一种碳气凝胶及其制备方法和压力传感器技术

本发明专利技术提供了一种碳气凝胶及其制备方法和压力传感器，属于纳米材料研究领域。由无定形碳和石墨烯通过“泥砖”结构构成的具有全向可压缩超弹性的碳气凝胶及其制备方法，包括：将糖类添加剂和氧化石墨烯分散到溶剂中形成氧化石墨烯和添加剂混合分散溶液；将混合溶液进行干燥，获得含添加剂的氧化石墨烯气凝胶；在惰性气体保护下高温热处理含添加剂氧化石墨烯气凝胶，得到碳气凝胶，得到的碳气凝胶具有全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性、高强度的和高导电性，本发明专利技术还涉及一种基于该气凝胶的触觉和压力传感器。

【技术实现步骤摘要】
一种碳气凝胶及其制备方法和压力传感器
本专利技术涉及纳米材料
，特别涉及一种碳气凝胶及其制备方法和压力传感器。
技术介绍
气凝胶具有比表面积大、孔隙率大、密度小、热导率低等特点，在电子工业、航空航天、能源、化工、工业催化、环保等领域有着巨大的应用潜力。最常见的气凝胶是二氧化硅气凝胶，已被广泛应用于隔热、隔音和减震等领域。近年来，碳气凝胶尤其是石墨烯气凝胶获得了科研人员和工业界的广泛关注。石墨烯是具有高电导率(1×106S/m)、高模量(1TPa)、高强度(130GPa)高比表面积(2630m2/g)等优异性能的新型二维材料，以石墨烯为主体构成气凝胶可以赋予气凝胶新的优异特性，比如高强度、耐压缩、高电导率等。化学气相沉积和氧化还原法是实现石墨烯大规模制备的主要方法，以这两种方法为基础发展了两大类制备石墨烯气凝胶的方法：模板气相沉积法和溶液自组装法。模板气相沉积法在泡沫镍或二氧化硅海绵等三维多孔材料上先通过化学气相沉积出连续的管状石墨烯三维网络，再刻蚀掉多孔基底，然后进一步干燥和热处理之后得到石墨烯气凝胶。这种方法制备的石墨烯气凝胶虽然结晶度高，电学和力学性能优异，但是其微观结构取决于基底的多孔材料，不易对其进行调控，同时难以克服需要复杂工艺和极高温度热处理(2250℃)带来的高成本的问题。溶液自组装法和模板气相沉积法相比，无需沉积模板，所以其结构和性质很容易调控，同时不需要复杂的工艺和超高的处理温度，成本低，更适合工业化。但是现有的溶液自组装法得到的碳气凝胶力学和电学性能不好，无法和模板气相沉积法相比拟。即使在溶液自组装法中通过复合碳纳米管或高分子来固定石墨烯网络，得到的的气凝胶也不具备全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性，同时强度和导电性都不高。所述的全向可压缩超弹性或全向可回复压缩性即沿其三维坐标系(X-Y-Z)的任意方向具有超弹性或受压缩后撤掉压力后均能回复到压缩长度的60％以上的性质。综上所述，目前尚未有低成本、可控性好的制备具有全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性、高强度和高电导率的的碳气凝胶的报道。而具备全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性、高强度和高电导率的碳气凝胶不仅在构筑新型耐压缩的柔性电池、超级电容器、传感器、制动器等电子学器件中起决定作用，而且对未来发展基于碳气凝胶的碳生物组织支架、超轻机械阻尼多孔材料以及超轻隔热/隔音多孔材料至关重要。因此，发展一种制备步骤简捷、可控性好、制备具有全向可压缩超弹性、高强度和高电导率的碳气凝胶的方法具有重要的科学意义和应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，开发一种具有全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性、高强度的和高导电性的碳气凝胶，并提供了其制备方法。本专利技术的另一个目的是：基于这种具备全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性、高强度和高导电性的碳气凝胶，提供一种可全向探测压力、探测下限低的和高灵敏度的触觉和压力传感器。特别地，本专利技术提供的碳气凝胶是一种组合物，其特征是：由石墨烯或部分还原的氧化石墨烯和无定形碳通过“砖泥”结构构筑形成的碳气凝胶；所述“砖泥”结构是指由单层或若干层的石墨烯或部分还原的氧化石墨烯作为“砖”，无定形碳作为“泥”包覆或部分包覆所述石墨烯或部分还原的氧化石墨烯，以使石墨烯或部分还原的氧化石墨烯和无定形碳衔接而成类似“砖泥”结构的多孔网络状复合结构；其组分的重量百分比为：石墨烯或部分还原的氧化石墨烯0.1-99.9％，无定形碳0.1％-99.9％。优选地，所述碳气凝胶具有全向可压缩超弹性，具有全向可回复压缩性。优选地，所述碳气凝胶宏观上是多孔泡沫状。形状、尺寸和维度不限，密度可低于0.2mg/cm3。孔径大小范围不限，优选地可为1nm-500μm。沿着不同方向均具有优异的弹性和可回复压缩性，即具备全向可压缩超弹性和全向可回复压缩性。压缩强度可大于500kPa，电导率可大于80S/m。进一步地，由石墨烯和无定形碳形成的所述碳气凝胶，其组成为碳元素，不含其他元素；由部分还原的氧化石墨烯和无定形碳形成的所述碳气凝胶，其组成为氧和碳元素，不含其他元素；其中，所述碳气凝胶的氧元素原子百分比≤1％时，所述碳气凝胶为全碳气凝胶。优选地，所述的碳气凝胶氧元素原子百分比≥0.01％，其余全部为碳元素。优选地，所述的全碳气凝胶氧元素原子百分比≥0.01％且≤1％，其余全部为碳元素。进一步地，所述的碳气凝胶中组成元素比例任意可调。可选地，所述的碳气凝胶的组成元素中氧元素的原子百分比可以控制在60％-50％，其余全部为碳元素。可选地，所述的碳气凝胶的组成元素中氧元素的原子百分比可以控制在50％-20％，其余全部为碳元素。可选地，所述的碳气凝胶的组成元素中氧元素的原子百分比可以控制在20％-10％，其余全部为碳元素。可选地，所述的碳气凝胶的组成元素中氧元素的原子百分比可以控制在10％-5％，其余全部为碳元素。。可选地，所述的碳气凝胶的组成元素中氧元素的原子百分比可以控制在5％-3％，其余全部为碳元素。可选地，所述的碳气凝胶的组成元素中氧元素的原子百分比可以控制在3％-1％，其余全部为碳元素。可选地，所述的全碳气凝胶的组成元素中氧元素的原子百分比可以控制在0.1％-1％，其余全部为碳元素。可选地，所述的全碳气凝胶的组成元素中氧元素的原子百分比可以控制在0％-0.6％，其余全部为碳元素。可选地，所述的全碳气凝胶的组成元素中氧元素的原子百分比可以控制在0％-0.1％，其余全部为碳元素。可选地，所述的碳气凝胶的组成元素中氧元素的原子百分比可以控制在0.1％-60％，其余全部为碳元素。本专利技术提供的碳气凝胶超轻，密度可低于0.5mg/cm3。本专利技术提供的碳气凝胶的密度在一定范围内可调；可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括低于0.2mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括0.2-0.5mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括大于0.2mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括大于0.5mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括0.51-1mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括1-5mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括0.5-3mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括5-15mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括15-30mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括30-50mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括40-50mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括50-100mg/cm3。可选地，所述的碳气凝胶的密度范围包括100-200mg/cm3。进一步地，所述的碳气凝胶的孔径范围在一定范围内可调；优选地，在1nm-500μm内可调。可选地，所述的碳气凝胶的孔径范围包括1nm-100nm。可选地，所述的碳气凝胶的孔径范围包括1nm-100nm。可选地，所述的碳气凝胶的孔径范围包括100nm-10μm。可选地，所述的碳气凝胶的孔径范围包括10μm-50μm。可选地，所述的碳气凝胶的孔径范围包括50μm-200μm。可选地，所述的碳气凝胶的孔径范围包括200μm-250μm。可选地，所述的碳气凝胶的孔径范围包括大于250μm。进一步地，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳气凝胶，其特征在于，由石墨烯或部分还原的氧化石墨烯和无定形碳通过“砖泥”结构构筑形成；所述“砖泥”结构是指由单层或若干层的石墨烯或部分还原的氧化石墨烯作为“砖”，无定形碳作为“泥”包覆或部分包覆所述石墨烯或部分还原的氧化石墨烯，以使石墨烯或部分还原的氧化石墨烯和无定形碳衔接而成类似“砖泥”结构的多孔网络状复合结构；其组分的重量百分比为：石墨烯或部分还原的氧化石墨烯0.1‑99.9％，无定形碳0.1％‑99.9％。

