CN106145944A - 一种高导电、导热和高强度碳材料薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高导电、导热和高强度碳材料薄膜及其制备方法，先将功能化碳材料粉末和分散剂一起加入到溶剂中进行搅拌混合；再加入粘结剂、塑化剂，混合得到均匀稳定的浆料；形成坯膜；将坯膜放入溶剂中进行反应；蒸发溶剂；升温至1000-3000℃烧结1-10h，制得碳材料薄膜。本发明将碳材料表面进行功能化修饰处理后再经流延和烧结工艺后，使碳材料片层之间的活性基团相互反应而形成化学键，并最终形成碳网稳定结构，真正的将碳材料片层之间连接起来。从而大大提高了碳材料薄膜的机械强度和导电、导热性能。

Description

一种高导电、导热和高强度碳材料薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及石墨技术领域，具体涉及一种高导电、导热和高强度碳材料薄膜及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展，人们对材料的要求越来越高，这使得材料领域的发展也日新月异，新型碳材料作为新材料的新秀具有传统材料所不能比拟的优良性能，如密度小、强度大、刚度好、耐高温、抗化学腐蚀、抗疲劳、高导电、高导热、热膨胀小、生理相容性好等性能，既可使它成为世界上最硬的金刚石，也可成为世界上最软的石墨，是军民两用的新材料，更被誉为第四大工业材料。

碳元素在地球上分布广泛，其独特的物理性质和多种多样的形态已逐渐被人类发现、认识并利用，于1924年确定了石墨和金刚石的结构、1985年发现了富勒烯、1991年发现了碳纳米管。2004年，曼彻斯特大学Geim等通过机械剥离法成功制备的石墨烯是继碳纳米管被发现后碳家族中又一纳米级功能性材料，它的发现使碳材料领域更为充实，形成了从零维、一维、二维到三维的富勒烯、碳纳米管、石墨烯以及金刚石和石墨的完整系统。由于纳米级的碳材料具有优异的光学、电学、热学和力学性能，其在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。但是,纳米碳材料基复合材料，如石墨烯基光电器件等，需要一定的支撑结构，小尺寸的纳米碳材料片层不能满足这一要求，所以大尺寸的碳材料烯薄膜的制备成为了碳材料由实验室的基础研究走向实际应用的必然途径。

以石墨烯薄膜的制备为例，目前制备石墨烯薄膜的方法有多种，如旋转涂覆法和化学气相沉积法等。其中旋转涂覆法是指将准备好的石墨烯分散液滴到基底上，调节基底的转速，使液体在基底上均匀铺展，干燥后得到薄膜；化学气相沉积法是将单晶或多晶金属薄片或膜置于碳氢化合物气体中，加热催化碳氢化合物裂解，在基底表面沉积形成石墨烯膜。上述方法所用的石墨烯片层之间都是彼此独立的，虽然分子之间有作用力，如范德华力等，但是这种非化学键构成的作用力比较弱，很容易被破坏，由此制备的薄膜的强度较低。另外，由于石墨烯片层之间并没有真正的连接起来，导致薄膜的导电和导热性能也不会很好。与石墨烯薄膜的制备类似，其他碳材料薄膜的制备也存在机械强度、导电和导热性能无法同时优越的问题。如何制备出机械强度高、导电和导热性能也优异的碳材料薄膜，依然是一个有待解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的就是提供一种碳材料薄膜的制备方法，先将碳材料进行功能化处理，然后通过流延和烧结工艺，使碳材料片层之间的活性基团反应，形成化学键，并最终形成碳网稳定结构，真正的将碳材料片层之间连接起来。因此本发明制备的碳材料薄膜的机械强度高，导电和导热性能优异。

除非另外定义，本文所使用的所有科技术语具有如本发明所属领域中的普通技术人员所共知的相同含义。在矛盾的情况下，以包括定义的本说明书为准。

本发明描述了合适的方法和材料，但类似于或相当于本发明所述方法和材料可用于实施或检验本发明。本发明中，所述的份数都为质量份数。

本发明中碳材料薄膜为本领域所公知的含义，包括但不局限于以下物质的一种或多种：碳黑、石墨、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、纳米碳球、金刚石、碳纳米纤维及氧化碳材料。

