一种石墨烯微点阵的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯微点阵的制备方法，其技术要点在于：采用增材制造的方法成形出一个三维微点阵结构的芯模，在芯模的表面沉积一层石墨烯薄膜，将沉积了石墨烯涂层的金属芯模放入化学蚀刻液内，将其中的金属芯模去除，获得石墨烯微点阵结构；本发明专利技术能够该方法制备出了具有三维有序架构的石墨烯空心管材料，具有优异的力学性能和物理特性，且力学性能和物理特性可以进行优化设计，可以根据实际需要制造出所需要几何参数的石墨烯微点阵，具有极大的设计自由度；该方法制备出了具有三维有序架构的石墨烯空心管材料，可以通过在石墨烯微点阵结构的中间添加吸波粉末和树脂等材料，来获得所需要的性能和功能。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯微点阵的制备方法
本专利技术涉及多功能拓扑结构的制备方法
，特别是涉及一种石墨烯微点阵的制备方法。
技术介绍
三维点阵结构是指由结点和结点间连接杆件单元组成的按一定规则重复排列构成的空间桁架结构，这种结构类似于空间网架结构，但是尺寸上要小得多。这些结构经过亿万年的自然选择，具有最优的力学性能和功能匹配。金属微点阵结构，也称为微格金属或超级有序金属海绵，是在三维点阵结构的基础上，将其中的柱状筋条更换为空心管。而且管壁厚度是纳米级，只有100nm~500nm，空心管的直径为100nm~500nm，空心管的长度为0.5mm~5mm。金属微点阵结构是一种纳米/微米/毫米的多层级跨尺度有序结构，这种特殊的结构特征使得微点阵结构内部空间99.99%是中空结构，意味着99.99%部分都是空气，密度只有0.9mg/cm3，只有相同体积金属重量的0.3％~0.001％，具有超轻的特性，是目前世界上最轻的固体材料。波音公司采用模板法制备出了金属微点阵结构。金属微点阵结构实际上是一种多孔材料，兼具高比刚度、高比强度、强能量吸收等优点的，可应用于复合材料、环境、能源和生物等领域。但是，随着密度的降低，这些材料的力学、电学性能呈指数（n>2）降低，同时材料结构的稳定性以及可恢复形变显著变差。而以碳基为材料的多孔材料，则兼具有优异的力学和电学性能。特别是二维石墨烯材料具有优异的力学和热力学性能，在二维平面内其抗拉强度和弹性模量达到了125GPa和1.1TPa，载流子迁移率是硅的100倍、高达130GPa的强度、很好的柔韧性和近20%的伸展率、超高热导率、高达2600m2/g的比表面积，并且几近透明，在很宽的波段内光吸收只有2.3%。石墨烯微点阵结构将空心石墨烯管按照三维架构在空间拓扑有序排列，二维石墨烯管以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，具有三维有序架构的特征，这种结构特征将石墨烯的二维特性延伸到三维空间，不仅具有超轻（~5mg/cm3）、超弹性、超强韧的力学特性，还具有优异的电荷传导能力、~850m2/g的比表面积、~99.7%的孔隙率等超常规的物理特性。成会明等研究了石墨烯三维体材料，采用兼具平面和曲面结构特点的泡沫金属作为生长基体，利用CVD方法制备出具有三维连通网络结构的泡沫状石墨烯体材料，研究发现，这种石墨烯体材料完整地复制了泡沫金属的结构，石墨烯以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，具有优异的电荷传导能力、~850m2/g的比表面积、~99.7%的孔隙率和~5mg/cm3的极低密度。并且，这种方法可控性好，易于放大，通过改变工艺条件可以调控石墨烯的平均层数、石墨烯网络的比表面积、密度和导电性，并且可制备170×220mm2及更大面积的石墨烯泡沫材料；基于石墨烯泡沫独特的三维网络结构，现有技术采用原位聚合的方法制备出石墨烯泡沫/硅橡胶复合材料，发现在石墨烯添加量仅为~0.5wt%的条件下，复合材料的电导率可达~10S/cm，比基于化学氧化剥离法制备的相同添加量的石墨烯复合材料的电导率提高了6个数量级，也高于基于高质量碳纳米管的复合材料的电导率。而且，这种复合材料具有很好的柔韧性和稳定性，在弯折和拉伸等条件下仅有很小的电阻变化(例如50%拉伸应变条件下的电阻变化<20%)，在应力释放后可迅速恢复其原有形貌和电阻值，因此是一种理想的弹性导体材料，在柔性显示器、可穿戴式移动通讯设备和人造皮肤等柔性电子方面具有广阔的应用前景。现有金属微点阵结构与石墨烯海绵在使用性能方面存在一些不足，主要表现在两方面：一方面，金属微点阵的力学性能有限，没有超强的强度，一般很少用于对力学性有要求的情况。金属微点阵结构用于隐身结构，对雷达波的吸收有限，反射雷达波高于很多非金属材料；另一方面，石墨烯海绵利用二维石墨烯材料超强的力学性能，表现出优异的强度、弹性等特性，同时还可以用于吸波、电池、防护装甲，但是其无序的结构形式，容易在制备工艺过程中，在石墨烯空心管连接处产生缺陷，从而导致不能充分发挥其性能优势。石墨烯海绵无序结构，不能够对其力学性能和功能进行精确的设计。
技术实现思路
