本發(fā)明涉及石墨烯應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料及制備方法。
背景技術(shù)：
單層石墨烯片是由一層密集的碳六元環(huán)構(gòu)成的，沒有任何結(jié)構(gòu)缺陷，它的厚度為0.35nm左右，是目前為止最薄的二維納米碳材料。同時，它也是組成其他碳族材料的基本單元，能夠通過翹曲得到零維的富勒烯、卷曲得到一維的碳納米管和堆疊得到三維的石墨。石墨烯中最基本的重復(fù)周期單元是有機(jī)化學(xué)中最為穩(wěn)定的苯環(huán)結(jié)溝，它是當(dāng)前為止最好的二維納米材料?，F(xiàn)實中制備的石墨烯不僅存在單層的，也有多層的。由于其結(jié)構(gòu)獨特，石墨烯的各類性質(zhì)也非常優(yōu)異。其是世界上最薄最輕的物質(zhì)，厚度最薄可達(dá)0.34nm，比表面積為2630m2/g，室溫下的載流子遷移率約為20萬(cm2/vs)，己知強(qiáng)度最高的材料之一，比金剛石還堅硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。同時它又擁有很好的韌性，且可以彎曲，理想石墨烯的理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，斷裂強(qiáng)度為130GPa。導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5000W/mK，是目前為止最高的。
目前，國內(nèi)外研究人員在石墨烯材料的復(fù)合，修飾應(yīng)用方面進(jìn)行了較多研究，如中國專利申請?zhí)枺篊N201610858571.8，涉及一種制備石墨紙/碳納米管-石墨烯/聚苯胺柔性復(fù)合電極的方法，屬于電極材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明獲得的電極，具有高的電化學(xué)性能和機(jī)械性能，實現(xiàn)在納米復(fù)合層表面可控均勻負(fù)載聚苯胺，進(jìn)一步提高比電容，原位固結(jié)層次孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高比容量的柔性薄膜。中國專利申請?zhí)枺篊N201610765895.7，公開了一種硫/石墨烯納米復(fù)合材料的制備方法、鋰離子電池正極、鋰離子電池，制備方法步驟包括水熱工序、復(fù)合工序，本發(fā)明制備方法獲得的單質(zhì)硫與三維還原氧化石墨烯復(fù)合材料更體現(xiàn)了其與現(xiàn)有技術(shù)中的二維石墨烯復(fù)合的優(yōu)越性。中國專利申請?zhí)枺篊N201610525033.7，公開了一種氟橡膠/石墨烯復(fù)合母料，耐高溫性能更好，能夠滿足更高的工作溫度使用要求；同時，本發(fā)明氟橡膠/石墨烯復(fù)合母料的制備方法簡便，便于操作，能耗低，效益好，非常適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。中國專利申請?zhí)枺篊N201610768961.6，涉及硬碳/石墨烯復(fù)合材料及其制備方法和鋰離子電容器及其制備方法。硬碳/石墨烯復(fù)合材料具備良好的導(dǎo)電性，優(yōu)異的機(jī)械性能，較高的功率密度與體積比電容，以及較長的使用壽命，可用作鋰離子電容器的負(fù)極活性材料。中國專利申請?zhí)枺篊N201610607138.7，公開了一種具備高效電催化氧還原性能的多孔碳納米纖維/石墨烯復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料制備工藝簡單，材料成本低，重復(fù)性高，易于大規(guī)模合成。中國專利申請?zhí)枺篊N201610566707.8，公開了一種超臨界流體輔助苯胺插入聚合制備聚苯胺-石墨烯復(fù)合材料的方法，將苯胺單體溶解在超臨界流體當(dāng)中，使超臨界流體分子和苯胺分子插入到石墨片層間，再在常壓低溫環(huán)境下引發(fā)石墨片層間的苯胺單體聚合生成聚苯胺，促進(jìn)石墨層間距顯著擴(kuò)大，石墨最終被層層剝離，一步即得到聚苯胺-石墨烯層層復(fù)合材料。中國專利申請?zhí)枺篊N201610550882.8，公開了一種氯丁橡膠/石墨烯復(fù)合材料，具有良好的耐酸性、耐油性和耐氧化性能，可以滿足特定使用環(huán)境下對橡膠復(fù)合材料性能的更高要求，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。中國專利申請?zhí)枺篊N201610515045.1，涉及采用溶液法制備聚丙烯接枝氧化石墨烯扶著材料。采用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)對氧化石墨烯進(jìn)行表面修飾后，與枝化聚丙烯、聚丙烯進(jìn)行共混反應(yīng)，利用修飾石墨烯的功能團(tuán)氨基與馬來酸酐(maleic-anhydride)枝化形成枝化聚丙烯(MAPP)中酸酐的作用，極大極高了氧化石墨烯在復(fù)合材料中分散性。該方法制備的復(fù)合材料，拉伸強(qiáng)度較聚丙烯與枝化聚丙烯提高了20％以上。
