CN110433665B - 一种高强度耐高温纳米碳复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度耐高温纳米碳复合材料及其制备方法与应用。所述纳米碳复合材料主要由表面及内部分布有选定物质和/或选定物质的前驱体的二维或三维聚集结构经固化处理形成，所述二维或三维聚集结构主要由多个碳材料密集交织形成，所述选定物质包括金属或非金属单质、金属化合物或非金属化合物中的任意一种或多种的组合。所述制备方法包括：以碳材料聚集网络结构作为过滤体，对包含有选定物质和/或选定物质前驱体的液相体系进行过滤，或者，使碳材料聚集网络结构浸置于所述液相体系中，之后固化。本发明的纳米碳复合材料具有力学强度好、柔韧、高温可承载特性等优点；且制备工艺简单，原料易得，可重复度高，易于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米碳复合材料，特别是一种具有高力学强度和耐高温特性的纳米碳复合材料及其制备方法与应用，属于纳米微复合材料技术领域。
背景技术
纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料，是20世纪末出现的一种具有超高比表面积，兼具优异的力学和电学特性的新型材料，包含有碳纳米管和石墨烯、碳纳米纤维和富勒烯等。目前，纳米碳材料可通过多种方法制备成薄膜进一步应用，比如，将纳米碳材料分散到溶液中，抽滤到纸上形成薄膜，或者直接将其做成涂料，涂在某些基底上，而浮动催化化学气相沉积法工艺简单，制备成本低且生产效率高，是制备大量连续纳米碳薄膜材料的最有效方法。然而，这些纳米碳薄膜材料含有多个纳米碳结构单元，但并不连续，薄膜强度低，都不足以作为增强体应用。过去，业界研究人员通常采用高分子来增强纳米碳材料，但是高分子一般都是绝缘的，会大大降低纳米碳薄膜的导电性，并且高分子材料的氧化温度较低，高分子复合的纳米碳薄膜在高温作用下，力学增强效果会大大减弱。
目前，已有文献(L.W.Yang et al./Composites Part B 119(2017)10-17)报道，将浮动催化化学气相沉积法制备的碳纳米管薄膜放置于碳化硅陶瓷的前驱体溶液中先真空渗透4小时，随后在Ar气中1000℃保持0.5小时，最终可获得CNT/SiC的复合片材。通过多次的渗透热解循环提高CNT/SiC片材的质量分数，制备具有不同孔隙率的CNT/SiC片材。但是该方法的缺点是制备过程条件要求高，需要Ar气和高温过程，并且制备出的CNT/SiC复合膜是完全脆性的，不利于所制备的复合膜的广泛应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高强度耐高温纳米碳复合材料及其制备方法与应用，从而克服了现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种高强度耐高温纳米碳复合材料，它主要由表面及内部分布有选定物质和/或选定物质的前驱体的二维或三维聚集结构经固化处理形成，所述二维或三维聚集结构主要由多个碳材料密集交织形成，所述选定物质包括金属或非金属单质、金属化合物或非金属化合物中的任意一种或多种的组合。
进一步地，所述二维或三维聚集结构为薄膜形态的。
进一步地，所述二维或三维聚集结构中至少部分碳材料表面附着有所述选定物质。
进一步地，所述二维或三维聚集结构中于相邻碳材料之间的间隙内或相邻碳材料的搭接处分布有选定物质。
进一步地，所述选定物质的前驱体包括盐。
进一步地，所述非金属化合物包括二氧化硅、碳化硅和氮化硼中的任意一种或两种以上的组合。
进一步地，所述金属化合物包括二氧化钛、三氧化钨和四氧化三铁中的任意一种或两种以上的组合。
进一步地，所述碳材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维和富勒烯中的任意一种或两种以上的组合。
本发明实施例还提供了一种高强度耐高温纳米碳复合材料的制备方法，其包括：
以碳材料聚集网络结构作为过滤体，对包含有选定物质和/或选定物质前驱体的液相体系进行过滤，或者，使碳材料聚集网络结构浸置于包含有选定物质和/或选定物质前驱体的液相体系中；
对表面及内部均分布有所述选定物质和/或选定物质前驱体的碳材料聚集网络结构进行固化处理，获得所述高强度耐高温纳米碳复合材料。