本发明的技术方案如下：

一种高导电、导热和高强度碳材料薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将功能化碳材料粉末和分散剂一起加入到水或有机溶剂中进行搅拌混合，得到功能化碳材料分散液；

（2）在功能化碳材料分散液中加入粘结剂、塑化剂，混合得到均匀稳定的浆料；

（3）成型，将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜；

（4）将坯膜浸入溶剂中升温至20-240℃进行反应3-12小时；

（5）将反应后的坯膜置于烘干室中蒸发溶剂；

（6）在保护气氛下，升温至1000-3000℃烧结1-10h, 得到碳材料薄膜。

进一步方案，所述的功能化碳材料粉末选自将碳材料粉末经羟基化、环氧基化、巯基化、羧基化或氨基化而成的碳材料化合物中的两种。

更进一步方案，所述的碳材料为纯碳材料和氧化碳材料中的至少一种；所述的功能化碳材料粉末的平均粒径为0.001-50μm。

所述纯碳材料包括碳黑、石墨、碳纳米管、富勒烯、石墨烯或金刚石；所述氧化碳材料包括氧化炭黑、氧化石墨、氧化碳纳米管、氧化富勒烯、氧化石墨烯或氧化金刚石。

所述的步骤（1）中的水或有机溶剂的加入量为功能化碳材料粉末质量的20-60倍；所述的有机溶剂为乙醇、甲乙酮、三氯乙烯中的至少一种；

所述的分散剂为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、磷酸酯、三油酸甘油酯或鲱鱼油中的至少一种，其加入量为功能化碳材料粉末质量的0-5%；

所述搅拌混合是将功能化碳材料粉末、分散剂和溶剂一起加入球磨罐中进行球磨为1-5小时后，再进行超声搅拌0.2-1小时。

所述的步骤（2）中的粘结剂为羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、苯丙乳胶液、丙烯酸乳剂、聚醋酸乙烯酯或聚丙烯酸甲酯中的至少一种，其加入量为功能化碳材料粉末质量的0.5-20%；

所述的塑化剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、二乙基草酸酯或甘油中的至少一种，其加入量为功能化碳材料粉末质量的0.1-10%；

所述功能化碳材料分散液、粘结剂和塑化剂的混合是指在超声条件下混合0.2-2小时。

所述的步骤（4）中的溶剂选自二氯甲烷（DCM）、氮氮二甲基甲酰胺（DMF）、乙腈（MeCN）、二甲基亚砜（DMSO）、N,N,-二异丙基乙胺（DIEA）、二环己基碳二亚胺（DCC）、四氢呋喃（THF）、甲醇、乙醇或碳酸钠中与功能化碳材料表面所含基团的反应类型相对应的一种。

所述的步骤（4）中还加入了催化剂或缩合剂，所述的催化剂为硫酸、对甲苯磺酸、氟硼酸、叔胺、季铵盐、三苯基膦、4-二甲氨基吡啶（DMAP）中的一种，其加入量为功能化碳材料粉末质量的0.1-5%；

所述的缩合剂为2-（7-偶氮苯并三氮唑）-N,N,N’,N’,-四甲基脲六氟磷酸酯（HATU）、二环己基碳二亚胺（DCC）、N,N-二异丙基碳二亚胺（DIC）中的一种，其加入量为功能化碳材料粉末质量的0.1-10%。

上述催化剂或缩合剂的选取应依据碳材料的功能化基团反应的类型来决定。

所述的步骤（5）中烘干室的温度为三段烘干，其中一段烘干温度为30-50℃、时间为30-180分钟；二段烘干温度为50-80℃、时间为30-180分钟；三段烘干温度为80-100℃、时间为30-180分钟。

所述的步骤（3）-（6）中的一步或多步中，添加强度为0.01-2000kv/m的电场，使针状碳材料薄膜内部在轴向方向进行取向或者使片状碳材料薄膜卷曲部分在二维空间内舒展。

