一种提高抗压强度的纳米共价连接石墨烯预制体制备方法技术

本发明专利技术涉及一种提高抗压强度的纳米共价连接石墨烯预制体制备方法，将纳米硅溶胶加入至石墨烯墨水中搅拌超声分散得到石墨烯水凝胶，采用冷冻干燥法获得石墨烯预制体，将石墨烯预制体放入石墨烯沉积炉中，在微米尺度的石墨烯表面原位沉积纳米尺度的石墨烯，制得提高抗压强度且呈纳米共价连接的三维连通结构石墨烯预制体。本发明专利技术原位沉积是以气态碳源和液态碳源相结合的方式，调节碳源中的C、H、O比例，降低原位沉积过程中碳源中的O元素对石墨烯预制体的氧化程度，使得原位沉积的纳米尺度石墨烯起到增强石墨烯片层特别是纳米共价连接的作用，提高了石墨烯预制体的抗压强度。得到纳米共价连接石墨烯预制体用作液相法制备金属基复合材料的增强体。基复合材料的增强体。基复合材料的增强体。

【技术实现步骤摘要】
一种提高抗压强度的纳米共价连接石墨烯预制体制备方法


[0001]本专利技术属于石墨烯预制体制备领域，涉及一种提高抗压强度的纳米共价连接石墨烯预制体制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是一种sp2杂化的二维材料，具有较高的比表面积，优异的导热性、电磁屏蔽性能和光学性能，在航空航天、军事、电子等领域具有广阔的应用前景。若将石墨烯用作金属基复合材料的增强体，复合材料可以兼具石墨烯和金属材料优良的导热、导电等优势，从而获得性能优异的金属基复合材料。制备石墨烯增强金属基复合材料常采用固相法和液相法。其中，液相法以成本低、操作流程简单、效率高等优点更加广泛应用于金属基复合材料的制备中。然而，用于液相法的预制体中石墨烯片层之间因存在较大的范德华力而容易团聚，石墨烯团聚体不仅难以有效传递载荷、热和电子，甚至会成为基体中的缺陷，导致复合材料性能下降。
[0003]制备三维多孔网络结构的石墨烯可以解决石墨烯团聚等问题。公开号为 CN113912052A的专利，采用水醇溶液分散氧化石墨烯粉末，而后进行冷冻干燥得到具有丰富多孔、结构紧致并且微观排列有序的三维结构氧化石墨烯。公开号为 CN109809396A的专利，采用冷冻干燥法制备三维多孔结构的氧化石墨烯，然后通过水蒸气水热法还原得到三维多孔结构的还原氧化石墨烯，该方法结合了石墨烯优异的导电性、轻质多孔、以及水蒸气水热还原技术无污染、低能耗等优点。然而，以上方法制备的三维多孔网络结构石墨烯，其片层之间连接形式为物理搭接，当采用液相法制备石墨烯增强金属基复合材料时，物理搭接的三维多孔结构石墨烯预制体抗压强度较低，难以抵御熔融金属基体的浸渗压力。因此，有必要设计一种石墨烯片层呈纳米共价连接的三维连通石墨烯预制体来解决以上问题。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种提高抗压强度的纳米共价连接石墨烯预制体制备方法，解决现有的技术问题中石墨烯片层连接形式为物理搭接、石墨烯预制体抗压强度较低、不适宜用作液相法制备金属基复合材料的增强体等问题。在微米尺度的石墨烯基底上原位沉积纳米尺度石墨烯，原位沉积的石墨烯可以在原有的石墨烯片层表面垂直搭接。
[0006]技术方案
[0007]一种提高抗压强度的纳米共价连接石墨烯预制体制备方法，其特征在于步骤如下：
[0008]步骤1：将纳米硅溶胶加入至石墨烯墨水中搅拌处理并超声分散，获得石墨烯水凝胶；所述纳米硅溶胶和石墨烯比例为1:5
‑
30；
[0009]步骤2：将石墨烯水凝胶置于冷冻坩埚模具中，将模具放入冷冻容器中，向容器中
加入液氮，对石墨烯水凝胶进行快速冷冻，直至全部凝固为冰晶状态，得到石墨烯水凝胶冰晶体，将石墨烯水凝胶冰晶体进行干燥得到石墨烯预制体；
[0010]所述冷冻干燥的时间为24
‑
72h；
[0011]步骤3：将石墨烯预制体放入石墨烯沉积炉中，在微米尺度的石墨烯表面原位沉积纳米尺度的石墨烯，得到抗压强度提高且呈纳米共价连接的石墨烯预制体，当压缩应变为50％时，压缩应力与未原位沉积的石墨烯预制体相比提高了10
‑
20％；
[0012]所述原位沉积工艺参数为：气态碳源和液态碳源的比例为2～8:1，以气态碳源和液态碳源相结合的方式调节碳源中的C、H、O比例，降低原位沉积过程中碳源中的O 元素对石墨烯预制体的氧化程度；沉积温度为800
‑
1400℃，压力为2
‑
10kPa，沉积时间为10
‑
150min。
[0013]所述纳米硅溶胶浓度为0.2
‑
6mg/ml。
[0014]所述石墨烯墨水的溶剂为去离子水，石墨烯墨水浓度为4
‑
20mg/ml。
[0015]所述石墨烯墨水中的石墨烯片层尺寸为2
‑
10mm。
[0016]所述步骤1的搅拌处理时间为10
‑
100min。
[0017]所述步骤1的搅拌转速为200
‑
1000r/min。
[0018]所述步骤1的超声分散时间为10
‑
100min。
[0019]所述步骤1的超声功率为60
‑
200W。