进一步地，所述液相体系为所述选定物质的分散液；或者，所述液相体系为所述选定物质前驱体的溶液。
进一步地，所述选定物质的前驱体包括盐。
进一步地，所述非金属化合物包括二氧化硅、碳化硅和氮化硼中的任意一种或两种以上的组合。
进一步地，所述金属化合物包括二氧化钛、三氧化钨和四氧化三铁中的任意一种或两种以上的组合。
进一步地，所述选定物质与碳材料的质量比为0.3：1～3：1。
进一步地，所述的制备方法可以包括：
提供包含有金属离子溶液和溶剂的液相体系，之后生长金属氧化物颗粒；
以碳材料聚集网络结构作为过滤体，对所述液相体系进行过滤，或者将碳材料聚集网络结构浸置于所述液相体系中。
进一步地，所述固化处理的温度为120～500℃，时间为0.3～4h，优选为0.3～2h。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的高强度耐高温纳米碳复合材料。
进一步地，前述的高强度耐高温纳米碳复合材料的杨氏模量在3GPa以上，抗拉强度在150MPa以上，在700℃具有90％以上的质量残余。
本发明实施例还提供了前述的高强度耐高温纳米碳复合材料于制备高强度耐高温材料、光催化活性材料或具有屏蔽特性材料领域中的用途。
较之现有技术，本发明提供的纳米碳复合材料具有力学强度好、柔韧、高温可承载特性等优点，可以直接在高温环境中使用，如高温过滤气体等，可以广泛应用于制备高强度耐高温材料、光催化活性材料或具有屏蔽特性材料等；且本发明提供的纳米碳复合材料制备工艺简单，原料易得，设备简单易操作，可重复度高，通过真空抽滤或浸泡和低温固化等简单步骤，直接将碳纳米管薄膜的杨氏模量提高了两倍，力学性能提高了一倍多，绿色环保，易于规模化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施方案中一种高强度耐高温纳米碳复合材料的制备工艺流程图。
图2a和图2b分别是本发明实施例1中CNT(碳纳米管的简称)薄膜与CNT/SiO2复合膜的力学性能对比图。
图3是本发明实施例1中CNT(碳纳米管的简称)薄膜与CNT/SiO2复合膜在空气气氛下的热重曲线图。
图4a和图4b分别是本发明实施例1中CNT(碳纳米管的简称)薄膜与CNT/SiO2复合膜的SEM对比图。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的一个方面提供的一种高强度耐高温纳米碳复合材料，它主要由表面及内部分布有选定物质和/或选定物质的前驱体的二维或三维聚集结构经固化处理形成，所述二维或三维聚集结构主要由多个碳材料密集交织形成，所述选定物质包括金属或非金属单质、金属化合物或非金属化合物中的任意一种或多种的组合。
进一步地，所述二维或三维聚集结构为薄膜形态的。
进一步地，所述二维或三维聚集结构中至少部分碳材料表面附着有所述选定物质。
进一步地，所述二维或三维聚集结构中于相邻碳材料之间的间隙内或相邻碳材料的搭接处分布有选定物质。
进一步地，所述选定物质的前驱体包括盐，但不限于此。
进一步地，所述非金属化合物包括二氧化硅、碳化硅和氮化硼中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步地，所述金属化合物优选为金属氧化物，例如可以是二氧化钛、三氧化钨和四氧化三铁中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
优选的，所述选定物质为纳米材料。
进一步地，从所需要材料的功能性出发，可以在前述的二维或三维聚集结构，即碳材料聚集网络结构(例如碳纳米管薄膜)上抽滤上不同溶液满足不同需求。将纳米陶瓷溶液或其他陶瓷溶液前驱体抽滤在碳材料聚集网络结构(例如碳纳米管薄膜)上，也可提高其力学强度，并赋予碳材料聚集网络结构以陶瓷相关的功能特性，如二氧化钛、三氧化钨可提高光催化活性等。将这种溶液换成金属离子溶液，然后生长金属氧化物颗粒，如四氧化三铁，可以增加碳纳米管薄膜的屏蔽特性。
进一步地，所述碳材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维和富勒烯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步地，所述碳材料包括一维和/或二维的纳米和/或微米材料，优选的，所述碳材料包括纳米纤维、纳米线、纳米带和纳米片中的任意一种或两种以上的组合，并且其尺度可以扩展到微米级别。
