專利名稱：基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的材質(zhì)及其制備方法，具體是一種基于玻 璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
玻璃碳，作為一種特殊碳材料，兼有碳和玻璃兩種材料特性的優(yōu)點(diǎn)，與一般碳或石 墨材料相比，具有許多優(yōu)良的特性機(jī)械強(qiáng)度高、像玻璃一樣，具有不透氣性，耐化學(xué)腐蝕性 強(qiáng)，可以長期耐強(qiáng)酸的侵蝕，熱穩(wěn)定性好，抗氧化性強(qiáng)，在600°C以下不易被空氣氧化，在惰 性氣體中可耐3000°C的高溫，在使用過程中，無碳粉剝落，不產(chǎn)生污染，易于清潔處理，并可 以導(dǎo)電、導(dǎo)熱。因此，玻璃碳在化工、冶金、半導(dǎo)體工業(yè)等部門都有廣泛應(yīng)用。目前，玻璃碳的制備通常采用酚醛樹脂、糠醛樹脂作為碳前驅(qū)體。此方法工藝復(fù) 雜，生產(chǎn)周期長，熱解后殘?zhí)悸瘦^低，同時(shí)帶來大的收縮率，得到的玻璃碳為多孔結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度 較低，不易石墨化。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，龔敏(Gong Min)等人在四川輕化工學(xué)院學(xué)報(bào) (Journal ofSiChuan Institute of Light Industry and Chemical Technology)中 17(2004)第18 21撰文，采用改性的酚醛樹脂碳化制備出玻璃碳。此方法在一定程度上 降低了玻璃碳的空隙率，使得強(qiáng)度有所提高。J. D. Andrade 等人在 Journal of Applied Polymer Science 中 20(2003)第 4409 4415撰文，采用聚酰亞胺薄膜作為前驅(qū)體，進(jìn)行碳化制備得到高密度玻璃碳。聚酰 亞胺碳化殘?zhí)悸瘦^高，所得到的高密度玻璃碳無需拋光便具有金屬光澤，相對于酚醛、糠醛 樹脂，聚酰亞胺碳化得到的玻璃碳具有強(qiáng)度相對較大，電導(dǎo)率低，熱導(dǎo)率大，熱膨脹系數(shù)低 等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于玻璃碳容易碎裂，玻璃碳板材在應(yīng)用過程中，其厚度大多為毫米級別。 為了拓展玻璃碳的應(yīng)用領(lǐng)域，滿足一些特殊的應(yīng)用，有必要制備具備一定強(qiáng)度的無支撐微 米厚度玻璃碳薄膜。這就需要對玻璃碳進(jìn)行增強(qiáng)，石墨烯，作為由單層碳原子緊密排列構(gòu)成 的二維原子晶體材料，表現(xiàn)出與碳納米管相當(dāng)?shù)膬?yōu)異的力學(xué)性能，因此有望成為取代碳納 米管在復(fù)合材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜 及其制備方法，此復(fù)合材料為石墨烯增強(qiáng)的玻璃碳復(fù)合薄膜，厚度為微米級別，且具有可觀 的強(qiáng)度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜，其前驅(qū)體組分及其質(zhì)量百分比 為0. 1 % 50 %的石墨烯片、99. 9 % 50 %的聚酰亞胺基材；所述的石墨烯片為有機(jī)溶劑分散的改性石墨烯或氧化石墨烯；
所述的聚酰亞胺基材的結(jié)構(gòu)式為如下任意一種 本發(fā)明涉及上述基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜的制備方法，通過在溫度低于 2500°C將聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜經(jīng)碳化處理，得到基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜。所述的聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜的組分及重量百分比為0. 1 50%的石墨烯片、 99. 9% 50%的聚酰胺酸。所述的聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜，具體是通過將含有石墨烯片的聚酰胺酸溶液加熱亞 胺化制備得到。所述的含有石墨烯片的聚酰胺酸溶液是指將重量百分?jǐn)?shù)為0. 5 50%的石墨烯 或氧化石墨烯及固含量為5 30%的聚酰胺酸溶解于N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲 酰胺、N-甲基吡咯烷酮或甲醇與四氫呋喃的混合液并超聲分散后獲得。所述的加熱亞胺化的具體操作是指在60 150°C加熱1 24小時(shí)除去溶劑后， 再置于180 300°C真空環(huán)境下加熱2 24小時(shí)，形成聚酰亞胺前驅(qū)體。所述的碳化處理是指將聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜夾在兩塊經(jīng)精密拋光的石墨片之 間，在惰性氣體保護(hù)下，從室溫開始以0. 2 20°C /分的速度升溫至900 1200°C并保溫 1 5小時(shí)，再經(jīng)2000 2500°C高溫處理制備得到基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜。所述的保護(hù)氣體為惰性氣體，如氮?dú)?、氬氣或氦氣。本發(fā)明的復(fù)合材料為石墨烯增強(qiáng)的玻璃碳復(fù)合薄膜，厚度為微米級別，且具有可 觀的強(qiáng)度。制備得到的復(fù)合薄板的撓曲強(qiáng)度為可達(dá)到600MPa以上。


圖1為本發(fā)明方法示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。