本专利技术的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种石墨烯微点阵的制备方法。一种石墨烯微点阵的制备方法，采用增材制造的方法成形出一个三维微点阵结构的芯模，在芯模的表面沉积一层石墨烯薄膜，将沉积了石墨烯涂层的金属芯模放入化学蚀刻液内，将其中的金属芯模去除，获得石墨烯微点阵结构。进一步地，在芯模的表面沉积石墨烯薄膜的过程采用化学气相沉积方法。进一步地，所述芯模为金属芯模，金属芯模成形前为金属粉末，金属粉末为钛合金或镍合金的任一种。进一步地，所述芯模为金属薄膜形成的空心管，空心管在三维空间有序拓展形成金属微点阵结构，在三维微点阵结构最外边缘处的金属空心管是开口的，将金属三维微点阵结构的边缘空心管的开口处封严，使其作为金属芯模。进一步地，所述芯模为树脂芯模，采用化学镀或电镀的方法在树脂芯模表面沉积出一个金属薄膜，将沉积了金属薄膜的树脂芯模放入熔剂或加热炉中，去除树脂芯模，将金属薄膜的两端封严，用化学气相沉积方法在金属薄膜的表面沉积一层石墨烯薄膜，采用化学蚀刻液将金属薄膜去除，获得石墨烯微点阵结构。进一步地，金属芯模的表面沉积石墨烯薄膜的工作条件为加热炉的炉温为900~1200℃，并通入300～800sccm的氩气，100～300sccm的氢气作为环境气氛，保温5-10分钟，用于清洁表面和去除氧化物，再反应炉中通入CH4气体，流量为2～15sccm，保持5-10分钟，然后保持背景气氛，以100℃·min-1的速度冷却到室温。进一步地，采用激光选区烧结的方法成形出一个树脂芯模，该芯模材料为聚甲基丙烯酸甲酯时，去除树脂的工作条件为加热炉的炉温为300℃~600℃，并向气氛炉中不断通入氩气，通入氩气的流量为1L～3L/min，保持时间为0.5h~2h。进一步地，采用激光选区烧结的方法成形出一个金属芯模。进一步地，空心管在三维空间有序拓展的拓展形式为简单立方、体心立方、面心立方、简单六方、简单四方、体心四方、金刚石正四面体结构中的任一种。进一步地，其中石墨烯空心管的长度为1mm～10mm，石墨烯空心管的直径为0.2mm～2mm，石墨烯空心管的厚度为1层～20层石墨烯层的厚度。本专利技术的优点：1、该方法制备出了具有三维有序架构的石墨烯空心管材料，具有优异的力学性能和物理特性，且力学性能和物理特性可以进行优化设计，可以根据实际需要制造出所需要几何参数的石墨烯微点阵，具有极大的设计自由度；2、该方法制备出了具有三维有序架构的石墨烯空心管材料，可以通过在石墨烯微点阵结构的中间添加吸波粉末和树脂等材料，来获得所需要的性能和功能。具体实施方式为了使本专利技术更容易被清楚理解，以下结合实施例对本专利技术的技术方案作以详细说明。实施例1一种石墨烯微点阵的制备方法，采用增材制造的方法或激光选区烧结的方法以金属粉末为原材料成形出一个三维微点阵结构的金属芯模，金属粉末为钛合金或镍合金的任一种，金属芯模为金属薄膜形成的空心管，空心管在三维空间有序拓展形成金属微点阵结构，在三维微点阵结构最外边缘处的金属空心管是开口的，将金属三维微点阵结构的边缘空心管的开口处封严，使其作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯微点阵的制备方法，其特征在于：采用增材制造的方法成形出一个三维微点阵结构的芯模，在芯模的表面沉积一层石墨烯薄膜，将沉积了石墨烯涂层的金属芯模放入化学蚀刻液内，将其中的金属芯模去除，获得石墨烯微点阵结构。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯微点阵的制备方法，其特征在于：采用增材制造的方法成形出一个三维微点阵结构的芯模，在芯模的表面沉积一层石墨烯薄膜，将沉积了石墨烯涂层的金属芯模放入化学蚀刻液内，将其中的金属芯模去除，获得石墨烯微点阵结构。2.如权利要求1所述的一种石墨烯微点阵的制备方法，其特征在于：在芯模的表面沉积石墨烯薄膜的过程采用化学气相沉积方法。3.如权利要求1或2所述的一种石墨烯微点阵的制备方法，其特征在于：所述芯模为金属芯模，金属芯模成形前为金属粉末，金属粉末为钛合金或镍合金的任一种。4.如权利要求1所述的一种石墨烯微点阵的制备方法，其特征在于：所述芯模为金属薄膜形成的空心管，空心管在三维空间有序拓展形成金属微点阵结构，在三维微点阵结构最外边缘处的金属空心管是开口的，将金属三维微点阵结构的边缘空心管的开口处封严，使其作为金属芯模。5.如权利要求1所述的一种石墨烯微点阵的制备方法，其特征在于：所述芯模为树脂芯模，采用化学镀或电镀的方法在树脂芯模表面沉积出一个金属薄膜，将沉积了金属薄膜的树脂芯模放入熔剂或加热炉中，去除树脂芯模，将金属薄膜的两端封严，用化学气相沉积方法在金属薄膜的表面沉积一层石墨烯薄膜，采用化学蚀刻液将金属薄膜去除，获得石墨烯微点阵结构。6.如权利要求1所述的一种石墨烯微点阵的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志强，赵冰，侯红亮，徐严谨，
申请(专利权)人：中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11