进一步地，所述高强度耐高温纳米碳复合材料中碳材料的含量为10～85wt％，优选为25～80wt％。
进一步地，所述高强度耐高温纳米碳复合材料具有多孔结构。
本发明实施例的另一个方面提供的一种高强度耐高温纳米碳复合材料的制备方法，其包括：以碳材料聚集网络结构作为过滤体，对包含有选定物质和/或选定物质前驱体的液相体系进行过滤，或者，使碳材料聚集网络结构浸置于包含有选定物质和/或选定物质前驱体的液相体系中；
对表面及内部均分布有所述选定物质和/或选定物质前驱体的碳材料聚集网络结构进行固化处理，获得所述高强度耐高温纳米碳复合材料。
进一步地，所述液相体系为所述选定物质的分散液；或者，所述液相体系为所述选定物质前驱体的溶液。
进一步地，所述的制备方法可以包括：通过过滤方式(例如优选为抽滤方式)对所述混合液进行处理。
进一步地，所述液相体系内的溶剂可以是能够使选定物质均匀分散的任一种溶剂，例如乙醇等常用有机溶剂或者所选定物质的水溶液或者酸溶液。
进一步地，所述选定物质的前驱体包括盐，但不限于此。
进一步地，所述非金属化合物包括二氧化硅、碳化硅和氮化硼中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步地，所述金属化合物优选为金属氧化物，例如可以是二氧化钛、三氧化钨和四氧化三铁中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步地，从所需要材料的功能性出发，可以在前述碳材料聚集网络结构(例如碳纳米管薄膜)上抽滤上不同溶液满足不同需求。将纳米陶瓷溶液或其他陶瓷溶液前驱体抽滤在碳材料聚集网络结构(例如碳纳米管薄膜)上，也可提高其力学强度，并赋予碳材料聚集网络结构以陶瓷相关的功能特性，如二氧化钛、三氧化钨可提高光催化活性等。将这种溶液换成金属离子溶液，然后生长金属氧化物颗粒，如四氧化三铁，可以增加碳纳米管薄膜的屏蔽特性。当然，在本发明中，抽滤的方法还可以替换为浸泡法，同样可以获得表面及内部均分布有所述选定物质和/或选定物质前驱体的碳材料聚集网络结构。
进一步地，所述选定物质与碳材料的质量比为0.3：1～3：1。
进一步地，所述的制备方法可以包括：
提供包含有金属离子溶液和溶剂的液相体系，之后生长金属氧化物颗粒(例如二氧化钛、三氧化钨等)；
以碳材料聚集网络结构作为过滤体，对所述液相体系进行过滤，或者将碳材料聚集网络结构浸置于所述液相体系中。
进一步地，所述碳材料聚集网络结构可以为多孔薄膜形态的或者三维结构。
进一步地，所述碳材料聚集网络结构中的碳材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维和富勒烯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步地，所述碳材料包括一维和/或二维的纳米和/或微米材料，优选的，所述碳材料包括纳米纤维、纳米线、纳米带和纳米片中的任意一种或两种以上的组合，并且其尺度可以扩展到微米级别。
进一步地，所述固化处理的温度为120～500℃，时间为0.3～4h，优选为0.3～2h。
本发明实施例的制备方法通过真空抽滤(或浸泡)和低温固化这两个简单步骤，可以直接将碳纳米管薄膜的杨氏模量提高两倍以上，力学性能提高一倍以上。
本发明实施例的另一个方面提供的由前述方法制备的高强度耐高温纳米碳复合材料。
进一步地，前述的高强度耐高温纳米碳复合材料的杨氏模量在3GPa以上，抗拉强度在150MPa以上，在700℃具有90％以上的质量残余。
其中，杨氏模量是弹性材料的一种最重要、最具特征的力学性质，是物体弹性变形难易程度的表征，用E表示，定义为理想材料有小形变时应力与相应的应变之比。
抗拉强度是材料由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是在静拉伸条件下的最大承载能力。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的高强度耐高温纳米碳复合材料于制备高强度耐高温材料、光催化活性材料或具有屏蔽特性材料领域中的用途。
藉由上述技术方案，本发明的纳米碳复合材料具有力学强度好、柔韧、高温可承载特性等优点，可以直接在高温环境中使用，如高温过滤气体等，可以广泛应用于制备高强度耐高温材料、光催化活性材料或具有屏蔽特性材料等；且本发明提供的纳米碳复合材料制备工艺简单，原料易得，设备简单易操作，可重复度高，通过真空抽滤(或浸泡)和低温固化这两个简单步骤，直接将碳纳米管薄膜的杨氏模量提高了两倍，力学性能提高了一倍多，绿色环保，易于规模化生产。