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實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)施例所述制備方法包括以下步驟1，將重量百分?jǐn)?shù)為0. 5%的有機(jī)溶劑分散性的改性石墨烯在10%固含量的聚酰 胺酸(PMDA/0DA體系)的N，N-二甲基乙酰胺溶液中超聲分散后，在基板上涂膜，控制厚度 為1000微米，60°C加熱12小時(shí)，除去極性溶劑后，在真空烘箱中300°C保溫1小時(shí)，使亞胺 化完全，從而形成厚度約為100微米的聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜。2，將得到的聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合薄膜夾在兩塊經(jīng)精密拋光的石墨片之間，在氬 氣保護(hù)下，從室溫開始以0. 2°C /分升溫至900°C，保溫1小時(shí)，從而得到Sigradur K玻璃 碳/石墨烯復(fù)合薄膜。所得到的玻璃碳/石墨烯復(fù)合薄膜的撓曲強(qiáng)度為500MPa。實(shí)施例2步驟如實(shí)施例1，將改性石墨烯的重量百分?jǐn)?shù)變?yōu)?0%，聚酰胺酸的固含量降到 5%。此時(shí)所得到的玻璃碳/石墨烯復(fù)合薄膜的撓曲強(qiáng)度為600MPa。實(shí)施例3步驟如實(shí)施例1，將PMDA/0DA體系的聚酰胺酸變?yōu)閟-BPDA/ODA體系的聚酰胺酸。 此時(shí)所得到的玻璃碳/石墨烯復(fù)合薄膜的撓曲強(qiáng)度為550MPa。實(shí)施例4步驟如實(shí)施例1，將PMDA/0DA體系的聚酰胺酸變?yōu)镻MDA/PDA體系的聚酰胺酸。此 時(shí)所得到的玻璃碳/石墨烯復(fù)合薄膜的撓曲強(qiáng)度為570MPa。實(shí)施例5步驟如實(shí)施例1，將升溫速率由0. 2V /分變?yōu)?0°C /分。此時(shí)所得到的玻璃碳/ 石墨烯復(fù)合薄膜的撓曲強(qiáng)度為400MPa。實(shí)施例6步驟如實(shí)施例1，將所得到的Sigradur K玻璃碳/石墨烯復(fù)合薄膜再經(jīng)2000°C高 溫處理制備出純度更高的Sigradur G玻璃碳/碳納米管復(fù)合薄板。所得到的Sigradur G 玻璃碳/石墨烯復(fù)合薄膜的撓曲強(qiáng)度為600MPa。
權(quán)利要求
一種基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜，其特征在于，其前驅(qū)體組分及其質(zhì)量百分比為0.1％～50％的石墨烯片、99.9％～50％的聚酰亞胺基材。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜，其特征是，所述的石墨烯 片為有機(jī)溶劑分散的改性石墨烯或氧化石墨烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜，其特征是，所述的聚酰亞 胺基材的結(jié)構(gòu)式為如下任意一種
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在 于，通過在溫度低于250(TC將聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜經(jīng)碳化處理，得 到基于玻璃碳和石墨烯 的復(fù)合薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于玻璃碳和碳納米管的復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是， 所述的碳化處理是指將聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜夾在兩塊經(jīng)精密拋光的石墨片之間，在惰性 氣體保護(hù)下，從室溫開始以0. 2 20°C /分的速度升溫至900 1200°C并保溫1 5小時(shí)， 再經(jīng)2000 2500°C高溫處理制備得到基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是， 所述的聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜，通過將含有石墨烯片的聚酰胺酸溶液加熱亞胺化制備得到。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是，所 述的含有石墨烯或氧化石墨烯的聚酰胺酸溶液是指將重量百分?jǐn)?shù)為0. 5 50%的石墨烯 片及固含量為5 30%的聚酰胺酸溶解于N，N- 二甲基乙酰胺、N，N- 二甲基甲酰胺、N-甲 基吡咯烷酮或甲醇與四氫呋喃的混合液并超聲分散后獲得。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是， 所述的加熱亞胺化的具體操作是指在60 150°C加熱1 24小時(shí)除去溶劑后，再置于 180 300°C真空環(huán)境下加熱2 24小時(shí)，形成聚酰亞胺前驅(qū)體。
全文摘要
一種復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜及其制備方法，復(fù)合薄膜前驅(qū)體組分及其質(zhì)量百分比為0.1％～50％的石墨烯片、99.9％～50％的聚酰亞胺基材。制備方法為通過在溫度低于2500℃將聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜經(jīng)碳化處理，得到基于玻璃碳和石墨烯的復(fù)合薄膜。本發(fā)明制備得到的復(fù)合薄膜撓曲強(qiáng)度可達(dá)到600MPa以上。
文檔編號C01B31/02GK101880039SQ20101020741
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者張亞非, 王艷艷, 胡南滔, 高潤綱, 魏浩 申請人:上海交通大學(xué)