綜上所述，盡管將石墨烯及其復(fù)合材料和技術(shù)應(yīng)用到較多領(lǐng)域，并獲得性能改善和提升，但具有高硬度高強(qiáng)度的石墨烯由于表面活性能高，分子間的作用力以及化學(xué)鍵作用強(qiáng)而必然容易發(fā)生團(tuán)聚。因此，在制備成石墨烯復(fù)合材料的時候由于發(fā)生疊層和團(tuán)聚，不能充分體現(xiàn)石墨烯材料的高硬度、高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱的性能優(yōu)勢，這一問題限制了其在更大范圍、更廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明在超聲作用下石墨烯片層之間被打開，在激光作用下石墨烯材料與非金屬物質(zhì)進(jìn)行融合，得到的材料具有高硬度、高強(qiáng)度、電阻率低，易被加工使用的優(yōu)越性能，可廣泛應(yīng)用于牙齒種植、超級電鉆等材料加工領(lǐng)域；電池、超級電容器儲能材料領(lǐng)域；催化劑材料領(lǐng)域；散熱材料領(lǐng)域；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；涂料材料領(lǐng)域；導(dǎo)電油墨；光電、傳感器材料領(lǐng)域；生物相關(guān)領(lǐng)域等。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟：
(1)在超聲作用下將石墨烯量子點和/或石墨烯微片與非金屬單質(zhì)/非金屬化合物進(jìn)行混合研磨、剪切，制得復(fù)合漿體材料或復(fù)合粉體材料；
(2)對制得的復(fù)合漿體材料或粉體材料進(jìn)行干燥，得到無水復(fù)合粉體材料；
(3)將制得的無水復(fù)合粉體材料經(jīng)激光處理進(jìn)行淬化、提煉，促進(jìn)分子重排、接枝融合，得層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料。
進(jìn)一步地，所述非金屬單質(zhì)為硫、氮、硅、磷、硼、氟、氯、砷、硒、溴、碲、碘、砹非金屬單質(zhì)中的一種或幾種。
進(jìn)一步地，所述非金屬化合物為氮化硼、碳納米管、碳纖維、聚苯胺、稀土、橡膠、塑料、聚吡咯、聚噻吩、陽離子樹脂、陰離子樹脂中的一種或幾種。
進(jìn)一步地，所述超聲作用由超聲頭、超聲器或超聲裝置產(chǎn)生。
優(yōu)選地，步驟(1)的混合研磨在高壓條件下進(jìn)行，壓力為10-250MPa，時間為10-60min。高壓條件下的固相混合研磨剪切，不僅使得混合物分散、混合更均勻，提高其分散混合的均勻度，更有效地達(dá)到阻止石墨烯量子點和/或石墨烯微片的層疊和團(tuán)聚，利于石墨烯與金屬物質(zhì)的復(fù)合作用及增強(qiáng)結(jié)合力。
進(jìn)一步地，步驟(1)的混合研磨采用的是高壓液流法或物理研磨法中的一種或兩種組合。
進(jìn)一步地，所述高壓液流法，是指將混合物經(jīng)高壓流體進(jìn)行研磨、剪切，進(jìn)行破碎、混合的方法，其中流體是水、乙醇、丙酮、甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、乙腈、甲醇、丙醇、丙酮、二氧六環(huán)、四氫呋喃、甲乙酮、正丁醇、乙酸乙酯、乙醚、異丙醚、二氯甲烷、氯仿、溴乙烷、苯、四氯化碳、二硫化碳、環(huán)己烷、己烷、煤油中的一種或幾種。高壓液流法混合研磨時的溫度為2-18℃，優(yōu)選地，溫度為4-6℃?？煞乐钩霈F(xiàn)高溫時劇烈的布朗運(yùn)動產(chǎn)生再團(tuán)聚。
進(jìn)一步地，所述物理研磨法，是指將混合物經(jīng)高壓固體進(jìn)行研磨、剪切，進(jìn)行破碎、混合的方法。
進(jìn)一步地，步驟(2)的干燥方法是常壓干燥法、低壓干燥法、真空干燥法、超臨界干燥法或噴霧干燥法。
本發(fā)明還提供一種層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料，其特征在于，由上述的制備方法得到。
本發(fā)明的有益效果是：
通過本發(fā)明的制備方法，使得石墨烯應(yīng)用時避免了疊層和團(tuán)聚，且本發(fā)明制備的層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料，是在超聲作用下石墨烯片層之間被打開，在激光作用下石墨烯材料與非金屬物質(zhì)進(jìn)行融合，得到的材料具有高硬度、高強(qiáng)度、電阻率低，易被加工使用的優(yōu)越性能，可廣泛應(yīng)用于牙齒種植、超級電鉆等材料加工領(lǐng)域；電池、超級電容器儲能材料領(lǐng)域；催化劑材料領(lǐng)域；散熱材料領(lǐng)域；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；涂料材料領(lǐng)域；導(dǎo)電油墨；光電、傳感器材料領(lǐng)域；生物相關(guān)領(lǐng)域等。
