具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料及其制备方法，该具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料包括石墨烯泡沫骨架，石墨烯泡沫骨架中镶嵌有相变材料形成石墨烯泡沫相变复合材料，其上下表面粘接有石墨烯导热薄膜。其制备方法包括制备石墨烯泡沫相变复合材料以及在其上下表面粘接石墨烯导热薄膜。本发明专利技术复合材料具有轻质、良好的横向热疏导能力、较好的纵向隔热性能、优良的储能能力、优异的耐腐蚀性、适用范围广等优点，其使用方法方便快捷，适用于异形件的大面积使用，具有较高的应用价值和较好的应用前景。本发明专利技术制备方法具有工艺简单、操作方便、成本低廉等优点，适合于大规模制备，有利于工业化利用。

【技术实现步骤摘要】
具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料及其制备方法
本专利技术属于新兴材料的制备领域，涉及一种疏导式热防护结构及其制备方法，具体涉及一种具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料及其制备方法。
技术介绍
近些年，非烧蚀型疏导式热防护结构因其在自电子器件、航空航天、能源等热管理领域的可应用性，引起了广泛关注。且研究表明，制备疏导式热防护结构通常需要满足两个条件：良好的横向热疏导能力以及较好的纵向隔热性能。目前，常见的热防护结构主要为绝热型热防护结构，该结构常常存在表面驻点温度高、散热效率低、工作时间短等缺点。疏导式热防护结构是一种集快速热传导、高效隔热以及相变储能等多种功能于一体的新型热防护结构，而石墨烯所具有的轻质、高导热率以及低热容等优异热性能，使其成为了制备疏导式热防护结构的理想材料。常见的疏导式热防护结构多由高温热管制备而成，而高温热管存在冷冻启动极限、声速极限等一系列传热极限，由此制得的疏导式热防护结构存在结构重量大、耐腐蚀性能差、无储能能力等一系列问题，且制备工艺复杂、制备条件苛刻、制备成本高，上述存在的一系列问题，使得现有疏导式热防护结构的应用存在一定的局限性，难以满足实际需求。因此，发展一种具有轻质、良好的横向热疏导能力、较好的纵向隔热性能、储能能力、耐腐蚀性的疏导式热防护结构，对于提高其应用范围具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有轻质、横向热疏导能力好、纵向隔热性能好、储能能力优良、耐腐蚀性优异、适用范围广的具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料，所述具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料包括石墨烯泡沫骨架，所述石墨烯泡沫骨架中镶嵌有相变材料形成石墨烯泡沫相变复合材料，所述石墨烯泡沫相变复合材料的上下表面粘接有石墨烯导热薄膜。上述的具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料，进一步改进的，所述石墨烯泡沫骨架的密度为0.003g/cm3～0.008g/cm3；所述石墨烯导热薄膜的厚度为10μm～100μm；所述相变材料为硬脂酸；所述硬脂酸的纯度≥99％。上述的具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料，进一步改进的，所述石墨烯导热薄膜的厚度为10μm～50μm。作为一个总的技术构思，本专利技术提供了一种上述的具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将相变材料加热融化，所得相变材料热熔体中放入石墨烯泡沫骨架，使石墨烯泡沫骨架浸渍在相变材料热熔体中，冷却，得到石墨烯泡沫相变复合材料；S2、将石墨烯导热薄膜粘接在石墨烯泡沫相变复合材料的上下表面，得到具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述石墨烯泡沫骨架的制备方法包括以下步骤：(1)将聚氨酯泡沫浸渍在单层氧化石墨烯水相溶液中，烘干，得到聚氨酯/氧化石墨烯泡沫；(2)将步骤(1)中得到的聚氨酯/氧化石墨烯泡沫进行初步还原，冷却，得到预还原氧化石墨烯泡沫；(3)将步骤(2)中得到的预还原氧化石墨烯泡沫进行二次还原，冷却，得到石墨烯泡沫骨架。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤(1)中，所述单层氧化石墨烯水相溶液中单层氧化石墨烯的平均片径为5μm～8μm、20μm～30μm或40μm～50μm；所述单层氧化石墨烯水相溶液中单层率≥99.5％；所述单层氧化石墨烯水相溶液的浓度为2.5mg/mL～5.5mg/mL；所述聚氨酯泡沫的密度为0.01g/cm3～0.05g/cm3；所述步骤(2)中，所述初步还原在惰性氛围下进行；所述初步还原是按照升温速率为1℃/min～10℃/min将聚氨酯/氧化石墨烯泡沫升温至800℃～1100℃，保温30min以上；所述步骤(3)中，所述二次还原在真空环境下进行；所述二次还原是先按照升温速率为1℃/min～10℃/min将预还原氧化石墨烯泡沫升温至1600℃，再按照升温速率为1℃/min～5℃/min继续升温至2600℃～3000℃，保温30min以上。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤(1)中，所述单层氧化石墨烯水相溶液的浓度为3.5mg/mL～4.5mg/mL；所述聚氨酯泡沫的密度为0.01g/cm3～0.03g/cm3；所述步骤(2)中，所述保温的时间为30min；所述步骤(3)中，所述保温的时间为30min。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S2中，所述石墨烯导热薄膜的制备方法包括以下步骤：(a)将单层氧化石墨烯水相溶液涂抹成膜，得到氧化石墨烯膜；(b)将步骤(a)中得到的氧化石墨烯膜进行初步还原，冷却，得到预还原氧化石墨烯膜；(c)将步骤(b)中得到的预还原氧化石墨烯膜进行二次还原，冷却，得到石墨烯导热薄膜。