料具有光驱动性能，在可见光的照射下可以被驱动，光源为激光、短弧氙等或模拟日光、太阳光；驱动的形式为复合材料的样品在光源的照射下被推动、被举起。

A kind of light propelling graphene composite film and its preparation and Application

The present invention relates to a kind of light propelling graphene composite film and its preparation method and application, which belongs to the field of light propulsion technology of polyimide material. Has the following characteristics for graphene polyimide composite material prepared by the invention: materials with high conductivity; materials with high strength and high thermal stability; materials with optical drive performance, can be driven under visible light illumination, light source for laser, short arc xenon or simulated sunlight, sunlight; driving form for the samples of the composite were promoted, under the irradiation of light is lifted.

【技术实现步骤摘要】
一种光推进石墨烯复合材料薄膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种光推进石墨烯复合材料薄膜及其制备方法和应用，属于聚酰亚胺材料光推进

技术介绍
空间飞行器是人类探索宇宙的重要工具，而动力源问题一直羁绊着人类无法走得更远。目前几乎所有的航空、航天飞行均采用通过喷射燃烧的化学物质来获得驱动力，把运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨运行技术，主要是液体和固体化学推进。随着人类利用和探索宇宙空间的范围和深度大大拓展，人类又掀起了新一轮以深空探测为标志的太空探索热潮，而传统的化学推进已经无法满足未来空间的需求。主要是能量密度低，利用化学推进需要携带大量的燃料，目前液体和固体火箭发动机所携带的燃料要占到总重量的90％以上，而有效载荷只占1-1.5％，化学推进效率低、可靠性较低等特点，消耗大量燃料且不能将航天器加速到足够的速度，这是无法满足深空探测要求。与传统的化学推进相比，石墨烯光推进最突出的优点是不需要携带燃料，航天器在大气层在飞行时，利用太阳光的照射，就可以驱动飞行器。南开大学陈永胜教授等专家研制出的一种石墨烯材料，在其宏观材料特殊形貌结构和石墨烯自身特殊电子结构的共同作用下，可以在包括太阳光在内的各种光源照射下有效驱动飞行，其获得的驱动力是传统光压的1000倍以上。现在太阳帆薄膜材料一般以塑料薄膜为基体,反射面覆有铝层、发射面覆有铬层。由于大多塑料薄膜材料的光推进效率低，获得驱动力较小，因此需要其整体尺寸巨大，帆面积可达到数百甚至数千平方米，使得太阳帆航天器往往具有巨大的转动惯量，不方便发射和航天器姿态控制。因为石墨烯材料的光驱动压力大，利用其做薄膜帆材料，大大提高驱动力，减小帆面积，利于发射和航天器姿态控制。本专利技术利用石墨烯、二元酐、二元胺制备一种光驱动石墨烯聚酰亚胺薄膜材料解决薄膜帆光驱动力小，面积大，控制航天器姿态等问题。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种光推进石墨烯复合材料薄膜及其制备方法和应用。本专利技术的技术解决方案是：一种光推进石墨烯复合材料薄膜，该复合材料薄膜的成分包括石墨烯和聚酰亚胺，石墨烯的质量和聚酰亚胺的质量比为：10～50：100。一种光推进石墨烯复合材料薄膜的制备方法，该方法的步骤包括：1)将改性石墨烯经搅拌、超声处理后均匀分散在有机溶剂中，得到石墨烯的有机分散液；2)在40～60℃的条件下，将均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚置于二甲基乙酰胺溶剂中进行聚合反应，得到固含量在15wt％～30wt％的聚酰胺酸胶液A；3)在40～60℃的条件下，将3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐和对苯二胺置于二甲基乙酰胺溶剂中进行聚合反应，得到固含量在15wt％-30wt％的聚酰胺酸胶液B；4)将步骤1)得到的石墨烯的有机分散液、步骤2)得到的聚酰胺酸胶液A和步骤3)得到的聚酰胺酸胶液B进行混合，得到聚酰胺酸复合胶液；其中，石墨烯含量占聚酰胺酸复合胶液中固形物总量的10wt％～30wt％；5)40-60℃的条件下，在步骤4)得到的聚酰胺酸复合胶液中添加均苯四甲酸二酐，使聚酰胺酸复合胶液的粘度为300～350pa.s；6)将步骤5)得到的聚酰胺酸复合胶液进行消泡处理，然后将消泡后的聚酰胺酸复合胶液通过流涎成型工艺制成薄膜，最后将薄膜送入亚胺化炉内进行双向拉伸、亚胺化和定型处理，得到光推进石墨烯聚酰亚胺薄膜。