高温度系数高稳定室温开关纳米复合材料制造技术

本发明专利技术涉及高温度系数高稳定室温开关纳米复合材料的制备和性能，属于一种新型智能纳米复合功能材料。本发明专利技术提出可将具有优异的热、电、磁传输特性的纳米材料利具有固定结晶点的绝缘性基液灵活组合来制备开关纳米复合材料，通过对纳米材料的表面改性增强了其和基液的界面亲合力，使得复合材料的开关比和稳定性大大提高。这种实用性很强的智能纳米复合功能材料在能源，生物医疗等领域有着广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种新型智能纳米复合功能材料
技术介绍
自从法拉第发现硫化银的热敏电阻效应以来，科研人员开发出了一系列包括陶瓷基和聚合物基复合材料在内的热敏电阻(thermistor)材料。其中具有临界温度系数(CTR)的热敏电阻材料在其相变温度附近具有“自锁”的功能，而表现出特殊的智能特性，受到了工业界的广泛关注，在传感，温控，限流，过载保护等领域有着广泛的应用。这些热敏电阻材料的临界温度由其相变(陶瓷基)或者软化温度(聚合物基)决定。已有报道的材料中，VO2的相变温度最接近室温，大约为340K。虽然成分的调节可以改 变临界温度，但是其调节的范围有限。人类对于临界温度在室温范围内(0-40°C)的热敏材料有迫切的需求，因为其可以直接应用于室温控制、节能、生物医疗等相关领域，对改善人类的生活有着重大的意义。室温开关纳米复合材料是由结晶点在室温范围内的绝缘性基液和具有优异的热、电、磁等传输性能的纳米材料复合而成的，该复合材料在其基液由液相转变为固相的过程中纳米材料可以组装成为空间渗逾网络、使得复合材料的热导、电导、磁导等传输特性大幅提高，而在固相转化为液相变过程中纳米材料渗逾网络会由于晶体的消融和液体的对流而遭到破坏，从而恢复其原有的传输特性。将这两种物理现象结合起米，将会建立一种新的智能材料工作机制，开发一系列具有开关特性的新型纳米复合材料。郑瑞廷等人[1]已经成功制备和研究了纳米石墨片室温开关纳米复合材料，该复合材料在使用16烷作为基液时，在其结晶点附近复合材料的电导率变化达到2个量级，热导率变化达到3倍，显示出了较好的智能开关特性，但是由于未经表面修饰的纳米石墨片和16烷基液的界面亲合力较差，导致石墨片在复合材料重复结冻的过程中因被反复挤压，而造成不可恢复的严重团聚，从而影响了复合材料的实用性。目前，除纳米石墨片外其他具有优异物理化学性能和特殊结构的纳米材料在室温开关纳米复合材料领域的应用研究还没有展开。碳族纳米材料，诸如碳纳米管、石墨烯、富勒烯、炭黑、碳纤维等自发现之日起就因其优异的物理、化学、机械性能和其独特的结构受到了广泛的关注，其在复合材料领域的研究和应用也取得了较好的成果，可以预见的是碳族纳米材料在开关纳米复合材料领域也具有较大的应用潜力。通过一系列技术手段，比如更换具有不同结晶点的基液来灵活调整复合材料的开关温度，调整纳米填充材料的种类和表面修饰方法以提高复合材料的开关比，通过表面改性来提高不同纳米材料和不同种类基液的界面亲合力，增强复合材料的使用重复性和稳定性将推动这类材料走向实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于(I)使用不同种类和不同维度的纳米材料作为新型室温开关纳米复合材料的填充材料，并通过选取不同室温结晶点的基液来灵活调整复合材料的开关温度。(2)针对不同类型的基液，提供对纳米填充材料进行表面改性的相应方法，以提高复合材料的开关比，增强填充材料和基液的界面亲合力，提高复合材料在液相下的稳定性和实用性。此外，一切具有优良传输特性的纳米材料和一切具有固定结晶点的绝缘性液体都可以分别作为开关复合材料的填充材料和基液。下面分别对室温开关纳米复合材料的工作机制、材料选择、制备方法和性能特征分别进行阐述。室温开关纳米复合材料是由结晶点在室温范围内的绝缘性基液和具有优异的热、电、磁等传输性能的纳米材料复合而成的，所填充的纳米 材料在其基液由液相转变为固相的过程中受到基液晶体的挤压从而相互紧靠，在晶体边界处形成三维的空间渗逾网络、使得复合材料的热导、电导、磁导等传输特性大幅提高，而在基液由固相转化为液相变过程中纳米材料渗逾网络会由于晶体的消融和液体的对流而遭到破坏，从而恢复其原有的传输特性。复合材料的制备可以选取所有具有优异传输特性的纳米材料作为填充材料，例如金属纳米材料、金属氧化物纳米材料和不同维度的碳族纳米材料等，可以选择室温范围(0-400C )或非室温范围内结晶点的液体作为复合材料的基液，例如20烷(36. 40C )、19烷(320C )、18 烷(28°C )、16 烷(18. I V )、棕榈酸甲酯(29°C )、甘油(17. 9°C )和水(0°C )等。