[发明专利]一种宽温度稳定的各向同性高弹性石墨烯基复合多孔泡沫

权利要求书

1.一种宽温度稳定的各向同性高弹性石墨烯基复合多孔泡沫的制备方法，其特征在于：所述石墨烯基复合多孔泡沫具有互连的三维网络结构，网络骨架为石墨烯-碳氮化合物复合薄膜；所述石墨烯基复合多孔泡沫具有孔径为1-100μm的微米级互连大孔；所述石墨烯-碳氮化合物复合薄膜是由碳氮化合物纳米片均匀分散在石墨烯片层上，并形成局域有序整体均匀分布的微纳尺度波浪结构；

所述宽温度稳定的各向同性高弹性石墨烯基复合多孔泡沫的制备方法为：采用冰作为多孔自模板对均匀混合的前驱体溶液进行冷冻干燥，形成了1-100μm互连大孔；随后进行低温热处理，还原氧化石墨烯的同时原位聚合生成碳氮化合物，并在石墨烯-碳氮化合物孔壁上自发形成了0.01-2μm的波浪结构，随意取向的波浪结构组合在一起，形成复合层级结构；该制备方法包括如下步骤：

（1）配置前驱体溶液：将氰胺类物质的饱和水溶液逐渐加入均匀分散的中性氧化石墨烯溶液中，搅拌并超声10-120分钟，至混合均匀后获得所述前驱体溶液；所述均匀分散的中性氧化石墨烯溶液的浓度为2-8mg/ml；所述前驱体溶液中氰胺类物质与氧化石墨烯的质量比为（0.1-2）：1；所述氰胺类物质为尿素、二氰二胺或三聚氰胺；

（2）多孔模板的自生成：选择所需截面形状和高度的陶瓷坩埚作为目标容器，量取步骤（1）制备的前驱体溶液注入其中，进行冷冻干燥，得到负载氰胺类物质的氧化石墨烯多孔气凝胶，同时降温过程中前驱体溶液中的水生成冰，形成1-100μm的多孔模板；冷冻干燥前，对目标容器内的前驱体溶液进行-40~0℃的低温预冷，形成具有均匀且尺寸较大冰晶的块体，然后进行冷冻干燥；通过控制冷冻过程的降温速率，能够控制所形成多孔模板中孔的平均尺寸；冷冻干燥的温度为-100℃~-160℃，冷冻干燥的时间取决于目标容器的高度和截面积大小，为1-24小时，以此获得互连孔结构保持比较完整的石墨烯基复合多孔泡沫；

（3）石墨烯基复合泡沫的形成：将步骤（2）所得多孔气凝胶进行低温热处理，低温热处理将氧化石墨烯还原为石墨烯，同时促发原位化学反应-热解缩聚氰胺类前驱体生成片层状碳氮化合物，还原氧化石墨烯和均匀分散的碳氮化合物纳米片之间不均匀的压缩应力，促发生成局域有序的微纳尺度波浪结构，获得石墨烯基复合多孔泡沫。

2.根据权利要求1所述的宽温度稳定的各向同性高弹性石墨烯基复合多孔泡沫的制备方法，其特征在于：该石墨烯基复合多孔泡沫的厚度为2毫米-5厘米；其力学性能优良，径向和轴向应力响应几乎一致，线弹性应变达到78%，可逆压缩能力超过99%，同时疲劳抗力优良；力学稳定温度范围为-100°C至600°C，电导率达到20S/cm，且电导率不随应变变化。

3.根据权利要求1所述的宽温度稳定的各向同性高弹性石墨烯基复合多孔泡沫的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述均匀分散的中性氧化石墨烯溶液的制备过程为：将制备的氧化石墨烯分散至水中，超声10-120分钟获得；所用氧化石墨烯的层数为1-10层，横截尺寸为5-100μm；该氧化石墨烯通过改进的Hummer法制备。

4.根据权利要求1所述的宽温度稳定的各向同性高弹性石墨烯基复合多孔泡沫的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，注入目标容器中前驱体溶液体积不超过目标容器容积的90%；目标容器的形状决定制备的石墨烯基复合多孔泡沫形状。

5.根据权利要求1所述的宽温度稳定的各向同性高弹性石墨烯基复合多孔泡沫的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述低温热处理的过程为：以1-20°C /min的升温速率升温至400-600°C，恒温反应2-10小时，随炉自然冷却；所述低温热处理过程采用保护气氛，保护气氛为氩气或氮气，每毫克样品通入气体的流量为5-20毫升/分钟。