[发明专利]超结构玻璃碳材料的制备方法、超结构玻璃碳材料及应用

说明书

本发明公开了超结构玻璃碳材料的制备方法、超结构玻璃碳材料及应用，制备方法为在多孔碳基材料的制备原料中加入碳纳米管以3D打印技术打印超结构玻璃碳材料。本发明通过在超结构玻璃碳材料的制备原料中添加碳纳米管，以高分子材料作为碳基材料的主体同时采用碳纳米管作为增强相，利用碳纳米管的第二相增强原理加强碳基材料的力学性能，同时不会影响碳基材料表面生物相容性；利用碳纳米管优秀的增强性能对超结构玻璃碳材料的性能进行补强，碳纳米管分散在碳基材料基体中发挥稳定的第二相增强作用，能够有效延缓超结构玻璃碳材料的位错发展、大幅度提高多孔碳基材料的强度和韧性，其生产工艺简单、易于实现量产化生产。

技术领域

本发明涉多孔材料技术领域，尤其是一种超结构玻璃碳材料的制备方法、一种超结构玻璃碳材料、以及一种超结构玻璃碳材料的应用。

背景技术

碳基材料由于其具有稳定的化学性质、广泛的来源和较高的力学性能，以碳纤维、活性炭、石墨烯、玻璃碳等多种形式被广泛应用于现代生活的各种产品中。其中，玻璃碳往往由酚醛树脂、呋喃树脂以及蔗糖、纤维素、聚偏二氯乙烯等炭化得到。玻璃碳的断口形貌和结构特征类似玻璃，与玻璃兼有不透气性、低比表面积和各相同性等特性，具有良好的生物相容性，广泛应用于新能源领域与生物医学材料领域；玻璃碳的强度较高，但韧性差，尤其是多孔玻璃碳的耐冲击性能较差。

多孔材料的结构可以超越材料的属性、材质，展现出独特的属性，这种独特的结构被称为超结构。目前超结构材料多采用3D打印制备，3D打印技术属于自上而下的制备策略，相较于发泡法、占位法、纳米自组装法等具有结构可控、可量产、重复性高、使用材料广泛等优点。目前3D打印超结构玻璃碳材料，在组织修复领域、新能源领域展现出了较好的发展前景。然而目前通过3D打印所制得的玻璃碳材料，虽然力学性能较高，但脆性大，韧性差，在外力冲击下易破碎，作为骨组织修复材料植入后，会在患者运动过程中失效断裂，造成二次创伤等后果。

公告号为CN110649236A的中国专利文献公开了了一种多孔硅碳复合材料及其制备方法，所述多孔硅碳复合材料是由硅基材料和碳基材料粘接而成的，其中硅基材料包括硅、硅的氧化物和硅酸盐，且硅酸盐分散在硅的氧化物基底中，碳基材料包括碳材料和无定形碳包覆材料，碳材料与硅基材料相互接触并粘接在一起形成多孔结构，无定形碳包覆材料包覆在该多孔结构的表面；条件是以多孔硅碳复合材料的总质量为1 00％计，其中硅酸盐的质量百分含量为5％-30％。该发明所述的多孔硅碳复合材料具有高的比容量和首次库伦效率，以及优异的循环性能和倍率性能。此外，该发明制备方法简单，是一种适合工业化大规模生产的锂离子电池用硅碳复合材料的方法。

公告号为CN115403390A的中国专利文献公开了一种利用高固含量/低透光度碳基浆料通过光固化3D打印制备多孔碳骨架的方法，高固含量浆料中的颗粒物理沉积及透光度低限制了光固化3D打印在碳基材料制备上的应用，该发明使用了一种高固含量/低透光度碳基浆料，并根据该浆料的特点提出了一种针对该浆料的光固化3D打印制备方法及装置，该发明通过自动填料系统实现搅拌浆料以避免在长时间打印过程中浆料出现颗粒物理沉积，其次在浆料槽两侧增加旋转刮板以避免打印过程中浆料与离型膜沉积、粘黏，同时也改善当前固化层浆料与UV LED光源间的透光性。此外通过降低每层固化厚度，提高UVLED光源光强，延长曝光时间的工艺参数优选，也能够改善浆料透光度降低的问题，最终达到制备结构可控的碳基骨架的目的。

公告号为CN113998681A的中国专利文献公开了利用3D打印制备碳纳米管-碳复合泡沫材料的制备方法及其应用该发明涉及纳米材料的技术领域，尤其涉及一种利用3D打印制备碳纳米管-碳复合泡沫材料的制备方法及其应用。利用3D打印的泡沫结构为模板在惰性气体的保护下高温碳化形成疏松多孔的碳骨架，再利用化学气相沉积法在碳骨架上沉积碳纳米管，形成碳纳米管-碳复合多孔泡沫材料。该发明通过3D打印和化学气相沉积法制备了一种由碳纳米管包覆多孔碳骨架的复合泡沫结构，这种三维碳纳米管材料独特的交联结构和高孔隙率，使复合材料具有良好的弹性和吸附性能。