【技术特征摘要】
2017.01.20 CN 20171004184101.一种碳气凝胶，其特征在于，由石墨烯或部分还原的氧化石墨烯和无定形碳通过“砖泥”结构构筑形成；所述“砖泥”结构是指由单层或若干层的石墨烯或部分还原的氧化石墨烯作为“砖”，无定形碳作为“泥”包覆或部分包覆所述石墨烯或部分还原的氧化石墨烯，以使石墨烯或部分还原的氧化石墨烯和无定形碳衔接而成类似“砖泥”结构的多孔网络状复合结构；其组分的重量百分比为：石墨烯或部分还原的氧化石墨烯0.1-99.9％，无定形碳0.1％-99.9％。2.根据权利要求1所述的碳气凝胶，其特征在于，由石墨烯和无定形碳形成的所述碳气凝胶，其组成为碳元素；由部分还原的氧化石墨烯和无定形碳形成的所述碳气凝胶，其组成为氧和碳元素；其中，所述碳气凝胶的氧元素原子百分比≤1％时，所述碳气凝胶为全碳气凝胶。3.根据权利要求1所述的碳气凝胶，其特征在于，所述的碳气凝胶具有可压缩超弹性、可回复压缩性和导电性；特别地，所述的碳气凝胶具有全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性和导电性；其中，所述全向可压缩超弹性是指所述碳气凝胶沿其任意方向压缩后撤掉压力时能恢复到原始长度；所述全向可回复压缩性是指所述碳气凝胶沿其任意方向压缩后撤掉压力时能恢复原始长度的60％以上。4.根据权利要求1所述的碳气凝胶，其特征在于，所述碳气凝胶宏观上呈任意几何形状的多孔泡沫状；所述碳气凝胶可被加工或被切割成任意几何形状。5.一种可压缩超弹性碳气凝胶的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖卓建，周维亚，王艳春，解思深，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11