[发明专利]一种碳纳米管/石墨烯改性金属/氧化物纳米含能复合薄膜及其方法

说明书

一种碳纳米管/石墨烯改性金属/氧化物纳米含能复合薄膜及其方法属于纳米含能复合薄膜技术领域。本发明添加碳纳米管/石墨烯在金属/氧化物中形成三维导热网络结构的同时，碳纳米管/石墨烯在薄膜中与氧化物纳米颗粒反应释放的气体，促进层状复合材料微观结构中的有效传质，导致更多金属纳米颗粒被氧化，反应中释放更多的能量。此外，对原料碳纳米管和石墨烯分别表面修饰带正电荷和负电荷的官能团，增加其表面活性并在溶剂中稳定分散。通过超声分散避免了碳纳米管/石墨烯在含能材料表面的团聚，实现均匀分布，便于其在多个空间尺度上进行结构组装。该方法操作简单、易于工业化生产。

技术领域

本发明属于纳米含能复合薄膜技术领域，具体涉及一种碳纳米管/石墨烯改性金属/氧化物纳米含能复合薄膜的制备方法。

背景技术

金属/氧化物含能纳米结构薄膜是由纳米级的金属膜与其他金属氧化物膜交替生长，沿垂直于薄膜表面组分或结构周期性变化的薄膜材料，存在纳米调制结构及大量界面，具有高能量密度、高绝热温度和长寿命等特点，适合于平版印刷和其他微电子制造工艺的集成。多层膜在特定的结构和化学条件下，可以表现出可调的快速高温反应区，使其成为材料连接、电力电子、航天军工等领域的良好热源，包括微机电系统(MEMS)热源、钎焊以及通常与传统高能物质有关的快速熔断器、微引燃剂和起爆器等。

近年来，含能纳米复合薄膜自蔓延反应放热在连接技术中有很大应用潜力。其中，Al/CuO、Al/NiO和Al/Fe₂O₃等体系因其高能量释放和可调节的气体排放而成为绝大多数工作的重点。反应性多层膜在局部被外部热源点燃后，可以通过自持续燃烧发生反应。但是，由于自蔓延反应的散热较快，中间层燃烧产生的热量可能很快通过两侧母材以及与之接触的空气散出，使得剩余的少量热量不足以维持自蔓延反应继续进行，导致中间层燃烧较微弱，燃烧波前沿猝灭，基体结合强度较低。因此，急需通过对纳米复合中间层进行改性，提高其热化学性能，使自蔓延反应中放热量增加，增大连接界面均匀性和接头强度。

由于碳纳米管具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，可以合成热传导材料。另外，碳纳米管有较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。

除碳纳米管外，石墨烯也具有非常好的热传导性能，通过较大的接触面积来介导传热。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。

为了结合两者的优点,将石墨烯和碳纳米管共同用于复合材料，通过它们之间的协同效应，在石墨烯片下形成一个碳纳米管网状结构，石墨烯在间隙之间架起桥梁，使其表现出比任意一种单一材料更好的各向同性导热性。同时，碳纳米管/石墨烯在薄膜中与氧化物纳米颗粒反应释放的气体，促进层状复合材料微观结构中的有效传质，导致更多金属纳米颗粒被氧化。此过程导致金属/氧化物薄膜在反应中释放更多的能量。如何将碳纳米管/石墨烯均匀分散在金属/氧化物纳米薄膜中，并且避免氧化物纳米颗粒的团聚是制约反应的能量释放的重要因素。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的金属/氧化物纳米含能薄膜燃烧热量不足的问题，提供一种碳纳米管/石墨烯改性金属/氧化物纳米含能薄膜的方法。

一种碳纳米管/石墨烯改性金属/氧化物纳米含能薄膜的方法，其特征在于，按照以下步骤完成的：

1)取碳纳米管粉末，放入摩尔比为1:3的H₂SO₄:HNO₃的溶液中超声分散20min后，在去离子水中放置30min。通过滤纸将碳纳米管用去离子水过滤清洗5次，分散于去离子水中以2000rpm离心5次，离心10min，用去离子水将溶液浓度调至1mg/ml，获得羧基化后的碳纳米管溶液。