CN110467149A - 一种碳基功能器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可精确控制微观结构、形状、尺度的超精细纳微米阵列碳基材料功能性器件及其加工方法。该碳基功能器件具有纳微米级尺度的精细结构，是通过碳基材料有序排列而成。该碳基功能器件的制备方法为：利用高精度的3D打印技术，打印具有纳微米精度的树脂基器件结构，利用热处理碳化工艺，将树脂基器件碳化为碳基功能器件。

Description

一种碳基功能器件及其制备方法

技术领域

本发明属于3D打印、碳材料、表面改性、工程材料或功能器件加工等多领域融合技术，具体涉及一种超精细纳微米阵列碳基工程材料或功能器件的宏观、微观结构、组成、性能及其加工方法。

背景技术

轻质、高强结构，同时具有隔音、隔热、除污、导电等功能工程构件或多功能复合器件，一直是现代国民经济各行各业中、所必需使用工具、器物所追求的目标。金刚石、石墨、纳米碳管、富勒烯、石墨烯，碳的形态多种多样，每一个碳的形态的发现、不同形态碳的新的制备方法的发明，均会引发科研、技术领域的巨大进步；在单质碳基础上、进行掺杂或者微观表面改性，形成碳基材料，其特性、结构更加多种多样，性能丰富多彩，必将引领新时代的到来。

碳纤维、石墨纤维、纳米碳管、包括金刚石膜或粉体等，用于最高的硬度、比重轻、导热好等性能，已经是当前高端复合材料的关键组成。但是，现有技术中尚未实现在微观尺度以及纳微米精度级别的结构设计与器件构造。

3D打印技术越来越得到重视，利用3D打印可以实现纳微米精度的器件构造。但是，精密超精细结构3D打印技术目前实现的材料为感光胶，没有碳基材料产品。

发明内容

本发明旨在提供一种复合功能的纳微米阵列碳基材料组成的结构或功能器件，及其设计、加工、制造方法。

其特征在于：碳基材料基本单元为纳微米尺度的棒状、片状；再通过平行、斜交、多重交叉等有序排列方式，形成间隔尺寸为毫微米级的有序阵列；将上述毫微米级的有序阵列通过组合的方式，形成具有几何结构碳基功能器件。所述碳基功能器件具有隔音、隔热、除污、导电、吸附、储能等功能。

优选的，所述碳基功能器件a、其外形特征为，棒材、板材、或者其它复杂结构的制品，如汽车、飞行器、发动机、显示器、储能装置、发电装置、电动机等，原则上，可以是任何形式的制品。b、其性能为，在满足器件的工程结构或功能特性所需性能基础上，还具有密度超低、强度超高、隔音隔热、吸能储能、卓越的物质或电荷吸附、传导等附加组合性能；组合性能可精确设计、制造。c、其基本单元为，纳微米棒、纳微米片，所谓纳微米棒是指，棒的直径为纳微米级，而长度为微米、亚毫米、甚至厘米级；所谓纳微米片是指，片的厚度为纳微米级，而片的面积为微米、毫米、厘米甚至更大数量级。d、基本单元组合形成有序列阵时，基本单元之间的连接、间隙、分布可以精确控制。e、有序列阵组合成功能器件的几何结构时，可以是多种不同有序列阵非重复式的组合方式；也可以是单一或多个有序列阵通过重复、有序的排列，形成类似晶格结构的组合方式；还可以根据性能要求进行任何几何结构设计并加工实现。f、其中所述的碳基材料，可以是石墨、金刚石、石墨烯、纳米碳管、富勒烯等单一相态的碳材料，也可以是类金刚石、碳纤维、石墨纤维、纳微米碳片等多种碳相态混合形成的碳材料；碳基材料，可以是均匀微观组织的材料，也可以是多层组织材料，比如，内层为碳纤维、外层为类金刚石或其它组织、组分的薄膜。

