[發明專利]一種三維石墨烯復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 202110993983.3
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113789033B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 羅斯達;劉福;王冠韜
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08L79/08;C08L81/02;C08L61/16;C08K3/04;B33Y70/10
• 代理公司: 北京天匯航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11987
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發明提供了一種三維石墨烯復合材料的制備方法，采用3D打印預先制備三維石墨烯結構，再經過與填充材料復合，制備出三維石墨烯復合材料。該方法步驟簡單、成本低、高效；其中制備三維石墨烯結構的過程不需要化學試劑的使用、不需要額外的加工技術輔助、不需要在特殊氣氛下加工，實現了快速成型；同時，制備的三維石墨烯復合材料結構可控，可實現多尺度復雜三維石墨烯結構的打印，且獲得的復合材料具有優異的綜合性能。

技術領域

本發明屬于石墨烯復合材料制備領域，具體涉及一種三維石墨烯復合材料的制備方法。

背景技術

石墨烯作為一種二維碳納米材料，是由sp2雜化碳原子網狀鏈接而成的二維平面結構。石墨烯具有比表面積大、耐腐蝕、良好的電學性能、極高的力學性能等優異的性質，使其在材料領域、柔性電子領域、能量存儲具有非常大的潛在應用。

三維石墨烯復合材料充分發揮了三維石墨烯片優異的性質，賦予聚合物復合材料優異的導電、導熱和力學性能等。同時，以三維石墨烯網絡作為骨架構筑多孔三維石墨烯聚合物復合材料，在具備高孔隙率和大比表面積的同時，也具有優異的的電子傳輸能力，從而可廣泛應用于能量存儲、環境保護、傳感、電子和電磁屏蔽等領域。

目前制備三維石墨烯復合材料的方法，主要可以分為兩類：第一類，先將二維石墨烯材料與聚合物原料進行混合，作為3D打印的原材料，再通過3D打印技術制備三維石墨烯復合材料；第二類，先制備三維石墨烯材料，再通過噴涂、浸泡、鑄造等工藝將三維石墨烯與聚合物進行復合，形成三維石墨烯復合材料。

第一類制備方法中，加工過程較為簡單、方便。但是石墨烯與聚合物混合的過程，一直是阻礙制備三維石墨烯復合材料的關鍵問題。石墨烯與聚合物基體間的界面相互作用弱；石墨烯在聚合物內分散很難均一；石墨烯片間接觸電阻高。石墨烯與聚合物混合的工藝復雜，耗時長，而且石墨烯的團聚，很難實現與聚合物形成分散均一的混合物，這將導致成型的三維石墨烯復合材料性能差別很大，阻礙其研究與應用。

第二類制備方法中，傳統的三維石墨烯制備與研究中，常用的方法包括化學氣相沉積(CVD)、氧化還原法、化學交聯法等方法。但是這些方法在加工過程中需要大量化學試劑的輔助，以及高溫真空等苛刻的環境。同時化學試劑的存在會影響石墨烯結構的性能；且這些方法加工過程復雜、成本高，嚴重影響加工成本與周期；此外，這些方法制備的三維石墨烯材料，外形結構簡單，多為規則的立方體，很難實現復雜形貌的制備。這些加工方法存在的缺點，導致后續制備三維石墨烯復合材料的工藝更為復雜，難以設計具有特定形貌以及性能的功能三維石墨烯復合材料。

發明內容

為了克服加工過程復雜、成型結構簡單等上述缺點，實現三維石墨烯復合材料的快速成型，本發明提供了一種三維石墨烯復合材料的制備方法，利用3D打印技術先制備三維石墨烯，將成型的三維石墨烯材料與高分子聚合物通過浸泡工藝，進行填充復合化，構建三維石墨烯復合材料。成型的三維石墨烯復合材料，形貌結構與3D打印制備的三維石墨烯材料一致。

本發明的制備方法具體包括以下步驟：

S1基底加工，將聚酰亞胺(PI)紙固定在底板上，對PI紙激光誘導，產生激光誘導石墨烯(LIG)基底；

S2鋪粉，將聚合物粉末平鋪在所述基底LIG表面，粉層厚度是石墨烯生長高度的60％-80％；

S3激光誘導，使用CO₂激光對鋪好的聚合物粉末進行激光選擇性碳化，形成預先設計的單層石墨烯膜；

S4繼續鋪粉，在形成的石墨烯表面平鋪一層聚合物粉末，粉層厚度是石墨烯生長高度的60％-80％；

S5激光誘導，使用CO₂激光對鋪好的聚合物粉末進行激光選擇性碳化，形成預先設計的單層石墨烯膜；

S6逐層打印，反復重復步驟S4和S5，直至打印完成，得到三維石墨烯結構；