[发明专利]一种碳海绵及其制备方法和压力传感器

说明书

本发明提供一种碳海绵及其制备方法和压力传感器，属于纳米材料研究领域。制备一种由无定形碳和石墨烯通过“泥砖”结构构成的具有全向可压缩超弹性的碳海绵的方法，包括：将小分子有机酸添加剂和氧化石墨烯分散到溶剂中形成氧化石墨烯和添加剂混合分散溶液；将混合溶液进行干燥，获得含添加剂的氧化石墨烯海绵；在惰性气体保护下高温热处理含添加剂氧化石墨烯海绵，得到碳海绵。得到的碳海绵具有全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性、高强度的和高导电性。本发明还涉及一种基于该海绵的触觉和压力传感器及其制备方法。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，特别涉及一种碳海绵及其制备方法和压力传感器。

背景技术

海绵是一种具有良好弹性的多孔材料，气凝胶被称为“超级海绵”。气凝胶具有比表面积大、孔隙率大、密度小、热导率低等特点，在电子工业、航空航天、能源、化工、工业催化、环保等领域有着巨大的应用潜力。常见的气凝胶是二氧化硅气凝胶，广泛应用于隔热、隔音、减震等领域。近年来，全碳气凝胶尤其是石墨烯气凝胶获得了科研人员和工业界的广泛关注。由于石墨烯是具有高电导率(1×10⁶S/m)、高模量(1TPa)、高强度(130GPa)高比表面积(2630m²/g)等优异性能的新型二维材料，以石墨烯为主体构成的全碳气凝胶有望兼具石墨烯和气凝胶的优异性能，实现高弹性、高强度、电导率高的超级海绵的制备。

化学气相沉积和氧化还原法是实现石墨烯大规模制备的主要方法，以这两种方法为基础发展了两大类制备石墨烯海绵的方法：模板气相沉积法和溶液自组装法。模板气相沉积法在泡沫镍或二氧化硅海绵等三维多孔材料上先通过化学气相沉积出连续的管状石墨烯三维网络，再刻蚀掉多孔基底，然后进一步干燥和热处理之后得到石墨烯海绵。这种方法制备的石墨烯海绵虽然结晶度高，电学和力学性能优异，但是其微观结构取决于基底的多孔材料，不易对其进行调控，同时难以克服需要复杂工艺和极高温度热处理(2250℃)带来的高成本的问题。溶液自组装法和模板气相沉积法相比，无需沉积模板，所以其结构和性质很容易调控，同时不需要复杂的工艺和超高的处理温度，成本低，更适合工业化。但是现有的溶液自组装法得到的碳海绵力学和电学性能不好，无法和模板气相沉积法相比拟。即使在溶液自组装法中通过复合碳纳米管或高分子来固定石墨烯网络，得到的的海绵也不具备全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性，同时强度和导电性都不高。所述的全向可压缩超弹性或全向可回复压缩性即沿其三维坐标系(X-Y-Z)的任意方向具有超弹性或受压缩后撤掉压力时均能回复到压缩长度的60％以上的性质。

综上所述，目前尚未有低成本、可控性好的制备具有全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性、高强度和高电导率的的碳海绵的报道。

而具备全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性、高强度和高电导率的碳海绵不仅在构筑新型耐压缩的柔性电池、超级电容器、传感器、制动器等电子学器件中起决定作用，而且对未来发展基于碳海绵的碳生物组织支架、超轻机械阻尼多孔材料以及超轻隔热/隔音多孔材料至关重要。因此，发展一种制备步骤简捷、可控性好、制备具有全向可压缩超弹性、高强度和高电导率的碳海绵的方法具有重要的科学意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，开发一种具有全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性、高强度的和高导电性的碳海绵，并提供了其制备方法。

本发明的另一个目的是：基于这种具备全向可压缩超弹性、全向可回复压缩性、高强度和高导电性的碳海绵，提供一种可全向探测压力、探测下限低的和高灵敏度的触觉和压力传感器。

特别地，本发明提供的碳海绵是一种组合物，其特征是：由石墨烯或部分还原的氧化石墨烯和无定形碳通过“砖泥”结构构筑形成；所述“砖泥”结构是指由单层或若干层的石墨烯或部分还原的氧化石墨烯作为“砖”，无定形碳作为“泥”包覆或部分包覆所述石墨烯或部分还原的氧化石墨烯，以使石墨烯或部分还原的氧化石墨烯和无定形碳衔接而成“砖泥”结构的多孔网络状复合结构；其组分的重量百分比为：石墨烯或部分还原的氧化石墨烯0.1-99.9％，无定形碳0.1％-99.9％。