所述的步骤1)中，改性石墨烯的制备方法为：i将采用Hummers法制备的氧化石墨烯分散在乙醇中，经搅拌、超声处理，使得氧化石墨烯充分分散，得到浓度为1～2mg/ml的氧化石墨烯乙醇溶液；ii将步骤i得到的氧化石墨烯乙醇溶液加入到高压热反应釜中，密封反应釜，放入预加热180～200℃烘箱中，进行高温溶剂热反应，反应时间16-20小时，停止反应，冷却至室温后，取出充满乙醇的石墨烯材料，置于容器中；iii将步骤ii得到的充满乙醇的石墨烯材料中的溶剂置换为去离子水，得到充满去离子水的石墨烯材料；iv将步骤iii得到的充满去离子水的石墨烯材料在-50℃～-60℃的温度下进行冷冻干燥；v将步骤iv冷冻干燥处理后的石墨烯材料在惰性气氛或真空环境中800～1000℃进行高温煅烧1～2小时，制得石墨烯材料；vi将步骤v得到的石墨烯材料放到pH＝8的2mg/ml多巴胺水溶液中，在石墨烯表面形成了一层聚多巴胺薄层，过滤、真空干燥得到改性后的石墨烯。所述的步骤1)中，有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮；所述的步骤1)中，改性石墨烯与有机溶剂的质量关系1～2mg/ml；所述的步骤2)中，均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚的摩尔比为1:1.006～1.015；所述的步骤3)中，3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐和对苯二胺的摩尔比为1:1.006～1.015；所述的步骤3)中，3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐还可以是邻苯二甲酸酐、偏苯三甲酸酐或四溴苯二甲酸酐；所述的步骤4)中，石墨烯的有机分散液、聚酰胺酸胶液A和酰胺酸胶液B的质量比为：1～5:1：1～3；所述的步骤6)中，双向拉伸处理的温度为150～200℃，横向拉伸与纵向拉伸的拉伸比均为1.10～1.25，亚胺化处理的温度为360～400℃，亚胺化处理的时间为3～4分钟，定型处理的温度为180～250℃，定型处理的时间为2～3分钟。有益效果1)所要解决的技术问题是提供一种光推进石墨烯复合材料薄膜的制备方法，通过该方法制备所得的光推进石墨烯复合材料薄膜具有高强度、高稳定性、高电气强度和光驱动等性能优势。本技术为石墨烯光推进技术在航天器推进系统的升级换代，提升在轨航天器的寿命和性能，降低现有航天器的成本，创造显著的经济效益。2)本专利技术制备的石墨烯聚酰亚胺复合材料具有高强度、高稳定性、高电气强度和光驱动性能。3)本专利技术中制备的石墨烯聚酰亚胺复合材料具有以下特征：材料具有高导电性能；材料具有高强度、高热稳定性；材料具有光驱动性能，在可见光的照射下可以被驱动，光源为激光、短弧氙等或模拟日光、太阳光；驱动的形式为复合材料的样品在光源的照射下被推动、被举起。4)所述光驱动的操作应当将材料放置于真空环境，光源放置于真空环境当中，或在装置上增加透光窗口结构、在真空装置的局部使用石英透光材料，从而将光线引入得以照射；5)制备所得的石墨烯聚酰亚胺薄膜具有高强度、高热稳定性和光驱动等性能优势，所述的光驱动石墨烯聚酰亚胺材料用于导电材料、太空飞行器及光驱动器件或装置、太阳帆材料。6)本专利技术石墨烯/聚酰亚胺复合材料薄膜的制备方法，包括以下步骤：将均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚置于二甲基乙酰胺溶剂中进行聚合反应，得到聚酰胺酸胶液A，将3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐(或者邻苯二甲酸酐、偏苯三甲酸酐、四溴苯二甲酸酐)和对苯二胺置于二甲基乙酰胺溶剂中进行聚合反应，得到聚酰胺酸胶液B，将聚酰胺酸胶液A和聚酰胺酸胶液B混合，制备石墨烯分散液，将石墨烯分散液充分分散于多元聚酰胺酸胶液中，得到聚酰胺酸复合胶液，将聚酰胺酸复合胶液通过流涎成型工艺制成薄膜，最后将薄膜送入亚胺化炉内进行处理，即得所述聚酰亚胺薄膜。通过本专利技术制备所得的石墨烯/聚酰亚胺复合材料薄膜具有高强度、高稳定性、高导电性和光驱动等性能优势。附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光推进石墨烯复合材料薄膜，其特征在于：该复合材料薄膜的成分包括石墨烯和聚酰亚胺，石墨烯的质量和聚酰亚胺的质量比为：10～50：100。

