[发明专利]一种宏观复合材料中微纳尺度波浪结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种宏观复合材料中微纳尺度波浪结构及其制备方法，属于功能性复合材料技术领域。将二维纳米材料分散液自组装形成薄膜、凝胶等宏观结构，利用热化学反应生成碳氮化合物并调控二维复合材料状态，形成微纳尺度波浪结构。本发明具有制备工艺简单，复合材料的尺寸和形状易于调控，材料的力学弹性、电子结构或表面状态可调节等特点，为组装成的宏观材料在柔性导体、微机械电子及柔性储能器件、催化载体等领域的研究和应用奠定了基础。

技术领域：

本发明涉及功能性复合材料技术领域，具体涉及一种宏观复合材料中微纳尺度波浪结构及其制备方法，适用于力学性能改变、电子价态调节、表面化学态修饰等二维材料构成的复合结构的制备。

背景技术：

波浪结构作为一种典型的具有极大变形的形貌结构，特别是二维纳米材料在亚微米尺度形成的波浪结构，可改变材料的柔韧性、电子结构、表面化学状态等，因而受到了广泛的关注。目前，制备微纳尺度的波浪结构，有基底预应变法、定向变形法、快速淬冷法等方法，得到的波浪结构通常具有单取向性或者无法集成在宏观材料中，同时存在制备过程繁琐、调控复杂等弊端。

作为一种新型的纳米材料，二维材料在力学、电学、光学、光电子等领域展现了诸多新奇且优良的性能，在电化学储能、吸附催化、电磁屏蔽、消噪、生物传感等领域展示了广阔的应用前景。典型的二维纳米材料，如石墨烯、氮化硼纳米片、过渡金属氧化物纳米片、MXene、过渡金属硫化物纳米片等，具有优良的柔性、独特的表面结构、可调的电子价态等。在实际应用中，二维纳米材料片层间固有的范德华吸引力使得组装成的复合材料可控性降低、力学性能急剧下降，因而何利用简单的、易于放大的制备过程组装出高质量、多功能的波浪结构复合材料仍然存在挑战。

发明内容：

为了解决目前微纳尺度波浪结构制备过程复杂、存在取向性、无法集成等问题，本发明的目的在于提供一种宏观复合材料中微纳尺度波浪结构及其制备方法，该方法简单高效，能够在二维材料组装成的宏观材料中原位生成微纳尺度波浪结构，为二维材料组装获得的宏观材料在实际应用中存在弹性差、易破坏、难以调控等缺点提供一种解决方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种宏观复合材料中微纳尺度波浪结构的制备方法，该方法首先将包含二维纳米材料和氰胺类物质的前驱体复合溶液自组装形成纤维、薄膜或凝胶状宏观结构，然后利用热化学反应生成片层状碳氮化合物，同时利用片层间范德华作用力调控复合结构(二维纳米材料和碳氮化合物复合而成)的形态，从而得到具有微纳尺度波浪结构的宏观复合材料。该方法包括如下步骤：

(1)前驱体复合溶液的配置：将二维纳米材料分散至水中，超声后获得均匀的二维纳米材料分散液；将氰胺类物质的饱和水溶液逐渐加入二维纳米材料分散液中，并混合均匀，获得含有二维纳米材料和氰胺类物质的前驱体复合溶液；

(2)液相自组装形成宏观结构：在容器中注入步骤(1)制备的前驱体复合溶液，先进行体相预冷，溶液中的水转变为冰形成自模板，然后进行冷冻干燥，得到包含二维纳米材料并负载氰胺类物质的纤维、薄膜或凝胶状宏观结构；

(3)微纳尺度波浪结构的原位生成：将步骤(2)所得的纤维、薄膜或凝胶状宏观结构进行500-600℃条件下的低温热处理，氰胺类物质热解缩聚生成片层状碳氮化合物，同时在二维纳米材料和均匀分散的层状碳氮化合物之间存在的范德华吸引力的作用下(引起非均匀分布的化学和热压缩应力)，原位生成具有局域有序整体均匀分布的微纳尺度波浪结构，从而得到具有微纳尺度波浪结构的宏观复合材料。

上述步骤(1)中，所述二维纳米材料为氧化石墨烯纳米片、氮化硼纳米片、过渡金属氧化物纳米片、MXene纳米片或过渡金属硫化物纳米片等；所述氧化石墨烯纳米片的层数为1-10层；所述氰胺类物质为二氰二胺、三聚氰胺或尿素。

上述步骤(1)中，所述二维纳米材料分散液为中性，浓度为2-20mg/ml，超声分散时间为10-120分钟。