[发明专利]一种三维石墨烯复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种三维石墨烯复合材料的制备方法，采用3D打印预先制备三维石墨烯结构，再经过与填充材料复合，制备出三维石墨烯复合材料。该方法步骤简单、成本低、高效；其中制备三维石墨烯结构的过程不需要化学试剂的使用、不需要额外的加工技术辅助、不需要在特殊气氛下加工，实现了快速成型；同时，制备的三维石墨烯复合材料结构可控，可实现多尺度复杂三维石墨烯结构的打印，且获得的复合材料具有优异的综合性能。

技术领域

本发明属于石墨烯复合材料制备领域，具体涉及一种三维石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯作为一种二维碳纳米材料，是由sp2杂化碳原子网状链接而成的二维平面结构。石墨烯具有比表面积大、耐腐蚀、良好的电学性能、极高的力学性能等优异的性质，使其在材料领域、柔性电子领域、能量存储具有非常大的潜在应用。

三维石墨烯复合材料充分发挥了三维石墨烯片优异的性质，赋予聚合物复合材料优异的导电、导热和力学性能等。同时，以三维石墨烯网络作为骨架构筑多孔三维石墨烯聚合物复合材料，在具备高孔隙率和大比表面积的同时，也具有优异的的电子传输能力，从而可广泛应用于能量存储、环境保护、传感、电子和电磁屏蔽等领域。

目前制备三维石墨烯复合材料的方法，主要可以分为两类：第一类，先将二维石墨烯材料与聚合物原料进行混合，作为3D打印的原材料，再通过3D打印技术制备三维石墨烯复合材料；第二类，先制备三维石墨烯材料，再通过喷涂、浸泡、铸造等工艺将三维石墨烯与聚合物进行复合，形成三维石墨烯复合材料。

第一类制备方法中，加工过程较为简单、方便。但是石墨烯与聚合物混合的过程，一直是阻碍制备三维石墨烯复合材料的关键问题。石墨烯与聚合物基体间的界面相互作用弱；石墨烯在聚合物内分散很难均一；石墨烯片间接触电阻高。石墨烯与聚合物混合的工艺复杂，耗时长，而且石墨烯的团聚，很难实现与聚合物形成分散均一的混合物，这将导致成型的三维石墨烯复合材料性能差别很大，阻碍其研究与应用。

第二类制备方法中，传统的三维石墨烯制备与研究中，常用的方法包括化学气相沉积(CVD)、氧化还原法、化学交联法等方法。但是这些方法在加工过程中需要大量化学试剂的辅助，以及高温真空等苛刻的环境。同时化学试剂的存在会影响石墨烯结构的性能；且这些方法加工过程复杂、成本高，严重影响加工成本与周期；此外，这些方法制备的三维石墨烯材料，外形结构简单，多为规则的立方体，很难实现复杂形貌的制备。这些加工方法存在的缺点，导致后续制备三维石墨烯复合材料的工艺更为复杂，难以设计具有特定形貌以及性能的功能三维石墨烯复合材料。

发明内容

为了克服加工过程复杂、成型结构简单等上述缺点，实现三维石墨烯复合材料的快速成型，本发明提供了一种三维石墨烯复合材料的制备方法，利用3D打印技术先制备三维石墨烯，将成型的三维石墨烯材料与高分子聚合物通过浸泡工艺，进行填充复合化，构建三维石墨烯复合材料。成型的三维石墨烯复合材料，形貌结构与3D打印制备的三维石墨烯材料一致。

本发明的制备方法具体包括以下步骤：

S1基底加工，将聚酰亚胺(PI)纸固定在底板上，对PI纸激光诱导，产生激光诱导石墨烯(LIG)基底；

S2铺粉，将聚合物粉末平铺在所述基底LIG表面，粉层厚度是石墨烯生长高度的60％-80％；

S3激光诱导，使用CO₂激光对铺好的聚合物粉末进行激光选择性碳化，形成预先设计的单层石墨烯膜；

S4继续铺粉，在形成的石墨烯表面平铺一层聚合物粉末，粉层厚度是石墨烯生长高度的60％-80％；

S5激光诱导，使用CO₂激光对铺好的聚合物粉末进行激光选择性碳化，形成预先设计的单层石墨烯膜；

S6逐层打印，反复重复步骤S4和S5，直至打印完成，得到三维石墨烯结构；