【技术特征摘要】
1.一种光推进石墨烯复合材料薄膜，其特征在于：该复合材料薄膜的成分包括石墨烯和聚酰亚胺，石墨烯的质量和聚酰亚胺的质量比为：10～50：100。2.一种光推进石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：1)将改性石墨烯经搅拌、超声处理后均匀分散在有机溶剂中，得到石墨烯的有机分散液；2)在40～60℃的条件下，将均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚置于二甲基乙酰胺溶剂中进行聚合反应，得到固含量在15wt％～30wt％的聚酰胺酸胶液A；3)在40～60℃的条件下，将3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐和对苯二胺置于二甲基乙酰胺溶剂中进行聚合反应，得到固含量在15wt％-30wt％的聚酰胺酸胶液B；4)将步骤1)得到的石墨烯的有机分散液、步骤2)得到的聚酰胺酸胶液A和步骤3)得到的聚酰胺酸胶液B进行混合，得到聚酰胺酸复合胶液；其中，石墨烯含量占聚酰胺酸复合胶液中固形物总量的10wt％～30wt％；5)40-60℃的条件下，在步骤4)得到的聚酰胺酸复合胶液中添加均苯四甲酸二酐，使聚酰胺酸复合胶液的粘度为300～350pa.s；6)将步骤5)得到的聚酰胺酸复合胶液制备成薄膜，得到光推进石墨烯聚酰亚胺薄膜。3.根据权利要求2所述的一种光推进石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤6)中，将聚酰胺酸复合胶液制备成薄膜的方法为：首先对聚酰胺酸复合胶液进行消泡处理，然后将消泡后的聚酰胺酸复合胶液通过流涎成型工艺制成薄膜，最后将薄膜送入亚胺化炉内进行双向拉伸、亚胺化和定型处理，得到光推进石墨烯聚酰亚胺薄膜。4.根据权利要求2所述的一种光推进石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中，改性石墨烯的制备方法为：i将采用Hummers法制备的氧化石墨烯分散在乙醇中，经搅拌、超声处理，使得氧化石墨烯充分分散，得到浓度为1～2mg/ml的氧化石墨烯乙醇溶液；ii将步骤i得到的氧化石墨烯乙醇溶液加入到高压热反应釜中，密封反应釜，放入预加热180～200℃烘箱中，进行高温溶剂热反应，反应时间16-20...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋盛菊，代京，袁本立，雍颖琼，程奇峰，张宏江，王琳娜，刘冬，阳佳，李旗挺，王振亚，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11