[发明专利]一种可设计构型的碳纳米管-石墨烯混杂多孔预制体的制备方法

说明书

本发明提出一种可设计构型的碳纳米管‑石墨烯混杂多孔预制体的制备方法，以制备用于液固挤压浸渗工艺的金属基复合材料预制体，解决目前用于金属基复合材料纳米增强体的预制体制备难题。本发明通过电荷自组装法将石墨烯和碳纳米管进行组装结合；加入纳米纤维素、硅溶胶等改善石墨烯凝胶的分散性和界面相容性；再利用真空冷冻干燥制备出多孔状石墨烯‑碳纳米管气凝胶预制体；之后利用高温热还原法和化学气相沉积法对石墨烯、碳纳米管表面和界面进行处理以优化性能、提高预制体的形状保持能力。

技术领域

本发明属于一种取向构型的预制体制备方法，具体涉及一种具有取向三维构型的碳纳米管-石墨烯预制体的方法，其具有一定的支撑性，可用于金属基复合材料的液态压力浸渗。

背景技术

金属基复合材料是一种颗粒、纤维等增强体和金属基体复合的新型材料，其既有金属材料的优良导热、导电和延展性等性能，也能够继承增强体的高模量、高强度等性能，具有很大的应用潜力。其中，纳米碳(碳纳米管、石墨烯等)增强镁基复合材料因具有高比强度、高比刚度、良好的热学性能以及优异的电学性能，在航空航天、军事、汽车、电子等工业领域具有广泛应用前景。

虽然碳纳米管、石墨烯等纳米材料具有十分优异的力学性能、热、电性能，但由于存在很强的范德华力，极易产生团聚，导致其难于均匀分散或者有序排列地分布在镁合金基体中，不能充分形成连通的导电、导热通路和载荷传载路径，发挥碳纳米管和石墨烯在复合材料中增强作用。通常增强体加入到镁合金基体中的方法有以下几种：搅拌铸造法、超声分散法、粉末冶金法、挤压浸渗法和搅拌摩擦加工法等。其中，挤压浸渗法操作简便，易于一体化成型，被广泛应用于高性能复合材料的制备；但用于挤压浸渗的预制体一般是多孔状三维结构，由于石墨烯和碳纳米管等纳米增强体尺度较小且难以过滤，无法有效形成多孔状三维结构的预制体，因此难以发挥石墨烯和碳纳米管的导电、导热和力学等性能。

气凝胶材料的出现为成形三维连通预制体的制备提供了一种有效的方法。纳米增强材料气凝胶作为挤压浸渗法的预制体，不仅能够使增强材料在基体中良好分散；因碳纳米管-石墨烯具有超高导电性和热性能，和基体材料复合之后，能赋予复合材料优异的功能性，扩大其在电磁屏蔽、导热、导电功能器件等领域的应用。

目前石墨烯三维气凝胶的制备方法有水热法、溶胶-凝胶法、模板法、冷冻干燥技术等，其中冷冻干燥技术因其步骤简单，成本低廉被越来越多的研究者用于制备气凝胶材料。用以上方法所制备的石墨烯气凝胶主要利用其高弹性、强吸附的特点，以应用于电磁隐身、电化学、污水处理、传感器等各个领域。

在气凝胶应用于复合材料制备过程中，由于石墨烯和碳纳米管的优异性能均集中于石墨烯片层方向和碳纳米管轴向方向上，其性能有很大的各向异性，因此气凝胶预制体的微观结构片层、纳米纤维取向会对其力学、导热等性能产生较大影响，对其片层进行取向调控是很有必要的。纳米材料的调控方法一般通过电场、磁场方法进行取向调控，但当应用于液态金属基体中(如镁合金)时，电磁场施加难度较高，且因温度较高易跨越居里点，导致顺磁化，无法实现有效的电磁场调控，因此开发一种简单易行的调控方法是实现纳米材料性能可设计的重点。

中国专利CN113120885A提出了一种具有夹筋结构的石墨烯碳纳米管复合气凝胶制备方法，该方法以冷冻干燥法制备了氧化石墨烯-羧基化碳纳米管气凝胶，并通过水合肼对气凝胶进行还原处理，获得具有夹筋结构的石墨烯-碳纳米管气凝胶。

中国专利CN112876201A提出一种石墨烯-碳纳米管复合气凝胶的制备方法，该方法采用微波辅助交联的方式获得碳纳米管-石墨烯三维网络水凝胶，再于40-60℃下干燥成为气凝胶，最终在高温环境下热压烧结还原制备得到石墨烯-碳纳米管复合气凝胶。