所述步骤（6）中的保护气氛为氢气、氩气、甲烷、氮气或真空气体状态中的至少一种。

本发明的另一个发明目的是提供一种通过上述制备方法制备的高导电、导热和高强度碳材料薄膜，所述碳材料薄膜的孔隙率为0.01-1%、厚度为1μm-100μm，电导率为80000-100000s/m、热导率为7000-9000w/mk，弹性模量为13-35GPa，拉伸强度为550-1600MPa，断裂伸长率为50-150%。

本发明中的功能化碳材料粉末是将碳材料粉末经羟基化、环氧基化、巯基化、羧基化或氨基化而成的化合物，即使功能化碳材料表面含有羟基、羧基、羰基、醌基、内酯基、氨基和环氧基等活性基团。

羟基化、环氧基化、巯基化、羧基化和氨基化是常用的功能化改性方法，其中羟基化是指向有机化合物分子中引入羟基的化学反应；环氧基化就是将原化合物基团通过化学方法与环氧基连接；巯基化、羧基化或氨基化均是在碳材料的表面基团上连接上巯基、羧基或氨基。功能化碳材料的制备过程为现有技术，可制备或直接购买已经商业化的产品。其具体制备方法可参见以下文献：

1、Xu Z, Gao C. Macromolecules, 2010, 43, 6716–6723.

2 、M.Fang, et al. J. Mater.Chem. ,2010, 20, 9635–9643.

3、J.L.Yan, et al.New Carbon Materials,2012,27(5):370-375.

4、王正玮，等.羧基化氧化石墨烯的制备及其电化学性能[J].云南民族大学学报（自然科学版）.2013(2):86-90.

5、徐宇曦.功能化石墨烯的制备，组装及其应用[D].北京:清华大学,2011.

为了说明各功能化碳材料的制备方法，本发明仅列举一个功能化碳材料的制备过程，而不是为了限定其制备方法。具体如下：

1、羟基化碳材料的制备：将5g的氧化碳材料粉末分散在200ml的浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中，在室温下超声30分钟，形成均一的氧化碳材料溶液；然后将氧化碳材料溶液转移到250ml的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，加热到180℃，反应2小时后冷却至室温；再用甲醇和去离子水冲洗混合溶液至PH值为7,最后在50℃下真空干燥，得羟基化碳材料粉末。

2、环氧基化碳材料粉末的制备：将140ml的浓硫酸加入到200ml的三口烧瓶中水浴，然后加入6g的碳材料粉末和3g的硝酸钠，并在35℃下超声20分钟；然后加入20g的高锰酸钾，再超声30分钟；冷却至室温后再加入800ml蒸馏水和6ml 30%的双氧水，经抽滤、离心和干燥后得到氧化碳材料粉末。

3、羧基化碳材料粉末的制备：将200mg氧化碳材料粉末分散于200ml的水中，超声分散成均匀的黄色透明胶体溶液；然后加入12g的氢氧化钠和10g的一氯乙酸，超声3小时，使氧化碳材料上的羟基和环氧基转化为羧基；将溶液过滤，除去杂质离子，并蒸发掉多余的水分；再在65℃下真空干燥，得到羧基化碳材料粉末。

4、氨基化碳材料的制备：将5mg的羧基化碳材料和30ml的蒸馏水放入烧杯中，然后加入10ml的硅烷偶联剂KH550，在75℃恒温水浴中反应6小时；离心10分钟（转速为12000转/分钟），倒掉上层的清液，加入四氢呋喃再离心10分钟（12000转/分钟），倒掉上层的清液；收集氨基化的碳材料稠液，经冷冻干燥后得氨基化的碳材料粉末。

5、巯基化碳材料的制备：将5g的氧化碳材料粉末加入到300ml的水中，超声20分钟，形成均一溶液；然后将80g的硫氢酸纳缓慢的加入到溶液中，在40℃下超声1小时，再升温到55℃进行搅拌20小时，将巯基修饰在氧化碳材料的表面；产物经离心，并用蒸馏水清洗，后50℃下真空干燥，得巯基化碳材料粉末。