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤(a)中，所述单层氧化石墨烯水相溶液中单层氧化石墨烯的平均片径为5μm～8μm、20μm～30μm或40μm～50μm；所述单层氧化石墨烯水相溶液中单层率≥99.5％；所述单层氧化石墨烯水相溶液的浓度为6mg/mL～10mg/mL；所述步骤(b)中，所述初步还原在惰性氛围下进行；所述初步还原是按照升温速率为1℃/min～10℃/min将聚氨酯/氧化石墨烯泡沫升温至800℃～1100℃，保温30min以上；所述步骤(c)中，所述二次还原在真空环境下进行；所述二次还原是先按照升温速率为1℃/min～10℃/min将预还原氧化石墨烯泡沫升温至1600℃，再按照升温速率为1℃/min～5℃/min继续升温至2600℃～3000℃，保温30min以上。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤(a)中，所述单层氧化石墨烯水相溶液的浓度为7.5mg/mL～8.5mg/mL；所述步骤(b)中，所述保温的时间为30min；所述步骤(c)中，所述保温的时间为30min。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述加热融化为将相变材料加热至90℃制成相变材料热熔体；所述步骤S2中，采用导热胶将石墨烯导热薄膜粘接在石墨烯泡沫相变复合材料的上下表面。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提供了一种具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料，包括石墨烯泡沫骨架，石墨烯泡沫骨架中镶嵌有相变材料形成石墨烯泡沫相变复合材料，石墨烯泡沫相变复合材料的上下表面粘接有石墨烯导热薄膜。本专利技术中，石墨烯泡沫骨架由单层氧化石墨烯水相溶液通过聚氨酯泡沫3D-模板法制备而成，石墨烯导热薄膜由单层氧化石墨烯水相溶液通过涂膜法制备而成，相变材料为硬脂酸。本专利技术中石墨烯导热薄膜在横向快速导热以及耐腐蚀方面有着独特的优势，石墨烯泡沫骨架使结构具有纵向隔热以及轻质的优势，相变材料具有优异的相变储能能力，这三个重要的技术特征在本专利技术的疏导式热防护结构中起到了协同增效的作用，使本专利技术具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料具有轻质、良好的横向热疏导能力、较好的纵向隔热性能、优良的储能能力、优异的耐腐蚀性、适用范围广等优点，其使用方法方便快捷，适用于异形件的大面积使用，具有较高的应用价值和较好的应用前景。(2)本专利技术具有疏导式热防护本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料，其特征在于，所述具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料包括石墨烯泡沫骨架，所述石墨烯泡沫骨架中镶嵌有相变材料形成石墨烯泡沫相变复合材料，所述石墨烯泡沫相变复合材料的上下表面粘接有石墨烯导热薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料，其特征在于，所述具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料包括石墨烯泡沫骨架，所述石墨烯泡沫骨架中镶嵌有相变材料形成石墨烯泡沫相变复合材料，所述石墨烯泡沫相变复合材料的上下表面粘接有石墨烯导热薄膜。2.根据权利要求1所述的具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料，其特征在于，所述石墨烯泡沫骨架的密度为0.003g/cm3～0.008g/cm3；所述石墨烯导热薄膜的厚度为10μm～100μm；所述相变材料为硬脂酸；所述硬脂酸的纯度≥99％。3.一种如权利要求1或2所述的具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将相变材料加热融化，所得相变材料热熔体中放入石墨烯泡沫骨架，使石墨烯泡沫骨架浸渍在相变材料热熔体中，冷却，得到石墨烯泡沫相变复合材料；S2、将石墨烯导热薄膜粘接在石墨烯泡沫相变复合材料的上下表面，得到具有疏导式热防护结构的石墨烯泡沫相变复合材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述石墨烯泡沫骨架的制备方法包括以下步骤：(1)将聚氨酯泡沫浸渍在单层氧化石墨烯水相溶液中，烘干，得到聚氨酯/氧化石墨烯泡沫；(2)将步骤(1)中得到的聚氨酯/氧化石墨烯泡沫进行初步还原，冷却，得到预还原氧化石墨烯泡沫；(3)将步骤(2)中得到的预还原氧化石墨烯泡沫进行二次还原，冷却，得到石墨烯泡沫骨架。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述单层氧化石墨烯水相溶液中单层氧化石墨烯的平均片径为5μm～8μm、20μm～30μm或40μm～50μm；所述单层氧化石墨烯水相溶液中单层率≥99.5％；所述单层氧化石墨烯水相溶液的浓度为2.5mg/mL～5.5mg/mL；所述聚氨酯泡沫的密度为0.01g/cm3～0.05g/cm3；所述步骤(2)中，所述初步还原在惰性氛围下进行；所述初步还原是按照升温速率为1℃/min～10℃/min将聚氨酯/氧化石墨烯泡沫升温至800℃～1100℃，保温30min以上；所述步骤(3)中，所述二次还原在真空环境下进行；所述二次还原是先按照升温速率为1℃/min～10℃/min将预还原氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁耕源，张建伟，石刚，江大志，鞠苏，刘钧，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43