[0020]所述步骤3的气态碳源为甲烷。
[0021]所述步骤3液态碳源为甲醇、乙醇和丙醇中的一种。
[0022]有益效果
[0023]本专利技术提出的一种提高抗压强度的纳米共价连接石墨烯预制体制备方法，首先将纳米硅溶胶加入至石墨烯墨水中搅拌超声分散得到石墨烯水凝胶，然后采用冷冻干燥法获得石墨烯预制体，最后将石墨烯预制体放入石墨烯沉积炉中，在微米尺度的石墨烯表面原位沉积纳米尺度的石墨烯，制得一种提高抗压强度且呈纳米共价连接的三维连通结构石墨烯预制体。本专利技术原位沉积是以气态碳源和液态碳源相结合的方式，调节碳源中的C、H、O比例，降低原位沉积过程中碳源中的O元素对石墨烯预制体的氧化程度，使得原位沉积的纳米尺度石墨烯起到增强石墨烯片层特别是纳米共价连接的作用，提高了石墨烯预制体的抗压强度。最终制得的纳米共价连接石墨烯预制体可用作液相法制备金属基复合材料的增强体。
[0024]本专利技术的有益效果是：本专利技术先制备石墨烯水凝胶，然后采用冷冻干燥法制备石墨烯预制体，最后在微米尺度的石墨烯基底表面原位沉积纳米尺度的石墨烯，最终得到一种提高抗压强度且呈纳米共价连接的三维连通石墨烯预制体。有益效果为：
[0025](1)本专利技术原位沉积的石墨烯为纳米尺度，原位沉积的石墨烯垂直生长于微米尺度石墨烯片层表面，有助于石墨烯片层形成纳米共价连接，有效防止石墨烯片层团聚。
[0026](2)本专利技术以气态碳源和液态碳源相结合的方式调节碳源中的C、H、O比例，降低原位沉积过程中碳源中的O元素对石墨烯预制体的氧化程度，从而提高石墨烯预制体的抗压强度。
[0027](3)本专利技术使用的原料为石墨烯墨水，制备的石墨烯预制体是呈纳米共价连接的三维连通结构。纳米共价连接可以提高石墨烯预制体的抗压强度，当压缩应变为50％时，压
缩应力与未原位沉积的石墨烯预制体相比提高了10
‑
20％。最终制得的纳米共价连接石墨烯预制体可用作金属基复合材料的增强体。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例的工艺流程图
[0029]图2为物理搭接和纳米共价连接的三维多孔网络结构石墨烯预制体示意图
具体实施方式
[0030]现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：
[0031]以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改动，这些都属于本专利技术的保护范围。
[0032]实施例1
[0033]本实施例是一种提高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高抗压强度的纳米共价连接石墨烯预制体制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将纳米硅溶胶加入至石墨烯墨水中搅拌处理并超声分散，获得石墨烯水凝胶；所述纳米硅溶胶和石墨烯比例为1:5
‑
30；步骤2：将石墨烯水凝胶置于冷冻坩埚模具中，将模具放入冷冻容器中，向容器中加入液氮，对石墨烯水凝胶进行快速冷冻，直至全部凝固为冰晶状态，得到石墨烯水凝胶冰晶体，将石墨烯水凝胶冰晶体进行干燥得到石墨烯预制体；所述冷冻干燥的时间为24
‑
72h；步骤3：将石墨烯预制体放入石墨烯沉积炉中，在微米尺度的石墨烯表面原位沉积纳米尺度的石墨烯，得到抗压强度提高且呈纳米共价连接的石墨烯预制体，当压缩应变为50％时，压缩应力与未原位沉积的石墨烯预制体相比提高了10
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20％；所述原位沉积工艺参数为：气态碳源和液态碳源的比例为2～8:1，以气态碳源和液态碳源相结合的方式调节碳源中的C、H、O比例，降低原位沉积过程中碳源中的O元素对石墨烯预制体的氧化程度；沉积温度为800
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1400℃，压力为2
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10kPa，沉积时间为10
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150min。2.根据权利要求1所述提高抗压强度的纳米共价连接石墨烯预制体制备方法，其特征在于：所述纳米硅溶胶浓度为0.2
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6mg...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐乐华，马媛，郭领军，宋强，殷学民，李贺军，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：