实现该纳微米阵列碳基材料工程构件或功能器件的制备方法为，首先，采用3D打印技术获得由树脂基的纳微米阵列组成的，具有几何结构的器件结构；其次，采用树脂碳化技术，使得树脂基器件碳化为碳基功能料器件；具体为：a、其中所述的3D打印技术，可以是纳微米打印精度的光固化3D打印技术、或者热固化3D打印技术；相应的3D打印所采用的树脂，或者为光固化树脂、或者为热固化树脂。b、其中所述的树脂碳化方法，是将树脂器件置于树脂碳化的温度、压强、气氛环境下，经过一定的时间后，树脂中的O、H等原子以气体形式挥发去除，只留下树脂中的碳骨架，树脂的构型特性没有任何改变。最后，为了改善碳基功能器件的性能，还可以进一步采用3D镀膜技术对碳基功能器件进行表面改性处理。其中所述的3D镀膜技术，是将树脂器件结构经碳化后得到的碳材料器件，置于适宜的温度、压强和反应气氛下，通过热分解沉积，或者CVD方法，或者等离子体增强反应沉积的方法，在碳基功能器件的内外表面，沉积改性层。所述沉积改性层，是碳基薄膜。

所有采用本专利所论述的碳基功能器件、或者基于该器件制备方法得到的相关装备、***、应用，均为本专利的专利权属。

有益效果

纳微米阵列碳基材料为基础形成的工程结构件或者功能器件，一方面保持甚至超越有常规碳纤维或石墨纤维类的高强度特性，同时由于具有高比例的空隙，从而具有超轻高强特性，在汽车、飞机、火车、轮船等诸多领域将发挥不可替代、独一无二的作用；另一方面，尤其是纳微米阵列碳基材料在组成宏观构件或器件时，具有从微观到宏观的结构可设计性，将有望设计制造得到全新的、远远超越现有技术特性的、无法想象的工具、制品。

附图说明

图1是本发明公开的碳基功能器件制品示意图。所述碳基功能器件是方型框架，组成框架的材料，是由碳基材料基本单元，即纳微米尺度的碳基材料棒或片，以毫微米间隙有序连接、交叉形成的碳基毫微米级的有序阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

选择能够实现纳微米精度制备的3D打印技术，选择相应的光固化树脂或热固化树脂作为原材料，依据功能器件性能需求，设计碳基材料基本单元、纳微米尺度有序列阵构型，及其组合方式。

将设计得到的构件图，通过商业3D打印软件处理，得到3D打印切片；打印软件使得3D打印设备工作，得到纳微米精度精确控制的树脂基纳微米基本单元、树脂材料毫微米有序阵列，及其组成的器件结构。

将3D打印得到的树脂材料材质的器件结构，利用专业炭化炉进行碳化处理，通过碳化。在本发明公开的一个或多个实施例中，可将上述树脂材料材质的器件结构，加热至大约550摄氏度至大约2450摄氏度进行碳化。通过碳化，树脂组分在高温下分解，并且被分解成不同的气体和碳。碳保留在碳化部件的位置上，而O、H等非碳元素被去除。根据现有的碳化工艺，可获得碳基功能器件。

所述碳基功能器件，其碳基材料基本单元为纳微米尺度的棒状、片状；其具有再通过平行、斜交、多重交叉等有序排列方式，形成间隔尺寸为毫微米级有序阵列的精细结构；还具有隔音、隔热、除污、导电、吸附、储能等功能。

以上即得到碳基功能器件。还可以继续一下处理。将以上得到的纳微米阵列碳基功能器件，采用专业3D镀膜机进行全方位表面镀膜改性处理，所谓全方位表面镀膜，指不仅是构件的宏观表面得到镀膜处理，而是构件的微观内部表面也得到均匀表面镀膜处理。如此得到经过表面镀膜改性处理的碳基材料工程构件或功能器件。