由于碳材料结构稳定，表面低极性，加上相互之间存在较强的范德华作用力，使其不能在溶剂中稳定和均匀的分散，容易层叠而难以打开。而本发明使碳材料经羟基化、环氧基化、巯基化、羧基化或氨基化处理而成功能化碳材料，即碳材料的表面含有羟基、羧基、羰基、醌基、内酯基、氨基和环氧基等活性基团，这些活性基团可以阻碍片层的团聚，大大提高碳材料在溶剂中的分散程度和均匀性，并进而提高碳材料薄膜的强度和导电、导热能力；同时，由于活性基团的存在也为片层之间化学反应的进行提供可能。

本发明将功能化碳材料分散液和粘结剂、塑化剂形成的浆料经过流延成型处理后，再对其坯膜进一步加入电场处理的目的是为了便于碳材料表面活性基团之间的化学反应，在电场的辅助作用下，碳材料薄膜充分展开，有利于片层间横向分子间化学键的形成。

在保护气氛下，对坯膜进行高温烧结，从而有利于环化、氧化还原、脱氢、交联或缩聚等化学反应的进一步进行，并脱险掉其他小分子及未反应基团，烧结后得到一种分子间形成稳定化学键的薄膜产品。

本发明先将功能化碳材料粉末和分散剂一起加入到水或有机溶剂中进行搅拌混合，得到功能化碳材料分散液，其中水或溶剂的主要作用是用于溶解分散剂、粘结剂和塑化剂的，并为混合浆料提供合适的粘度；同时分散剂、粘结剂和塑化剂品种的选择要相应地根据溶剂的不同来选择水溶性或溶于有机溶剂的品种。

流延成型设备是用于造纸、塑料和涂料的挤出成型的设备，是现有设备。

所以本发明的有益效果有：

1、本发明采用功能化碳材料作为原料，利用其表面羟基、羧基、羰基、醌基、内酯基、氨基和环氧基等活性基团的存在，提高了碳材料在溶剂中分散的程度、稳定性和均匀性，进而有利于后续工艺形成强度更高、导电和导热性能更好的碳材料薄膜。

2、本发明利用碳材料表面活性基团之间的化学反应而产生化学键，由于化学键相当稳定，不易被破坏，可以牢固地将单个碳材料片与片之间横向的连接起来，较好地解决了碳材料片层之间由于结合较差（非化学键结合）而导致薄膜强度差、易破裂等缺点。

3、本发明通过烧结工艺，可以促进环化、还原、脱氢、交联和缩聚等化学反应的进一步完成，使得所形成的化学键转变为六元环稳定结构，同时脱除分散剂、粘结剂、塑化剂、小分子和未反应的活性基团，还原被氧化的碳材料，可以大大提高薄膜的导电、导热能力和机械强度。

4、本发明在成型过程中添加强度为0.01-2000kv/m的电场，使针状碳材料薄膜内部在轴向方向进行取向或者使片状碳材料薄膜卷曲部分在二维空间内舒展，从而有利于碳材料片层在横向之间形成化学键，使片与片之间横向连接而不是层与层之间的叠加，可以大幅提高最终碳材料薄膜产品尤其是石墨烯的导电、导热性能。施加的电场强度过低，碳材料无取向效果，卷曲部分没有变化；施加的电场强度过高，由于碳材料呈片状，很容易被击穿。

5、本发明的碳材料薄膜制备方法是经过了大量的研究与多次的实验后进行的突破，这种方法具有工艺简单、生产效率高、可连续操作、能够大规模制备高质量碳材料薄膜等特点。本发明中制备得到的薄膜，具有缺陷尺寸小、孔隙率低、性能优异，尤其是具有强度高、热导率高和导电等特点。可应用但不限定于高速晶体管、传感器、激光器、触摸面板、蓄电池、高效太阳能电池、有机发光二极管及有机光伏器件等多种领域。

6、由于孔隙率是影响碳材料薄膜强度、热导率、电导率的主要因素，而本发明采用独特的工艺制备出了较低孔隙率的碳材料薄膜，工艺较为简单、能够大规模制备高质量碳材料薄膜。碳材料薄膜的孔隙率为0.01-1%，厚度为1μm-100μm；碳材料的电导率为80000-100000s/m，热导率为7000-9000w/mk，弹性模量为13-35GPa，拉伸强度为550-1600MPa，断裂伸长率为50-150%。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

