[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

说明书

本发明公开了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及其制备方法，属于功能性石墨烯多孔泡沫技术领域。利用液相自组装和冷冻干燥形成微米级互连大孔气凝胶，并在热处理还原氧化石墨烯骨架过程中原位热聚合生成碳氮化合物纳米片，获得富含微纳尺度褶皱的石墨烯基复合多孔泡沫。该复合材料具有各向同性的超弹性(径向和轴向可逆应变均99％)，优良的抗疲劳稳定性，宽温度范围力学稳定(‑100至600℃)，电导良好且不随应变变化等特性。本发明具有制备工艺简单，微观褶皱可调和易于大面积制备等特点，为组装的石墨烯宏观材料在柔性导体、传感器、微机械电子以及柔性储能器件等领域的研究和应用提供了材料基础。

技术领域：

本发明涉及功能性石墨烯多孔泡沫技术领域，具体为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及其制备方法。

背景技术：

作为一种新型的单原子层二维晶体材料，石墨烯不仅对于探索二维极限下的新物理现象非常重要，同时在力学、电学、热学和光电子学等方面具有许多独特且优异的性质，如高达TPa数量级的弹性模量，10000S/cm的电导率，5000W/m·K的热导，-190℃至1000℃宽温度稳定性，约98％的透光率，抗化学腐蚀等。这些优异的性能赋予了石墨烯在超轻块体材料、透明导电薄膜、电化学储能器件、生物传感器、复合功能材料等诸多领域广泛的应用潜力。把石墨烯纳米片组装成具有特定结构的块体材料，如石墨烯泡沫，对集成石墨烯众多的优异性质、实现其宏量应用具有极其重要的意义。

目前制备石墨烯多孔泡沫的主要方法有化学气相沉积和水热合成、溶胶-凝胶转换等，尽管上述方法取得了一定的效果，但获得的石墨烯多孔泡沫由于孔壁太薄或者片层间作用力弱、存在结构缺陷等原因，力学性能尤其弹性远低于理论结果，使用时极易损坏，同时存在制备过程复杂、控制结构困难等问题，限制了石墨烯多孔泡沫的实际应用和大量制备。而通过添加弹性聚合物如聚二甲基硅甲烷(PDMS)，聚乙烯醇(PVA)等或者柔性生物织构如DNA，活性酶等，虽然提高了石墨烯多孔泡沫的力学性能，但极大的降低了石墨烯多孔泡沫的化学稳定性和温度稳定性。因而制备稳定温度范围宽、力学性能优异同时保持电导良好的石墨烯多孔泡沫，且制备过程简单易放大的方法仍存在挑战。

发明内容：

为了解决目前石墨烯多孔泡沫实际应用困难，制备过程复杂，所得材料弹性差，循环加载易破坏等问题，本发明的目的在于提供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及其制备方法，该方法简单高效，所制备的石墨烯基复合多孔泡沫抗疲劳性能优秀、导电性好、宽温度稳定、具有各向同性的高弹性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

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，该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骨架由碳氮化合物纳米片原位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，其波长为0.01-2μm。

该石墨烯基复合多孔泡沫的厚度为2毫米-5厘米，可剪裁；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℃至600℃，电导率达到20S/cm，且电导率不随应变变化。

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，首先采用冰作为多孔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；