实施例一：

设计的碳基功能器件结构特征为：外形为外沿长、宽尺寸为10mm的方形框，边框梁的尺寸为2mm、厚度2mm；即，利用长、宽、厚为2mm的碳基毫微米阵列组成外形尺寸为10X10mm的方形框。

组成边框梁的碳基毫微米阵列特征为：由边长为10微米的长条实心碳基材料基本单元，组成50X50X50微米立方体结构的碳基毫微米有序列阵，立方体的对角线，同样有边长10微米的实心树脂；立方体结构的碳基毫微米有序阵列循环排列，形成功能器件的边框梁及边框。

采用例如公开号为CN106938544A的中国专利申请所公开的3D打印光学***来打印纳微米结构的打印。该申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。以及专用的光敏树脂，打印得到光固化树脂组成的上述方形框器件结构及其毫微米有序阵列的精细结构。

将上述树脂材料材质的方形框器件结构，加热至大约550摄氏度至大约2450摄氏度进行碳化。通过碳化，树脂组分在高温下分解，并且被分解成不同的气体和碳。碳保留在碳化部件的位置上，而O、H等非碳元素被去除。根据现有的碳化工艺，基可获得满足设计需求的碳基功能器件，并包含符合设计的毫微米有序阵列、纳微米碳基基本单元等精细结构。

在本发明公开的其它实施例中，还可以选择以热固化树脂作为原材料，使用能够实现纳微米精度制备的3D打印技术。

在本发明公开的多个实施例中，设计的碳基功能器件，其纳微米碳基基本单元还可以是其它形态和尺寸的纳微米棒、纳微米片。所述纳微米棒是指，棒的直径为纳微米级，而长度为微米、亚毫米、甚至厘米级；所谓纳微米片是指，片的厚度为纳微米级，而片的面积为微米、毫米、厘米甚至更大数量级。

在本发明公开的多个实施例中，设计的碳基功能器件，其碳基纳微米基本单元组合形成有毫微米序列阵时，可通过平行、斜交、多重交叉等有序的排列方式，基本单元之间的连接、间隙、分布可以精确控制。

在本发明公开的多个实施例中，设计的碳基功能器件，有序列阵组合成功能器件的几何结构时，可以是多种不同有序列阵非重复式的组合方式；也可以是单一或多个有序列阵通过重复、有序的排列，形成类似晶格结构的组合方式；还可以根据性能要求进行任何几何结构设计。

在本发明公开的多个实施例中，经碳化过程所形成的碳基材料，可以是石墨、金刚石、石墨烯、纳米碳管、富勒烯等单一相态的碳材料，也可以是类金刚石、碳纤维、石墨纤维、纳微米碳片等多种碳相态混合形成的碳材料。

在本发明公开的多个实施例中，得到碳基功能器件。还可以继续一下步处理。将以上得到的纳微米阵列碳基构件，采用专业3D镀膜机进行全方位表面镀膜改性处理，所谓全方位表面镀膜，指不仅是构件的宏观表面得到镀膜处理，而是构件的微观内部表面也得到均匀表面镀膜处理。如此得到经过表面镀膜改性处理的碳基材料工程构件或功能器件。例如，碳基功能器件在镀膜过程中，可以经历一个或多个周期的CVD以填充在碳化过程期间由于气体散出所产生的气孔、缝隙等器件缺陷。例如，镀膜过程可以经历一个或多个周期的的CVD直到材料显示密实的密度。例如在大约1.6g/cc和大约1.9g/cc之间。

在本发明公开的多个实施例中，碳化后得到的碳基功能器件在压力罐中在惰性气体的覆盖下，诸如100托以下的压力被加热。当碳基纳微米阵列达到约900摄氏度和约1200摄氏度之间的温度时，惰性气体被含碳气体代替，含碳气体诸如是天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙烯或乙炔，或这些气体中至少两种的组合。当含碳气体在碳化的预制件周围流动并流动穿过碳基纳微米阵列时，发生脱氢、冷凝和聚合反应的复杂碳基纳微米阵列内表面和外表面上。随着时间的推移，由于越来越多的碳原子进行沉积并形成相应的碳单质形态或碳单质的混合形态，从而在碳基功能材料内外表面等到沉积的碳基薄膜。