（1）将50份的羟基化石墨粉末和50份的羧基化石墨粉末、5份的聚甲基丙烯酸和2000份的水置于球磨罐中，球磨1小时，后经超声0.2小时，得到碳材料分散液；

（2）将0.5份羟乙基纤维素、0.1份的邻苯二甲酸二丁酯加入到碳材料分散液中，超声0.2小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型时，在基带附近施加一电场，电场强度为20kv/m；将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为30μm；

（4）将坯膜浸入二氯甲烷（DCM）中，并加入0.1份的2-（7-偶氮苯并三氮唑）-N，N，N’,N’,-四甲基脲六氟磷酸酯（HATU），在20℃反应12小时；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：30℃保温180min；50℃保温180min；80℃保温180min；

（6）在氮气保护气氛下，升温至1000℃，将坯膜烧结10h, 得烧结薄膜。

实施例2

（1）将50份的氨基化石墨烯粉末和50份的羧基化石墨烯粉末、1份的聚丙烯酸和3000份的乙醇置于球磨罐中，球磨2小时，后经超声1小时，得到碳材料分散液；

（2）将1份羟甲基纤维素、10份的邻苯二甲酸二辛酯加入到碳材料分散液中，超声2小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型，将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为1μm；

（4）将坯膜浸入甲醇中，并加入5份的4-二甲氨基吡啶（DMAP），在30℃反应4小时；并同时在混合溶液中施加一电场，电场强度为1kv/m；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：40℃保温100min；60℃保温100min；90℃保温100min；

（6）在氩气保护气氛下，升温至2000℃，将坯膜烧结1h, 得烧结薄膜。

实施例3

（1）将50份的氨基化碳纳米管粉末和50份的环氧基化碳纳米管粉末、3份的磷酸酯和6000份的三氯乙烯置于球磨罐中，球磨5小时，后经超声0.5小时，得到碳材料分散液；

（2）将10份苯丙乳胶液、1份的二乙基草酸酯加入到碳材料分散液中，超声1小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型，将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为100μm；

（4）将坯膜浸入碳酸钠中，在50℃反应5小时；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：50℃保温30min；80℃保温30min；100℃保温30min；并同时在烘干室中施加一电场，电场强度为100kv/m；

（6）在氩气保护气氛下，升温至3000℃，将坯膜烧结5h, 得烧结薄膜。

实施例4

（1）将50份的巯基化炭黑粉末和50份的羧基化炭黑粉末、5份的三油酸甘油酯和4000份的甲乙酮置于球磨罐中，球磨3小时，后经超声1小时，得到碳材料分散液；

（2）将20份丙烯酸乳剂、5份的甘油加入到碳材料分散液中，超声1.5小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型，将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为50μm；

（4）将坯膜浸入四氢呋喃（THF）中，并加入1份的4-二甲氨基吡啶（DMAP），在25℃反应6小时；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：40℃保温70min；60℃保温70min；90℃保温70min；

（6）在氮气保护气氛下，升温至1500℃，将坯膜烧结3h, 并同时在坯膜附近施加一电场，电场强度为1000kv/m，得烧结薄膜。

实施例5

（1）将50份的羟基化富勒烯粉末和50份的羧基化富勒烯粉末、5份的聚甲基丙烯酸和5000份的水置于球磨罐中，球磨4小时，后经超声0.5小时，得到碳材料分散液；

（2）将15份聚醋酸乙烯酯、5份的邻苯二甲酸二丁酯加入到碳材料分散液中，超声0.5小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型时，在基带附近施加一电场，电场强度为2000kv/m；将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为60μm；

（4）将坯膜浸入乙腈（MeCN）中，并加入5份的N，N-二异丙基碳二亚胺（DIC），在240℃反应3小时；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：30℃保温180min；50℃保温180min；80℃保温180min；

