[发明专利]二维混杂复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种二维混杂复合材料的制备方法，其能够解决二维片状材料的问题，也就是，在第二维片状材料相互重叠时出现的阶差、缺陷和伸展等。本发明提供了一种二维混杂复合材料的制备方法，其包括：(a)制备固态或液态的第一片状材料；(b)将第二片状材料与所述第一片状材料混合，所述第二片状材料比所述第一片状材料更薄且更柔韧；(c)将固体或液体粘合剂与所述第一和第二片状材料混合，从而使所述第一和第二片状材料彼此部分接触或分离；和(d)使通过上述步骤(a)、(b)和(c)形成的复合材料固化。

技术领域

本发明涉及一种二维混杂复合材料的制备方法，其解决了第二维片状材料的问题，也就是，在第二维片状材料相互重叠时出现的阶差和缺陷等。

背景技术

片状材料包括陶瓷纳米片(如纳米粘土、ZnO纳米片、TiO₂纳米片、WS₂、MoS₂、氧化物、蛤壳、碳酸钙、硫化物等)、金属鳞片(flake)(如银鳞片和铜鳞片等)、石墨、碳纳米片、石墨烯(graphene)、石墨烯纳米片、氧化石墨烯，等等。还可以获得片状形式的复合产物(composite compound)或有机-无机混杂材料等。

这些片状材料可重要地用于以下领域中：强度(如抗弯强度、拉伸强度等)、导电性和导热性方面的增强剂、填料、阻气物、润滑剂(固体或液体)或液态传热体等。

这些片状材料主要划分为非石墨片状材料(如陶瓷纳米片、金属鳞片、复合产物和有机-无机混杂材料等)，和石墨片状材料(如石墨(例如碳鳞片、无定形石墨、片状石墨、鳞片状石墨和人造石墨等)、碳纳米片、石墨烯、氧化石墨烯和氧化石墨等)。

非石墨片状材料通常厚度为约5nm。另外，作为固体润滑剂非常重要的WS₂和MOS₂可以受控地制造，从而使纳米片具有给定数目以下的层。

关于石墨片状材料，石墨的厚度为100nm以上；且石墨烯或氧化石墨烯的厚度为约5nm～7nm(1～20层)以下。

更具体而言，石墨具有较厚的平面结构，且各层经弱范德华键结合在一起。在研磨过程中，范德华键断裂而使石墨变薄。不过，难以使石墨的厚度薄至100nm以下。

碳纳米片(下文称为“CNP”)具有极薄的结构，通常薄于石墨，并且其厚度为约5nm～200nm。

另一方面，片状材料还可以使用石墨插层化合物(GIC)制备，GIC包括插入在石墨层之间化学物质。换言之，将GIC在合适的温度下加热或暴露在微波中来引发石墨的层间膨胀，生成具有长幼虫状形式的膨胀石墨(下文称为“EG”)。具有弱内部键合的EG的各层(也就是纳米片)借助机械处理、超声处理、化学处理、施加剪切力和球磨等方式相互分离，从而得到片状材料(下文称为“EP”)。EP当然可归类为碳纳米片，并且本发明规定了碳纳米片包括EP的概念。

与石墨或CNP不同，石墨烯(下文称为“GP”)是一种具有极薄碳纳米结构和量子力学性质的新型材料。就包括导电性、导热性、强度、柔韧性或阻气性等在内的性质而言，已知GP是一种远优于任何其他现存的天然或人造材料的材料。特别是，GP同时具有柔韧性和延伸性，因而其可以伸长至多30％而具有保持的强度、导电性和导热性。GP的厚度为约5nm～7nm以下，考虑到GP通常具有1～20个由碳原子构成的蜂窝状层，层间距为约3.4nm。

氧化石墨烯(下文称为“GO”)或氧化石墨(也称为“GO”；也就是说，本说明书中使用的术语“GO”是指氧化石墨烯和氧化石墨)由石墨制成，而后在液态、气态或固态下还原为石墨烯。此种情况中的还原方法可分为热还原和化学还原。石墨烯还可以由氧化石墨烯经暴露于能量(如微波、光子、IR和激光等)而制得。

另外，可以将石墨烯浸入对石墨具有极高亲和性的溶剂中，然后进行超声处理等，以使石墨层相互分离。本文所用的溶剂的具体实例可以包括GBL和NMP等。所述石墨烯具有良好的品质，但难以制造。