[發明專利]一種碳納米管/石墨烯改性金屬/氧化物納米含能復合薄膜及其方法

有效

• 申請號: 201910574503.2
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110240530B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 李紅;劉璇;韓祎;栗卓新
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C06B33/00
• 分類號: C06B33/00;B23K31/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種碳納米管/石墨烯改性金屬/氧化物納米含能復合薄膜及其方法屬于納米含能復合薄膜技術領域。本發明添加碳納米管/石墨烯在金屬/氧化物中形成三維導熱網絡結構的同時，碳納米管/石墨烯在薄膜中與氧化物納米顆粒反應釋放的氣體，促進層狀復合材料微觀結構中的有效傳質，導致更多金屬納米顆粒被氧化，反應中釋放更多的能量。此外，對原料碳納米管和石墨烯分別表面修飾帶正電荷和負電荷的官能團，增加其表面活性并在溶劑中穩定分散。通過超聲分散避免了碳納米管/石墨烯在含能材料表面的團聚，實現均勻分布，便于其在多個空間尺度上進行結構組裝。該方法操作簡單、易于工業化生產。

技術領域

本發明屬于納米含能復合薄膜技術領域，具體涉及一種碳納米管/石墨烯改性金屬/氧化物納米含能復合薄膜的制備方法。

背景技術

金屬/氧化物含能納米結構薄膜是由納米級的金屬膜與其他金屬氧化物膜交替生長，沿垂直于薄膜表面組分或結構周期性變化的薄膜材料，存在納米調制結構及大量界面，具有高能量密度、高絕熱溫度和長壽命等特點，適合于平版印刷和其他微電子制造工藝的集成。多層膜在特定的結構和化學條件下，可以表現出可調的快速高溫反應區，使其成為材料連接、電力電子、航天軍工等領域的良好熱源，包括微機電系統(MEMS)熱源、釬焊以及通常與傳統高能物質有關的快速熔斷器、微引燃劑和起爆器等。

近年來，含能納米復合薄膜自蔓延反應放熱在連接技術中有很大應用潛力。其中，Al/CuO、Al/NiO和Al/Fe₂O₃等體系因其高能量釋放和可調節的氣體排放而成為絕大多數工作的重點。反應性多層膜在局部被外部熱源點燃后，可以通過自持續燃燒發生反應。但是，由于自蔓延反應的散熱較快，中間層燃燒產生的熱量可能很快通過兩側母材以及與之接觸的空氣散出，使得剩余的少量熱量不足以維持自蔓延反應繼續進行，導致中間層燃燒較微弱，燃燒波前沿猝滅，基體結合強度較低。因此，急需通過對納米復合中間層進行改性，提高其熱化學性能，使自蔓延反應中放熱量增加，增大連接界面均勻性和接頭強度。

由于碳納米管具有非常大的長徑比，因而其沿著長度方向的熱交換性能很高，可以合成熱傳導材料。另外，碳納米管有較高的熱導率，只要在復合材料中摻雜微量的碳納米管,該復合材料的熱導率將會可能得到很大的改善。

除碳納米管外，石墨烯也具有非常好的熱傳導性能，通過較大的接觸面積來介導傳熱。純的無缺陷的單層石墨烯的導熱系數高達5300W/mK，是目前為止導熱系數最高的碳材料，高于單壁碳納米管(3500W/mK)和多壁碳納米管(3000W/mK)。當它作為載體時，導熱系數也可達600W/mK。

為了結合兩者的優點,將石墨烯和碳納米管共同用于復合材料，通過它們之間的協同效應，在石墨烯片下形成一個碳納米管網狀結構，石墨烯在間隙之間架起橋梁，使其表現出比任意一種單一材料更好的各向同性導熱性。同時，碳納米管/石墨烯在薄膜中與氧化物納米顆粒反應釋放的氣體，促進層狀復合材料微觀結構中的有效傳質，導致更多金屬納米顆粒被氧化。此過程導致金屬/氧化物薄膜在反應中釋放更多的能量。如何將碳納米管/石墨烯均勻分散在金屬/氧化物納米薄膜中，并且避免氧化物納米顆粒的團聚是制約反應的能量釋放的重要因素。

發明內容

本發明的目的在于解決現有的金屬/氧化物納米含能薄膜燃燒熱量不足的問題，提供一種碳納米管/石墨烯改性金屬/氧化物納米含能薄膜的方法。

一種碳納米管/石墨烯改性金屬/氧化物納米含能薄膜的方法，其特征在于，按照以下步驟完成的：

1)取碳納米管粉末，放入摩爾比為1:3的H₂SO₄:HNO₃的溶液中超聲分散20min后，在去離子水中放置30min。通過濾紙將碳納米管用去離子水過濾清洗5次，分散于去離子水中以2000rpm離心5次，離心10min，用去離子水將溶液濃度調至1mg/ml，獲得羧基化后的碳納米管溶液。