制备智能石墨烯纳米材料的方法及其用于超轻机器和交通工具的用途技术

该发明专利技术的目的是用智能石墨烯基纤维和纳米复合材料代替现有交通工具和机器人机器的一些零件，以实现显著的减重和节能。本发明专利技术还涉及形成新一代的交通工具，包括机器人在内的机器零件，其包括但不限于所有种类的汽车、拖车、卡车、道路和天空中的交通工具，海洋上的船舶以及用于人类的智能机器人，以及计算机零件，自行车和运动用品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制备智能石墨烯纳米材料的方法及其用于超轻机器和交通工具的用途专利
本专利技术主要涉及用石墨烯基碳纤维和智能石墨烯复合材料代替在道路上、天空中和海洋上运行的传统交通工具的替代零件及其在制备所述零件的方法中的用途，所述方法包括为这些交通工具和机器模塑和智能增材制造3D打印零件和制品。背景在道路上运行大多数现有交通工具(尤其是重型拖车、火车和卡车)通常涉及燃烧巨量的化石燃料，这导致大量污染物释放到空气中。这在许多国家导致空气污染问题，例如PM2.5、PM10等。根据环境与能源研究所(EESI)于2015年8月26日发布的报告，“运输人员和货物达1.8兆吨，或者占美国温室气体(GHG)排放量的27％，并且占美国所有油用量的约70％(或每天约1310万桶油，不包括生物燃料)。汽油和柴油的燃烧分别占运输部门排放量的59％和24％，汽车和卡车排放量的大幅减少对气候变化缓解措施至关重要”(参见：http://www.eesi.org/papers/view/fact-sheet-vehicle-efficiency-and-emissions-standards，4/7/2016，东部时间下午3:16)。目前，交通工具的燃料效率可低至仅约40％。先进的设计可将效率提高到80％。空气动力学和通过使用碳纤维和较轻金属的较轻材料所导致的减重能够使制造商减轻交通工具的重量并提高发动机效率，同时保持耐用性和强度。同时，更薄更小的车轮和低滚动阻力轮胎减少了道路摩擦和空气阻力，从而增加燃油里程。另一方面，在汽车，飞机，海上的舟、船，开发尚不充分的智能机器人机器以及计算机和运动零件等领域中，在减重的同时保持机械强度的方面存在巨大的需求。制造商已开始使用碳纤维来代替用于拖车和卡车、汽车和上述机器的重型钢板。碳纤维增强的零件是轻质、坚固和承重的结构零件。汽车减重很重要，因为到2025年，将推动汽车制造商达到高于54.5英里/加仑的企业平均燃油经济性标准。已证明使用碳纤维代替传统拖车的一些零件能够将交通工具减重高达40％。然而，目前商业化的碳纤维通常由富含碳的聚合物如聚丙烯腈(PAN)(US8808597，2014)制成，其目前的生产成本非常高，因为其是通过油精炼制造工艺由石油产品合成的，这导致碳纤维交通工具仅处于市场营销概念的早期阶段。迫切需要寻找PAN或PAN制备的碳纤维的替代物，以克服传统碳纤维制备方法中的显著污染、高能量需求和耗时问题。我们的本专利技术提供了一种用石墨烯基碳纤维和石墨烯复合材料与传统PAN制备的碳纤维结合或替代传统PAN制备的碳纤维的创新技术，其能够大大降低生产成本。专利技术简述本专利技术使用主要由天然石墨获得的石墨烯基碳纤维和石墨烯基三维纳米结构复合材料来灵活地形成交通工具和机器的零件。为了实现特定的功能和性能，与石墨烯一起使用纳米材料如金属氧化物的纳米粉末或金属纳米线以及纳米纤维素来形成复合材料纤维或复合材料混合物。一旦制得纤维，则它们可通过用合适的树脂模塑或直接与3D增材制造打印结合而用于形成所需的机器零件。石墨烯碳纤维可通过在特殊气体和惰性或还原环境中适当退火来处理，从而得到高质量的智能纤维复合材料，其中整个工艺的成本显著降低。这种简便的方法使得广泛形成大量轻质金属复合材料，并且将具有适当金属氧化物纳米相的功能性纳米纤维连接以实现独特的应用。这降低了碳纤维的成本，同时有利地提高了最终产品的性能。本专利技术还制得了大量新型石墨烯复合材料，其用于创建和改善防腐蚀平台以及用于提高电动交通工具的车身零件和机器的高机械性能。本专利技术给出了一个提供节能、更绿色的化学制造工艺以及降低电动交通工具、飞机零件以及海洋船舶的成本的机会。本专利技术通过使用石墨烯碳纤维和纳米复合材料及其组合且使用一个步骤来形成高质量的石墨烯基模塑零件而实施。本专利技术的目的是提供一种通过使用石墨烯智能碳纤维或多孔三维石墨烯基纳米复合材料片或石墨烯-纳米复合材料悬浮液经由模塑和绿色化学3D增材制造打印方法制造石墨烯基零件的方法。本专利技术的另一个目的是提供大量经设计的石墨烯基纳米碳复合材料零件以用于智能机器人、卡车、拖车、火车、公共汽车、电车、篷车、汽车、飞机、计算机机箱和主板，以及海洋中的舟和船，用于液体输送的防腐蚀管道(包括化学品和炼油管道)的新领域应用。本专利技术的另一个目的是允许在低温下制造交通工具零件，其不具有像现有方法那么多的释放到环境中的废弃物和污染物。本专利技术的另一个目的是显著减少制造所设计的零件所需的生产时间。本专利技术的另一个目的是通过增材制造3D打印来降低制造机器零件和用于交通工具的制品的设备要求。本专利技术的另一个目的是制造石墨烯基零件或制品，其可通过添加其他元素或组合物来产生，所述其他元素或组合物可用于产生具有广泛的独特和增强功能性质如导热性、导电性、耐腐蚀性以及可用于改善电子器件、能量效率、降低环境影响和延长产品寿命的许多其他性能的产品。本专利技术的另一个目的是减少对石油的依赖来产生碳纤维。