一种石墨烯海绵的制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯海绵的制备方法，包括：1）提供氧化石墨烯溶液；2）使氧化石墨烯溶液在梯度温度下结冰并使所述冰沿温度梯度定向生长；3）当全部溶液都结冰完成后，使冰升华，得到氧化石墨烯海绵；4）将得到的氧化石墨烯海绵在惰性气体保护下加热，使氧化石墨烯海绵被还原成石墨烯海绵。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，还涉及一种利用该方法所制备的石墨烯的应变传感器。
技术介绍
石墨烯是由单层碳原子组成的平面薄膜，具有许多优异的性能:机械性能方面具有ITPa的模量和130GPa的强度，是目前为止存在的强度最强的材料之一；电学性能方面，石墨烯带隙为0，使得它具有卓越的电子迁移率，高达200000(^2^1^ ;此外，石墨烯还具有良好稳定性，能够在苛刻条件下稳定存在。从而受到科学工作者的广泛关注；石墨烯宏观体材料的制备是在宏观尺度充分利用和发挥石墨烯优异性能的有效途径之一。基于石墨烯三维宏观体材料研究仍处于起步阶段，目前主要有两种方法，溶液中自组装方法和模板法。自组装方法如:石高全等利用水热法制备得到的石墨烯水凝胶[Yuxi Xu,Gaoquan Shijetal.Self-assembled graphene hydrogel via a one-step hydrothermalprocess[J].Acs Nano, 2010, 4，4324-4330],王训等通过使用贵金属促进氧化石墨烯形成三 维宏观材料[Zhihong Tang, Xun Wang, etal.Noble-Metal-Promoted Three-DimensionalMacroassembIy of Single-Layered Graphene 0xide[J].Angew.Chem.1nt.Ed.2010, 49，4603-4607]，闻立峰等人同样也利用氧化石墨烯溶液在还原剂条件下形成凝胶[ffufeng Chen, Lifeng Yan.1n situ self-assembly of mild chemical reductiongraphene for three-dimensional architectures [J].Nanoscale, 2011，3，3132],冻干之后得到石墨烯气凝胶；这些工作探索了其作为电容器的性能，以及揭示了这种复合材料在催化方面的应用价值。上述工作都是通过氧化石墨烯的水凝胶为前体，干燥之后得到石墨烯的三维宏观结构，具有操作简单，易于宏量制备等优点。但是三维宏观体的微结构可控性差，而且在材料制备过程中容易出现因材料塌陷而只得到石墨烯的粉末的现象。另一类方法是模板法，如成会明等以泡沫镍为模板通过化学气相沉积的方式制备三维网络的的石墨烯海绵[Zongping Chen, Hu1-Ming Cheng, etal.Three-dimensionalflexible and conductive interconnected graphene networks by chemical vapordeposition[J].Nat.Mater, 2011, 10，424]，这种材料具有很好的电导率，浸入硅橡胶之后电导率仍有高达lOS/cm，并具有很好的弹性。在拉压弯等变形模式下，复合材料的电阻变化率小于20%，显示其在弹性导体方面的潜在应用价值。但是距离传统弹性导体材料，电导率需要进一步提闻。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供，能够使所制备的石墨烯海绵轻质、高孔隙率、各向异性，在面内方向具有良好的结构稳定性，电阻变化率对压缩应变成线性响应，而且制备过程简单。本专利技术提供，包括:I)提供氧化石墨烯溶液；2 )使氧化石墨烯溶液在梯度温度下结冰并使所述冰沿温度梯度定向生长；3)当全部溶液都结冰完成后，使冰升华，得到氧化石墨烯海绵；4)将得到的氧化石墨烯海绵在惰性气体保护下加热，使氧化石墨烯海绵被还原成石墨烯海绵。根据本专利技术提供的方法，其中步骤2)中将氧化石墨烯溶液放入容器中，所述容器的部分侧面与该容器的其他部分相比具有更高的导热率，且所述具有更高的导热率的部分侧面与低温源相接触。根据本专利技术提供的方法，其中所述容器的所述具有更高的导热率的部分侧面为容器的底面。 根据本专利技术提供的方法，其中所述低温源为液氮。根据本专利技术提供的方法，其中所述容器的所述底面贴在液氮液面上，使氧化石墨烯溶液的底部与液氮液面平齐或位于液氮液面的上方。