在本专利技术的某些实施例中，零维的富勒烯和炭黑、一维的碳纤维和碳纳米管、二维的纳米石墨片和石墨稀可以稳定的分散于疏水性基液中，例如20烧、19烧、18烧、16烧或掠桐酸甲酯中。未经表面修饰的碳纳米材料在受到基液晶体挤压的过程中易发生缠绕和聚集，进而在基液晶体消融后不可以较好的恢复分散，表现出了较差的重复实用特性。本专利技术的某些实施例中通过选择与基液分子结构类似的官能团对碳纳米材料进行表面修饰从而得到了稳定的碳纳米材料——疏水性基液的悬浊液和碳纳米材料——亲水性基液的悬浊液。经过表面修饰的碳纳米材料在基液晶体重复消融的过程中表现出了良好的恢复分散特性，表现出了较好的重复实用特性，在本专利技术的某些实施例中室温开关碳纳米复合材料在其基液相变点附近对热导率的调制至少达到了 3倍，对电导率的调制超过了 5个量级，并分别在复合材料基液晶体重复消融3次后达到稳定，复合材料在重复结冻和消融20次以上后在液相下仍然是稳定的悬浊液，没有相分离。因此本专利技术提出了一种成本低、工艺简单、实用性强的室温开关纳米复合材料制备方法，可以作为一种具有高温度系数、高稳定性的温度传感器和温度控制装置。此处，列举本专利技术的典型实施例来说明达到本专利技术目的措施。本专利技术的实施例涉及到室温开关纳米复合材料的制备方法和性能表征，例如，由相变点在室温范围内的绝缘性基液和具有高电导、热导、磁导传输特性的纳米材料复合而成的室温开关纳米复合材料可直接通过简单的将纳米材料超声分散于基液中获得，或者通过对纳米材料进行表面修饰后超声分散于基液中获得。纳米结构材料，是指那些至少有一个维度上的平均长度介于I纳米至100纳米之间的材料。在一些实施例中，作为填充物的纳米材料至少有一个维度大约是100纳米，50纳米,40纳米，30纳米，20纳米，10纳米或5纳米。因此非限定性的纳米结构材料包括大体上各个方向都在纳尺寸的微粒，或者具备纳截面尺度的线状外形，或者具备纳厚度的片/盘结构。它们在各个维度上的尺度可以使用扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜(TEM)、激光动态散射粒度仪等技术进行精确表征。根据基体材料的种类对纳米材料采取相应的表面修饰，常见的表面修饰方法包括化学修饰和物理修饰；化学修饰是使用特定的官能团通过和纳米材料表面原子形成化学键来达到表面修饰的目的，进而改变其表面特性，将其成功的分散于相应的基体材料中，化学修饰的优势是官能团通过共价键、离子键等强键能的化学键连接在碳材料表面，因此表面修饰有较好的稳定性，不易受周围环境的影响，缺点是会给相应的材料表面带来晶格缺陷，从而降低材料的电导和热导等本征传输特性。常见的化学反应修饰包括羧基化含氧基团修饰，金属颗粒和无机物修饰，烷基和芳基化合物修饰，脂肪族化合物修饰，硫基化合物修饰，大环分子化合物修饰和生物分子修饰等。在本专利技术的某些说明性的实施例中，首先对碳纳米材料进行羧基化含氧基团修饰，然后通过18胺和羧基反应形成离子键来实现对碳纳米材料的表面修饰，最终成功的将碳纳米材料稳定的分散于疏水性基液中。 物理修饰是指非化学键修饰，特定的官能团通过表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有开关特性纳米复合材料的制备，其特征是：使用的纳米材料作为开关纳米复合材料的填充材料，并通过选取不同温度结晶点的基液米灵活调整复合材料的开关温度；针对不同类型的基液，对纳米填充材料进行相应的表面改性，以增强填充材料和基液的界面亲合力和复合材料在液相下的稳定性。

【技术特征摘要】
1.一种具有开关特性纳米复合材料的制备，其特征是使用的纳米材料作为开关纳米复合材料的填充材料，并通过选取不同温度结晶点的基液米灵活调整复合材料的开关温度；针对不同类型的基液，对纳米填充材料进行相应的表面改性，以增强填充材料和基液的界面亲合力和复合材料在液相下的稳定性。2.根据权利要求I所述的方法，其特征是所述的开关纳米复合材料的工作机理是指纳米材料在其基液由液相结晶为固相时受到晶体的挤压形成传输网络，使复合材料传输特性提高，在其基液由固相熔化为液相时传输网络由于晶体的消融而被破坏，复合材料恢复其原有传输特性。3.根据权利要求I所述的方法，其特征是所述的开关纳米复合材料是指对纳米复合材料的电导率、热导率和磁导率等传输特性的热敏智能通断控制。4.根据权利要求I或3所述的方法，其特征是所述的开关纳米复合材料的开关温度是指室温范围内(0-40°C)的或非室温范围内的。5.根据权利要求I所述的方法，其特征是所述的开关纳米复合材料对电导的调制至少超过5个数量级，实现了材料导...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑瑞廷，孙鹏程，程国安，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：