具體實施方式
以下對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
實施例1
本實施例的層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料，其制備方法包括如下步驟：
(1)在超聲探頭作用下將石墨烯量子點與氮化硼粉末進(jìn)行混合，采用純水高壓液流法高壓研磨、剪切，壓力為200MPa，時間為30分鐘，溫度為2℃，制得復(fù)合漿體材料；
(2)對制得的復(fù)合漿體材料進(jìn)行真空干燥，壓力為150Pa，干燥時間為60min，得到無水復(fù)合粉體材料；
(3)將烘干后的無水復(fù)合粉體材料經(jīng)激光處理進(jìn)行淬化、提煉，促進(jìn)分子重排、接枝融合，得到層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料。
在其它實施例中，石墨烯量子點也可以用石墨烯微片或者石墨烯量子點與石墨烯微片的混合物來代替；真空干燥的壓力可以在30-1000Pa范圍內(nèi)，干燥時間為10-60min。
實施例2
本實施例的層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料，其制備方法包括如下步驟：
(1)在超聲波反應(yīng)器作用下將石墨烯微片與碳纖維進(jìn)行混合，采用丙醇高壓液流法高壓研磨、剪切，壓力為200MPa，時間為30分鐘，溫度為18℃，制得復(fù)合漿體材料；
(2)將制得的復(fù)合漿體材料進(jìn)行常壓干燥，干燥時間為10-60min，得到無水復(fù)合粉體材料；
(3)將烘干后的無水復(fù)合粉體材料進(jìn)行激光淬化、提煉，促進(jìn)分子重排、接枝融合，得到層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料。
實施例3
本實施例的層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料，其制備方法包括如下步驟：
(1)在超聲探頭作用下將石墨烯微片與碳納米管進(jìn)行混合，采用物理研磨法高壓研磨、剪切，壓力為150MPa，時間為45分鐘，制得復(fù)合漿體材料；
(2)將制得的復(fù)合漿體材料進(jìn)行超臨界干燥，壓力為300Pa，干燥時間為100min，得到無水復(fù)合粉體材料；
(3)將烘干后的無水復(fù)合粉體材料進(jìn)行激光淬化、提煉，促進(jìn)分子重排、接枝融合，得到層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料。
在其它實施例中，超臨界干燥的壓力可以在10-1000Pa范圍內(nèi)，干燥時間為15-200min。
實施例4
本實施例的層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料，其制備方法包括如下步驟：
(1)在超聲探頭作用下將石墨烯微片與硅進(jìn)行混合，采用物理研磨法高壓研磨、剪切，壓力為10MPa，時間為60min，制得復(fù)合漿體材料；
(2)將制得的復(fù)合漿體材料進(jìn)行噴霧干燥，干燥時間為15-100min，得到無水復(fù)合粉體材料；
(3)將烘干后的無水復(fù)合粉體材料進(jìn)行激光淬化、提煉，促進(jìn)分子重排、接枝融合，得到層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料。
在其它實施例中，硅也可以由硫、氮、磷、硼、氟、氯、砷、硒、溴、碲、碘、砹非金屬單質(zhì)中的一種或幾種代替。
實施例5
本實施例的層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料，其制備方法包括如下步驟：
(1)在超聲探頭作用下將石墨烯量子點、石墨烯微片與塑料進(jìn)行混合，采用物理研磨法高壓研磨、剪切，壓力為250MPa，時間為10min，制得復(fù)合漿體材料；
(2)將制得的復(fù)合漿體材料進(jìn)行真空干燥，壓力為50-500Pa，干燥時間為30-100min，得到無水復(fù)合粉體材料；
(3)將烘干后的無水復(fù)合粉體材料進(jìn)行激光淬化、提煉，促進(jìn)分子重排、接枝融合，得到層鑄成型石墨烯-非金屬復(fù)合材料。
在其它實施例中，塑料還可以由氮化硼、碳納米管、碳纖維、聚苯胺、稀土、橡膠、聚吡咯、聚噻吩、陽離子樹脂、陰離子樹脂中的一種或幾種代替。
本發(fā)明并不局限于上述實施方式，如果對本發(fā)明的各種改動或變形不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若這些改動和變形屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變形。