根据本专利技术提供的方法,其中氧化石墨烯溶液的浓度为6mg/ml-12mg/ml。根据本专利技术提供的方法，其中步骤4)中在惰性气体保护下的加热温度为400-1000摄氏度。本专利技术还提供一种应变传感器，包括:石墨烯海绵，由上述方法制备而成；位于石墨烯海绵相对两侧上的电极。本专利技术得到的石墨烯海绵轻质，密度在2.5-6mg/cm3之间，孔隙率在98%以上；各向异性，面内方向上具有很好的压缩回复性；海绵的抗压强度(例如60%应变下)能够通过改变氧化石墨烯的浓度等参数进行调节，处于IOKPa左右的量级上；电导率可以通过改变原料浓度以及热还原温度来实现；可以满足不同场合对材料的要求。本方法制备的产品形状和结构可控，结构稳定性，温度稳定性好，制备过程经济简单，原料来源广泛，有利于规模化生产。【附图说明】以下参照附图对本专利技术实施例作进一步说明，其中:图1为根据实施例1的方法制得的石墨烯海绵的光学照片；图2为根据实施例1的方法制得的石墨烯海绵的SEM图片；图3为根据实施例4的方法制得的石墨烯海绵的面内力学性能图；图4为实施例6提供的应变传感器的结构示意图；图5示出了实施例6提供的应变传感器在应变范围为0-60%的力电耦合行为；图6示出了实施例6提供的应变传感器在应变范围为5-30%的力电耦合行为；图7示出了实施例6提供的应变传感器在应变范围为50-60%的力电耦合行为；图8示出了实施例6提供的应变传感器在_50°C下的力电耦合测试结果；图9示出了实施例6提供的应变传感器在25°C下的力电耦合测试结果；图10示出了实施例6提供的应变传感器在200°C下的力电耦合测试结果。【具体实施方式】冰模板法是一种用来制备宏观块体材料的常用方法。主要是通过在冰的形成过程中，能够将之前分散在水中的物质排出去，并且这些分散相在相邻冰晶之间进行排列，再将冰升华，就能得到由分散相组成的宏观材料。通过调节冰的生长条件能够得到不同结构的宏观块体材料。本专利技术提供了一种利用冰模板法制备石墨烯海绵的方法，下面通过不同的实施例来详细描述本专利技术的几种实现方式。实施例1本实施例提供，包括:I)取5ml氧化石墨烯溶液(浓度为6mg/ml),放入立方体容器中，该容器的底部由不锈钢材料制成，其他部位由聚四氟乙烯塑料制成，抽除气泡；2)将上述容器的底部贴在液氮液面上，使氧化石墨烯溶液的底部与液氮液面平齐或位于液氮液面的上方，从而在容器中形成垂直方向的温度梯度，以使容器中的冰定向生长;3)当容器中的全部溶液都结冰完成后，将容器放入-50摄氏度、20Pa的冻干机中，冷冻干燥24h，使冰升华，得到氧化石墨烯海绵；4)将得到的氧化石墨烯海绵放入管式炉中，在氩气保护下，以10°C /min的速度升温至400°C，保持3h，氧化石墨烯海绵被还原，待温度降为室温时，得到石墨烯海绵。本实施例得到的石墨烯海绵的光学照片如图1所示，其中图中所示的“面内”指垂直于冰的生长方向的面，“面外”是指平行于冰的生长方向的面，石墨烯海绵的“面内”和“面外”的SEM照片如图2所示。本实`施例得到的石墨烯海绵的密度为2.52mg/cm3,电导率为0.57X10_3S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯海绵的制备方法，包括：1）提供氧化石墨烯溶液；2）使氧化石墨烯溶液在梯度温度下结冰并使所述冰沿温度梯度定向生长；3）当全部溶液都结冰完成后，使冰升华，得到氧化石墨烯海绵；4）将得到的氧化石墨烯海绵在惰性气体保护下加热，使氧化石墨烯海绵被还原成石墨烯海绵。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯海绵的制备方法，包括: 1)提供氧化石墨烯溶液； 2)使氧化石墨烯溶液在梯度温度下结冰并使所述冰沿温度梯度定向生长； 3)当全部溶液都结冰完成后，使冰升华，得到氧化石墨烯海绵； 4)将得到的氧化石墨烯海绵在惰性气体保护下加热，使氧化石墨烯海绵被还原成石墨烯海绵。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2)中将氧化石墨烯溶液放入容器中，所述容器的部分侧面与该容器的其他部分相比具有更高的导热率，且所述具有更高的导热率的部分侧面与低温源相接触。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述容器的所述具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：况军，刘璐琪，张忠，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：