以上所述，仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明的技术方案做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例做任何简单修改，形式变化和修饰，均落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种碳基功能器件的制备方法，其特征在于使用有机树脂，利用纳微米级精度的3D打印***，打印纳微米尺寸的基本单元；进而打印由基本单元通过平行、或斜交、或多重交叉的方式组成毫微米级的有序阵列；再打印由毫微米级有序阵列组成的器件结构。随后打印出的树脂材料器件结构，通过碳化过程去除氧、氢原子，获得具有纳微米碳基基本单元和毫微米碳基有序阵列精细结构的碳基功能器件。

2.一种如权利要求1所述的碳基功能器件的制备方法，其特征在于，在打印由基本单元组成毫微米级的有序阵列时，所述基本单元之间的连接、间隙、分布可以精确控制。

3.一种如权利要求1所述的碳基功能器件的制备方法，其特征在于，在打印由毫微米级有序阵列组成的器件结构时，所述毫微米级有序阵列是单一类型或多个类型的有序列阵，相互之间通过重复、有序的方式排列，或者是非重复式的排列方式。

4.一种如权利要求1所述的碳基功能器件的制备方法，其特征在于，所述的纳微米碳基基本单元是直径为纳微米级，长度为微米、亚毫米、厘米级的纳米棒，或者是片的厚度为纳微米级，而片的面积为微米、毫米、厘米级的纳微米片。

5.一种如权利要求1所述的碳基功能器件的制备方法，其特征在于，所述有机树脂选自光固化树脂或热固化树脂。

6.一种如权利要求1-5所述的碳基功能器件的制备方法，其特征在于，所述碳化过程是将有机树脂碳化为碳基材料，其中碳基材料是选自石墨、金刚石、石墨烯、纳米碳管、富勒烯的单一相态的碳材料；或者是选自金刚石、碳纤维、石墨纤维、纳微米碳片至少两种碳相态混合形成的碳材料。

7.一种如权利要求1所述的碳基功能器件的制备方法，其特征在于，还进一步包括在碳基功能器件内外表面沉积碳基薄膜。

8.一种如权利要求1所述方法制备的碳基功能器件，其特征在于，所述碳基功能器件是由有机树脂碳化制备而成，且由毫微米碳基有序阵列组成。所述毫微米级碳基有序阵列是通过纳微米碳基基本单元通过平行、或斜交、或多重交叉的方式组成。

9.一种如权利要求8所述的碳基功能器件，其特征在于，所述毫微米级碳基有序阵列，其所包含的纳微米碳基基本单元之间，具有精确控制的连接、间隙、分布。

10.一种如权利要求8所述的碳基功能器件，其特征在于，所述组成碳基功能器件的毫微米碳基有序阵列，是单一类型或多个类型的有序列阵，相互之间通过重复、有序的方式排列，或者是非重复式的排列方式。

11.一种如权利要求8所述的碳基功能器件，其特征在于，所述的纳微米碳基基本单元是直径为纳微米级，长度为微米、亚毫米、厘米级的纳米棒，或者是片的厚度为纳微米级，而片的面积为微米、毫米、厘米级的纳微米片。

12.一种如权利要求8所述的碳基功能器件，其特征在于，所述有机树脂选自光固化树脂或热固化树脂。

13.一种如权利要求8-12所述的碳基功能器件，其特征在于，所述碳基功能器件，其碳基材料是选自石墨、金刚石、石墨烯、纳米碳管、富勒烯的单一相态的碳材料；或者是选自金刚石、碳纤维、石墨纤维、纳微米碳片至少两种碳相态混合形成的碳材料。

14.一种如权利要求8所述的碳基功能器件，其特征在于，还进一步包括在功能器件内外表面沉积有碳基薄膜。