附图简介此处，将在说明书中参照附图详细地描述所述实用方法，其中：图1是流程图，其显示了根据本专利技术借助棉花糖机通过纺丝来制备石墨烯基碳纤维及其片的方法；和图2是流程图，其显示了通过模塑制造石墨烯碳纤维基交通工具零件以及用于机器人和船舶的制品的方法；图3是流程图，其显示了根据本专利技术借助商业化增材制造3D打印机制造石墨烯纳米复合材料零件或制品的方法；图4是流程图，其显示了制造多孔石墨烯纳米复合片或板的方法；图5是流程图，其显示了使用多孔石墨烯片通过模塑制造石墨烯基纳米复合材料零件或制品的方法；图6提供了用于机器零件中的石墨烯纤维的视图；图7提供了石墨烯凝胶和固化的石墨烯机器零件的视图；图8提供了石墨烯基货车和台车模型的实例：其将传统钢制货车的车体重量减轻80％，由石墨烯纤丝打印：C％＝82％(原子百分比)；和图9显示了石墨烯-塑料泡沫，其可切割成各种形状以形成智能机器零件或减轻交通工具重量的制品。专利技术详述上述目的由本专利技术通过分别使用石墨烯基碳纤维、石墨烯基多孔纳米复合材料板，或石墨烯基纳米复合材料悬浮液经由计算机软件控制的增材制造3D打印技术进行溶液打印来实现。以下部分给出了我们的三种方法来证实我们的石墨烯在机器和交通工具中的应用的创新技术。方法I使用石墨烯基碳纤维作为起始材料使用石墨烯薄片粉末或氧化石墨烯粉末作为石墨烯材料来开始该方法。借助表面活性剂助剂将石墨烯粉末分散至溶剂中，并在搅拌下向溶液中添加少量纳米纤维素纤维、聚合物或树脂加添加剂，以获得用于纺丝的均匀粘度的混合物。可用于本专利技术的溶剂的实例如上文和本文其他地方所述，包括但不限于：水、醇、丙酮、酮、二甲基甲酰胺(DMF)、乙二醇(EG)、DMSO及其共溶剂，然而出于绿色化学制造的原因，更优选为水和醇。可如上文和本文其他地方所述使用的聚合物的实例包括但不限于高碳含量的聚合物，优选为添加剂，但不限于此。聚合物可例如为聚丙烯腈(PAN)、聚苯乙烯、沥青部分、环氧树脂、聚碳酸酯和任何种类的纤维素、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)和聚乙二醇、尼龙、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酰胺和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。可如上文和本文其他地方所述使用的树脂的实例包括但不限于聚乙烯基树脂、聚酯树脂、环氧树脂、聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备石墨烯基碳纤维的方法，包括以下步骤：将一定量的石墨烯粉末、石墨烯薄片、氧化石墨烯粉末和氧化石墨烯薄片中的至少一种分散至具有表面活性剂的溶剂溶液中；向溶剂中添加少量的纳米纤维素纤维、聚合物和树脂中的至少一种；和搅拌混合物，从而获得大致均匀粘度的溶液；由溶液形成一定量的碳纤维。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.12 US 62/321,5721.一种制备石墨烯基碳纤维的方法，包括以下步骤：将一定量的石墨烯粉末、石墨烯薄片、氧化石墨烯粉末和氧化石墨烯薄片中的至少一种分散至具有表面活性剂的溶剂溶液中；向溶剂中添加少量的纳米纤维素纤维、聚合物和树脂中的至少一种；和搅拌混合物，从而获得大致均匀粘度的溶液；由溶液形成一定量的碳纤维。2.根据权利要求1所述的方法，其中由溶液形成碳纤维的步骤使用溶液纺丝机实施；并且进一步包括在流动气体环境中在200-2000℃的温度下将所形成量的碳纤维退火约4小时的步骤。3.根据权利要求1所述的方法，其中由溶液形成碳纤维的步骤使用3D打印机实施，所述3D打印机是计算机控制的，并且设置为使得溶液通过喷嘴到达基材上；并且进一步包括在约20-400℃下固化树脂的步骤。4.根据权利要求1所述的方法，其中溶剂为水、醇、丙酮、酮、二甲基甲酰胺(DMF)、乙二醇(EG)、DMSO和它们的共溶剂中的一种。5.根据权利要求1所述的方法，其中聚合物为聚丙烯腈(PAN)、聚苯乙烯、沥青部分、环氧树脂、聚碳酸酯和任何种类的纤维素、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚乙二醇、尼龙、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酰胺和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种。6.根据权利要求1所述的方法，其中树脂为聚乙烯基树脂、聚酯树脂、环氧树脂、聚碳酸酯树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、聚甲基丙烯酸甲酯树脂和环氧基硅氧烷树脂中的一种。7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括添加添加剂的步骤，所述添加剂为金属纳米颗粒或纳米线或钢纳米粉末以及金属氧化物中的至少一种，实例不限于碳纳米管，Mg，Al，钢合金粉末，ZrO2，Fe3O...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾庭英，K·齐，
申请(专利权)人：绿色纳米技术实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US