（6）在氢气保护气氛下，升温至1000℃，将坯膜烧结10h, 得烧结薄膜。

实施例6

（1）将50份的氨基化金刚石粉末和50份的羧基化金刚石粉末、1份的聚丙烯酸和3000份的乙醇置于球磨罐中，球磨2小时，后经超声1小时，得到碳材料分散液；；

（2）将1份羟甲基纤维素、10份的邻苯二甲酸二辛酯加入到碳材料分散液中，超声2小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型时，在基带附近施加一电场，电场强度为10kv/m；将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为10μm；

（4）将坯膜浸入N,N,-二异丙基乙胺（DIEA）中，并加入5份的4-二甲氨基吡啶（DMAP），在30℃反应4小时；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：40℃保温120min；60℃保温120min；90℃保温120min；

（6）在氩气保护气氛下，升温至1600℃，将坯膜烧结5h, 得烧结薄膜。

实施例7

（1）将50份的氨基化氧化石墨粉末和50份的环氧基化氧化石墨粉末、3份的磷酸酯和6000份的三氯乙烯置于球磨罐中，球磨5小时，后经超声0.5小时，得到碳材料分散液；；

（2）将10份苯丙乳胶液、1份的二乙基草酸酯加入到碳材料分散液中，超声1小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型时，在基带附近施加一电场，电场强度为0.1kv/m；将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为100μm；

（4）将坯膜浸入碳酸钠中，并加入0.1份的叔胺，在1000℃反应5小时；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：50℃保温30min；80℃保温30min；100℃保温30min；

（6）在甲烷保护气氛下，升温至2500℃，将坯膜烧结5h, 得烧结薄膜。

实施例8

（1）将50份的巯基化氧化碳纳米管粉末和50份的羧基化氧化碳纳米管粉末、5份的三油酸甘油酯和4000份的甲乙酮置于球磨罐中，球磨3小时，后经超声1小时，得到碳材料分散液；；

（2）将20份丙烯酸乳剂、5份的甘油加入到碳材料分散液中，超声1.5小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型时，在基带附近施加一电场，电场强度为200kv/m；将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为90μm；

（4）将坯膜置于二氯甲烷中，并加入1份的4-二甲氨基吡啶（DMAP），在25℃反应6小时；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：40℃保温70min；60℃保温70min；90℃保温70min；

（6）在氮气保护气氛下，升温至1500℃，将坯膜烧结3h, 得烧结薄膜。

实施例9

（1）将50份的羟基化氧化石墨烯粉末和50份的羧基化氧化石墨烯粉末和4000份的水置于球磨罐中，球磨4小时，后经超声0.3小时，得到碳材料分散液；

（2）将2份聚丙烯酸甲酯、0.1份的邻苯二甲酸二丁酯加入到碳材料分散液中，超声0.2小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型时，在基带附近施加一电场，电场强度为0.01kv/m；将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为1μm；

（4）将坯膜浸入氮氮二甲基甲酰胺（DMF）中，并加入10份的二环己基碳二亚胺（DCC），在160℃反应5小时；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：30℃保温60min；50℃保温60min；80℃保温60min；

（6）在真空气氛下，升温至1500℃，将坯膜烧结10h, 得烧结薄膜。

实施例10

（1）将50份的氨基化氧化富勒烯粉末和50份的羧基化氧化富勒烯粉末、1份的聚丙烯酸和3000份的乙醇置于球磨罐中，球磨2小时，后经超声1小时，得到碳材料分散液；

（2）将1份羟甲基纤维素、10份的邻苯二甲酸二辛酯加入到碳材料分散液中，超声2小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型时，在基带附近施加一电场，电场强度为1kv/m；将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为1μm；

（4）将坯膜浸入乙醇中，并加入5份的4-二甲氨基吡啶（DMAP），在30℃反应4小时；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：40℃保温100min；60℃保温100min；90℃保温100min；

（6）在氩气保护气氛下，升温至1800℃，将坯膜烧结10h, 得烧结薄膜。

实施例11

（1）将50份的氨基化氧化金刚石粉末和50份的环氧基化氧化金刚石粉末、3份的磷酸酯和6000份的三氯乙烯置于球磨罐中，球磨5小时，后经超声0.5小时，得到碳材料分散液；

