[发明专利]一种超声相控阵设备用于三维石墨烯的制备

说明书

本发明公开了一种用于三维石墨烯制备的超声相控阵设备，包括超声发射器控制系统以及壁面布满发射器的腔体。该设备利用超声驻波控制载体微球在溶液池腔体空间中形成均匀规律的排布，去除微球后在三维石墨烯中留下均匀规律的孔隙结构；通过100MHz～1000MHz的超声波形成相邻波节间距数微米的驻波，从而实现三维石墨烯内微米级别的规律分布的孔隙；通过调控超声波的波长或频率可以实现对孔隙间距的调控；通过调控不同超声发射器的开关状态，可以实现三维石墨烯不同的宏观结构。利用本设备制备三维石墨烯，可以对三维石墨烯的宏观结构、孔径大小以及孔隙间距进行有效控制，从而制备出高连续性的均匀规律孔隙结构的三维石墨烯。

技术领域

本发明涉及三维石墨烯的制备领域，具体涉及一种用于三维石墨烯制备的超声相控阵设备。

背景技术

三维石墨烯是二维石墨烯片层在不同方向的组合得到，宏观上看是三维结构，微观上看仍然保持了石墨烯的二维结构，这种结构利用了石墨烯优良的层内性能，同时保证了高比表面积，数量巨大的微观结构组合成宏观三维结构使得其导电、导热、吸附等能力极大增强。

三维石墨烯结构易于操作，适用于多种场合。三维石墨烯性能的核心基础仍然是二维石墨烯层内性能，所以构建三维石墨烯应实现高密度和均匀性。高密度指的是一定体积内含有的石墨烯片层数量多，从而使得其电学、热学乃至力学性能更佳；均匀性指的是高密度三维石墨烯发挥优良性能的前提条件是实现均匀网络结构。如果石墨烯片层没有形成孔隙结构而是形成密实堆叠，则比表面积减小，微观二维结构损坏，其载流子输运能力、导热能力以及吸附能力等性能均下降。

目前三维石墨烯的制备多以氧化石墨烯为原料形成气凝胶，主要方法包括原位组装法、诱导组装法、模板法以及化学交联法。其中，组装法通过控制还原，减小在溶液中石墨烯纳米片层之间的静电斥力、增强片层间的相互作用，使其组装成为石墨烯水凝胶结构，去除溶剂后即可得到三维石墨烯气凝胶。用这种方法形成的三维石墨烯，其内部孔隙是在氧化石墨烯纳米片层组装自发且随机形成的，这使得孔隙率和孔隙结构受到到多种因素影响，工艺控制困难。而模板法则是借助纳米微球类模板和泡沫类模板为骨架，通过浸渍包覆的途径在骨架上均匀包覆石墨烯纳米片，从而得到三维孔隙结构的石墨烯。利用模板法制备三维石墨烯，其孔隙大小和结构由模板决定，但由于目前的工艺方法仍无法控制微球或泡沫的孔洞分布，使得纳米石墨烯片层存在严重的密实堆积严重影响三维石墨烯内部的孔隙率孔隙分布的均匀性。

综上所述，目前三维石墨烯的制备可采用的方法有原位组装法、诱导组装法、模板法以及化学交联法。，但是这些方法均无法有效的控制三维石墨烯内部孔隙的分布，同时制备过程中容易出现石墨烯片层的密实堆积，导致无法有效制备孔隙率高、孔隙分布均匀且规律的三维石墨烯，严重制约了三维石墨烯的制备与应用。

发明内容

鉴于目前三维石墨烯制备技术中存在无法有效控制内部孔隙分布的问题，本发明提出了一种用于三维石墨烯制备的超声相控阵设备，利用超声波驻波形成的稳定声场控制微球形成均匀且规律的空间分布，控制三维石墨烯内部的孔隙分布，用以制备高连续性、高孔隙率、孔隙尺寸一致、孔隙分布均匀的三维石墨烯。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种用于三维石墨烯制备的超声相控阵设备，包括超声波发射器控制系统和面壁布满超声发射器的原料池，超声波发射器控制系统包括相连接的计算机1和控制器2；原料池由上下盖3、外壁5和内槽 6组成，上下盖3通过螺丝孔定位并连接到外壁5上，上下盖3和外壁5上都均匀安装有超声发射器阵列4，内槽6四周紧贴槽壁，用于盛放溶液；所述控制器2与超声波发射器阵列4通过有线或无线方式进行通讯连接。

所述超声波发射器阵列4在溶液池各个面壁上的均匀分布满足以下条件：任意两相对面壁上的发射器在数量和位置上完全一致，两两相对的超声波发射器构成一对，每一对超声波发射器所发射声波的轴线分别重合，所有声波发射方向指向原料池内部，并形成超声驻波；同一面壁上任意两个探头之间的距离相等，这一距离的数值在不同面壁上的数值是相等的。