基于微纳米尺度的粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法技术

一种基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法，现将微纳米尺度的粒子置于母液中，得到含有微观粒子的溶液；将部分溶液置于容器内流平，将第一结构化场施于容器中的溶液，对的溶液中的粒子进行操控，实现溶液中粒子的可控图案化排布；再将容器中溶液固化成型，容器向下移动，容器内补充含有微观粒子的溶液，改变结构场参数，实现溶液中粒子的纵向可控排布，采用不同结构场，实现含有微观粒子的溶液中粒子的不同图案化排布；将第一结构场换为第二结构场，使粒子排布成相应形状；重复直至获得功能纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料；本发明专利技术具有可定向定域调节、高效率、可实现任意三维形状结构的成型等优点。

Fabrication of Composite Materials Based on Three-dimensional Micro-nano Structural Arrangement of Nanoparticles

A method of fabricating composite materials based on three-dimensional micro-nano structured arrangement of nanoparticles is presented. The micro-nano scale particles are placed in mother liquor to obtain the solution containing micro-particles; part of the solution is leveled in the container; the first structured field is applied to the solution in the container; the particles in the solution are manipulated to realize the controllable patterned arrangement of particles in the solution; and then the volume is added. Solution solidification, container moving downward, adding solution containing micro-particles in container, changing the parameters of structure field, realizing the longitudinal controllable arrangement of particles in solution, adopting different structure fields, realizing different patterned arrangement of particles in solution containing micro-particles; replacing the first structure field with the second structure field, so that particles are arranged in corresponding shape; repeating until they are obtained. The invention has the advantages of directional and localized adjustment, high efficiency and forming of arbitrary three-dimensional structure.