（2）将10份苯丙乳胶液、1份的二乙基草酸酯加入到碳材料分散液中，超声1小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型时，在基带附近施加一电场，电场强度为100kv/m；将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为100μm；

（4）将坯膜浸入乙醇中，并加入0.1份的硫酸，在40℃反应5小时；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：50℃保温30min；80℃保温30min；100℃保温30min；

（6）在氩气保护气氛下，升温至3000℃，将坯膜烧结5h, 得烧结薄膜。

实施例12

（1）将50份的巯基化氧化炭黑粉末和50份的羧基化氧化炭黑粉末、5份的鲱鱼油和4000份的甲乙酮置于球磨罐中，球磨3小时，后经超声1小时，得到碳材料分散液；

（2）将20份丙烯酸乳剂、5份的甘油加入到碳材料分散液中，超声1.5小时，得到均匀稳定的浆料；

（3）成型时，在基带附近施加一电场，电场强度为50kv/m；将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜并控制其厚度为5μm；

（4）将坯膜浸入四氢呋喃（THF）中，并加入1份的4-二甲氨基吡啶（DMAP），在25℃反应6小时；

（5）将经反应的坯膜置于烘干室，蒸发溶剂；烘干室温度分为三段：40℃保温70min；60℃保温70min；90℃保温70min；

（6）在氮气保护气氛下，升温至1500℃，将坯膜烧结1h, 得烧结薄膜。

对比例1（旋转涂覆法制备碳材料薄膜）

（1）将石英基片放入去离子水中超声20分钟；后将基片放入乙醇溶液中，超声20分钟，再将基片放入去离子水中超声20分钟；然后将基片烘干备用；

（2）将10份的单壁碳纳米管加入到50份的二氯化苯溶液中，并加入0.5份的聚乙烯醇，制成单壁碳纳米管分散液；

（3）将分散液与相同体积的聚甲基丙烯酸甲酯溶液进行共混，并在35℃下超声15分钟，得到均匀溶液；

（4）将均匀溶液进行稀释，稀释溶度为30%，并超声15分钟，得单壁碳纳米管的稀释溶液；

（5）以石英基片为基底，在匀胶机上进行涂覆，匀胶机的旋转速度为800r/min；然后将石英基片在恒温干燥台上烘干，其中烘干的温度为80℃，烘干的时间为5分钟，得单壁碳纳米管薄膜。

对比例2（化学气相沉积法制备碳材料薄膜）

（1）用稀氢氟酸浸泡硅片15分钟，然后依次将硅片浸入丙酮、乙醇和去离子水中，并分别超声10分钟进行清洗；后用氮气将硅片吹干，放入石英管的中部备用；

（2）打开真空泵，将石英管抽至5Pa左右的真空状态，然后通入比例为3:1的氩气和甲烷气体，其中甲烷气体的流量设置为5cm³/min；调节好通气阀门，使氩气和甲烷气体均能均匀地流入石英管中；

（3）将石英管内的气压（反应气压）设置为40Pa，温度（反应温度）升至950℃，反应时间为9分钟，后得石墨烯薄膜。

上述实施例1-12和对比例1-2制备的碳材料薄膜的孔隙率、电导率、热导率和机械强度分别按照各自检测标准检测，其测试结果如下表一所示。其中孔隙率测试的标准：GB/T 24586-2009、热导率测试标准：ASTM D5470、电导率测试方法：四探针法进行检测和机械强度测试标准测：GB/T13022-1991。

表一、性能

从表一可以看出，用本发明方法制备出的碳材料薄膜具有较低的孔隙率，其孔隙率仅为0.01-1%；而对比例制备的薄膜的孔隙率最高达到3.1%。另外，本发明制备的薄膜的电导率、热导率及模量相对于对比例均有不同程度的提高，从而进一步拓宽了碳材料薄膜的应用领域。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种高导电、导热和高强度碳材料薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将功能化碳材料粉末和分散剂一起加入到水或有机溶剂中进行搅拌混合，得到功能化碳材料分散液；

（2）在功能化碳材料分散液中加入粘结剂、塑化剂，混合得到均匀稳定的浆料；

（3）成型，将浆料从流延成型设备的料斗下部流至基带上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜；

（4）将坯膜浸入溶剂中升温至20-240℃进行反应3-12小时；

（5）将反应后的坯膜置于烘干室中蒸发溶剂；

（6）在保护气氛下，升温至1000-3000℃烧结1-10h, 得到碳材料薄膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的功能化碳材料粉末选自将碳材料粉末经羟基化、环氧基化、巯基化、羧基化或氨基化而成的碳材料化合物中两种。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的碳材料为纯碳材料和氧化碳材料中的至少一种；所述的功能化碳材料粉末的平均粒径为0.001-50μm。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述纯碳材料包括碳黑、石墨、碳纳米管、富勒烯、石墨烯或金刚石；所述氧化碳材料包括氧化炭黑、氧化石墨、氧化碳纳米管、氧化富勒烯、氧化石墨烯或氧化金刚石。

5.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于:所述的步骤（1）中的水或有机溶剂的加入量为功能化碳材料粉末质量的20-60倍；所述的有机溶剂为乙醇、甲乙酮、三氯乙烯中的至少一种；

所述的分散剂为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、磷酸酯、三油酸甘油酯或鲱鱼油中的至少一种，其加入量为功能化碳材料粉末质量的0-5%；

所述搅拌混合是将功能化碳材料粉末、分散剂和溶剂一起加入球磨罐中进行球磨为1-5小时后，再进行超声搅拌0.2-1小时。

6.根据权利要求1中所述的一种制备方法，其特征在于:所述的步骤（2）中的粘结剂为羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、苯丙乳胶液、丙烯酸乳剂、聚醋酸乙烯酯或聚丙烯酸甲酯中的至少一种，其加入量为功能化碳材料粉末质量的0.5-20%；

所述的塑化剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、二乙基草酸酯或甘油中的至少一种，其加入量为功能化碳材料粉末质量的0.1-10%；

所述功能化碳材料分散液、粘结剂和塑化剂的混合是指在超声条件下混合0.2-2小时。

7.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤（4）中的溶剂选自二氯甲烷（DCM）、氮氮二甲基甲酰胺（DMF）、乙腈（MeCN）、二甲基亚砜（DMSO）、N,N,-二异丙基乙胺（DIEA）、二环己基碳二亚胺（DCC）、四氢呋喃（THF）、甲醇、乙醇或碳酸钠中与功能化碳材料表面所含基团的反应类型相对应的一种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤（4）中还加入了催化剂或缩合剂，所述的催化剂为硫酸、对甲苯磺酸、氟硼酸、叔胺、季铵盐、三苯基膦、4-二甲氨基吡啶（DMAP）中的一种，其加入量为功能化碳材料粉末质量的0.1-5%；

所述的缩合剂为2-（7-偶氮苯并三氮唑）-N,N,N’,N’,-四甲基脲六氟磷酸酯（HATU）、二环己基碳二亚胺（DCC）、N,N-二异丙基碳二亚胺（DIC）中的一种，其加入量为功能化碳材料粉末质量的0.1-10%。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤（5）中烘干室的温度为三段烘干，其中一段烘干温度为30-50℃、时间为30-180分钟；二段烘干温度为50-80℃、时间为30-180分钟；三段烘干温度为80-100℃、时间为30-180分钟。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤（3）-（6）中的一步或多步中，添加强度为0.01-2000kv/m的电场，使针状碳材料薄膜内部在轴向方向进行取向或者使片状碳材料薄膜卷曲部分在二维空间内舒展。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中的保护气氛为氢气、氩气、甲烷、氮气或真空气体状态中的至少一种。

12.一种如权利要求1-11所述的制备方法制备的高导电、导热和高强度碳材料薄膜，其特征在于：所述碳材料薄膜的孔隙率为0.01-1%、厚度为1μm-100μm，电导率为80000-100000s/m、热导率为7000-9000w/mk，弹性模量为13-35GPa，拉伸强度为550-1600MPa，断裂伸长率为50-150%。