【技术实现步骤摘要】
基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法
本专利技术属于微纳制造纳米结构
，特别涉及一种基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法。
技术介绍
纳米结构被约束的空间维数可分为4种:(1)零维的纳米原子团族；(2)一维纤维状纳米结构,其长度显著大于宽度,如碳纳米管；(3)二维层状纳米结构,长度和宽度尺寸至少要比厚度大得多,晶粒尺寸在一个方向上为纳米级，如石墨烯；(4)三维的纳米固体，人们已经用各种不同的方法制备了不同的纳米材料，而对众多的制备方法，按照制备的介质是气体、液体还是固体,总体可划分为三类气相法、液相法和固相法；其中气相法主要包括化学气相法、蒸发凝聚法、熔融金属反应法、高压气体雾化法；液相法主要包括水热法、沉淀法、辐射合成法，乳液法；固相法主要包括高能球磨法、非晶晶化法、深度塑形变形法。而这些方法，大多是通过控制纳米粒子的生长来实现三维纳米固体的制备，其纳米粒子在功能材料里的分布大多是分散、无结构的，无法实现具有三维微纳结构化的功能纳米粒子定向定域排布。如何实现低维纳米材料在复合材料中的任意三维结构化排布，使复合材料的不同位置表现出不同的物理化学特性，从而使复合材料满足更加复杂的工作环境，一直是一个难题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法，可实现功能纳米粒子在复合材料内的可控定向排布，使复合材料的不同位置表现出不同的物理化学特性，具有可定向定域调节、高效率、可实现任意三维形状结构的成型等优点。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法，包括以下步骤：1)将微纳米尺度的粒子置于母液中，搅拌使粒子均匀分布，得到含有微观粒子的溶液；2)将一部分含有微观粒子的溶液置于容器内，一部分含有微观粒子的溶液随时作为补充；3)将容器中含有微观粒子的溶液流平；4)将第一结构化场施于容器中含有微观粒子的溶液，对含有微观粒子的溶液中的粒子进行操控，实现含有微观粒子的溶液中粒子的可控图案化排布；5)将容器中含有微观粒子的溶液固化成型；6)将容器向下移动；7)容器内补充含有微观粒子的溶液；8)改变结构场参数，实现含有微观粒子的溶液中粒子的纵向可控排布；9)采用不同结构场，实现含有微观粒子的溶液中粒子的不同图案化排布；10)将第一结构场换为第二结构场，使粒子排布成相应形状；11)重复步骤2)—10)直至获得功能纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料。所述的步骤1)中的粒子是粒径为100nm—30μm的金属颗粒或非金属颗粒，母液为可光固化的树脂类材料或可热固化的有机聚合物材料，母液粘度为1×10-3Pa·s—2×101Pa·s。所述的步骤3)中的流平方式为刮平。所述的步骤4)中的结构化场为结构化交流电场，电压为50V-50KV，频率为1KHz—200KHz；结构化交流电场的电极结构为叉指型电极、组合式电极或镶嵌式电极；叉指电极叉指宽度为5μm—1mm，叉指之间间距为5μm—1mm。所述的步骤4)中的可控图案化排布为粒子整齐定向排列成直线型、三角形、圆形或矩形图案。所述的步骤5)中的固化成型方式为紫外光固化、蓝光固化或热固化。所述的步骤6)中的下降距离为5μm—100μm。所述的步骤7)中的补充溶液的量使补充完后的液面上升5μm—100μm。所述的步骤8)中的改变结构场参数为调高结构化电场的电压和频率，实现微纳粒子在纵向的排布。所述的步骤10)中的采用第二结构场为将叉指电极换成蛇形电极结构，实现微纳粒子的不同图案化排布。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术可以通过预期微观粒子的排布方式，来设计结构场的结构，而且结构场制作完成之后，可以连续使用，可以实现真正意义上的功能纳米粒子定向定域操控，实现功能纳米粒子的三维图案化排布。(2)本专利技术从实现功能纳米粒子可控定向操控入手，设计和制备出了不同结构化的结构场，并且可以通过调整结构场的电压和频率，实现功能纳米粒子图案化排布的不同宽度和纵深。(3)相对于传统的复合材料制造技术，本专利技术可以通过对于不同层粒子的不同图案化排布来实现真正意义上功能纳米粒子的空间三维排布，使得复合材料内不同区域所含功能纳米粒子的个数和排列都不相同，使得复合材料不同区域表现出不同的力学特性。具有推广和应用价值，有望应用于变梯度材料，新型智能材料，功能复合材料制造等领域。附图说明图1是本专利技术实施例制造方法示意图。图2是本专利技术实施例实现功能纳米粒子单层定向排布的原理图。图3是本专利技术实施例实现改变结构场参数之后，功能纳米粒子不同的排列宽度示意图。图4是本专利技术实施例实现改变结构场后，功能纳米粒子不同的图案化排布示意图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步的说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。参照图1，一种基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法，包括以下步骤：1)将直径为5μm的聚苯乙烯小球1的粒子置于PDMS溶液中，搅拌五分钟，使粒子均匀分布，得到均匀分布有聚苯乙烯颗粒的PDMS溶液4；2)将一部分聚苯乙烯颗粒的PDMS溶液4倒入容器3内，然后刮平，使容器内液面高度为60μm；3)将容器中聚苯乙烯颗粒的PDMS溶液4流平；4)将叉指指宽50μm，指距50微米的第一结构化电场施于容器3中聚苯乙烯颗粒的PDMS溶液4，对溶液中的粒子1进行操控，使粒子1排布成如图2所示的直线型；其中，结构化电场两端电压为30V，频率为50KHz，波形为正弦型；5)将容器3中聚苯乙烯颗粒的PDMS溶液4用紫外光照射8s，对其进行固化；6)调节容器3高度，使容器3向下移动60μm；7)向容器3内补充聚苯乙烯颗粒的PDMS溶液4，使容器3的液面高度上升60μm；8)如图3所示，调整结构化电极两端电压为50V，50KHz，实现溶液中粒子1的多行直线化排布，实现纵深方向粒子1的控制；9)如图4所示，将第一结构场换为第二结构场5，使粒子排布成圆形，其中，极板6线宽50μm，接正极；极板7线宽50μm，接负极；极板6和极板7之间的间距为80μm；所加电压为50V，频率为50KHz；10)重复上述步骤2)—9)，实现含有功能纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料的制作。对于本专利技术而言，可选用的结构场不仅限于诉述两种。尽管参照前述实例对本专利技术进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将微纳米尺度的粒子置于母液中，搅拌使粒子均匀分布，得到含有微观粒子的溶液；2)将一部分含有微观粒子的溶液置于容器内，一部分含有微观粒子的溶液随时作为补充；3)将容器中含有微观粒子的溶液流平；4)将第一结构化场施于容器中含有微观粒子的溶液，对含有微观粒子的溶液中的粒子进行操控，实现含有微观粒子的溶液中粒子的可控图案化排布；5)将容器中含有微观粒子的溶液固化成型；6)将容器向下移动；7)容器内补充含有微观粒子的溶液；8)改变结构场参数，实现含有微观粒子的溶液中粒子的纵向可控排布；9)采用不同结构场，实现含有微观粒子的溶液中粒子的不同图案化排布；10)将第一结构场换为第二结构场，使粒子排布成相应形状；11)重复步骤2)—10)直至获得功能纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将微纳米尺度的粒子置于母液中，搅拌使粒子均匀分布，得到含有微观粒子的溶液；2)将一部分含有微观粒子的溶液置于容器内，一部分含有微观粒子的溶液随时作为补充；3)将容器中含有微观粒子的溶液流平；4)将第一结构化场施于容器中含有微观粒子的溶液，对含有微观粒子的溶液中的粒子进行操控，实现含有微观粒子的溶液中粒子的可控图案化排布；5)将容器中含有微观粒子的溶液固化成型；6)将容器向下移动；7)容器内补充含有微观粒子的溶液；8)改变结构场参数，实现含有微观粒子的溶液中粒子的纵向可控排布；9)采用不同结构场，实现含有微观粒子的溶液中粒子的不同图案化排布；10)将第一结构场换为第二结构场，使粒子排布成相应形状；11)重复步骤2)—10)直至获得功能纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料。2.根据权利要求1所述的一种基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法，其特征在于：所述的步骤1)中的粒子是粒径为100nm—30μm的金属颗粒或非金属颗粒，母液为可光固化的树脂类材料或可热固化的有机聚合物材料，母液粘度为1×10-3Pa·s—2×101Pa·s。3.根据权利要求1所述的一种基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法，其特征在于：所述的步骤3)中的流平方式为刮平。4.根据权利要求1所述的一种基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋维涛，刘红忠，郑祥文，张雅君，韩捷，牛东，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61