以下结合一些更为具体的实施例及附图对本发明的技术方案作更为详尽地说明。
实施例1
请参阅图1所示，本发明的一些较为具体的实施例涉及一类CNT(碳纳米管的简称)/SiO2复合膜的制备方法，其可以包括如下步骤：
将不同容量的质量分数为14％SiO2溶液抽滤在碳纳米管薄膜上面，形成包覆层，然后放入烘箱中于200℃固化0.5小时后得到不同质量分数(25％-80％)的CNT/SiO2的复合膜。例如2ml质量分数为14％SiO2溶液可得到CNT质量分数为55％的CNT/SiO2复合膜，该CNT/SiO2复合膜在常温下的力学性能如图2a所示,可以发现杨氏模量是原来的三倍，拉伸强度是原来的两倍多，这是由于碳纳米管薄膜中的碳纳米管被较薄的陶瓷层包覆，尤其在碳纳米管的相互搭接处，因而提高了碳纳米管薄膜的力学特性；由图2b所示可看出，碳纳米管薄膜经SiO2复合后，仍保留了韧性断裂特性，并没有完全表现为陶瓷材料的脆性断裂特性。碳纳米管薄膜和CNT/SiO2的复合膜两种薄膜的热重曲线如图3所示，改性后的CNT/SiO2的复合膜在700℃还有90％以上的质量残余。碳纳米管薄膜和CNT/SiO2的复合膜两种薄膜的SEM图参见图4a和图4b。
其中，前述的碳纳米管薄膜(CNT)可以从广泛地来源获取，例如可以通过商购途径。
其中，前述SiO2与碳纳米管的质量比可以是合适比例，例如可以优选1：1。
其中，所述固化处理的温度为120～500℃，优选为200℃，时间为0.3～2h，优选为0.5h。本实施例通过使用真空抽滤这种方法将SiO2溶液抽滤在碳纳米管薄膜上面，并且深入到膜层间，通过低温固化得到无定型SiO2，从而得到具有多孔结构的耐高温的CNT/SiO2复合膜，并且对碳纳米管薄膜的韧性有一定程度的保留。本实施例中CNT/SiO2复合膜的制备只需要简单的设备，易操作，可重复度高，通过抽滤的溶液量或者次数来改变CNT与SiO2的质量分数比。
本实施例在碳纳米管外面包裹一层二氧化硅陶瓷，进一步增加碳纳米管的力学性能和抗氧化特性，可通过简单的实验条件与低温操作，提高碳纳米管薄膜的力学强度与高温下的力学特性。
经测试，本实施例制备的CNT/SiO2复合膜具有高温可承载特性，可以直接在高温环境中使用，如高温过滤气体等。本实施例制备的CNT/SiO2复合膜还可以作为载体进一步复合TiO2颗粒，以提高光催化活性。
另外，从所需要材料的功能性出发，本发明实施例可以在碳纳米管薄膜上抽滤上不同溶液满足不同需求。将纳米陶瓷溶液或其他陶瓷溶液前驱体抽滤在碳纳米管薄膜上，也可提高其力学强度，并赋予碳纳米管薄膜其陶瓷相关的功能特性，如二氧化钛、三氧化钨可提高光催化活性等。将这种溶液换成金属离子溶液，然后生长金属氧化物颗粒，如四氧化三铁，可以增加碳纳米管薄膜的屏蔽特性。
实施例2
将不同容量的质量分数为20％TiO2溶液抽滤在碳纳米管薄膜上面，形成包覆层，然后放入烘箱中于400℃固化1小时后得到不同质量分数(25％-80％)的CNT/TiO2的复合膜。例如2ml质量分数为20％TiO2溶液可得到CNT质量分数为55％的CNT/TiO2复合膜，该CNT/TiO2复合膜在常温下的力学性能有所提高，这是由于碳纳米管薄膜中的碳纳米管被较薄的陶瓷层包覆，尤其在碳纳米管的相互搭接处，因而提高了碳纳米管薄膜的力学特性；碳纳米管薄膜经TiO2复合后，仍保留了韧性断裂特性，并没有完全表现为陶瓷材料的脆性断裂特性。改性后的CNT/TiO2的复合膜在700℃还有90％以上的质量残余。
其中，前述的碳纳米管薄膜(CNT)可以从广泛地来源获取，例如可以通过商购途径。
其中，前述TiO2与碳纳米管的质量比可以是合适比例，例如可以优选为3：1。
其中，所述固化处理的温度为200-500℃，优选为400℃，时间为0.5-2h，优选为1h。
本实施例通过使用真空抽滤这种方法将TiO2溶液抽滤在碳纳米管薄膜上面，并且深入到膜层间，通过低温固化得到无定型TiO2，从而得到具有多孔结构的耐高温的CNT/TiO2复合膜，并且对碳纳米管薄膜的韧性有一定程度的保留。本实施例中CNT/TiO2复合膜的制备只需要简单的设备，易操作，可重复度高，通过抽滤的溶液量或者次数来改变CNT与TiO2的质量分数比。
本实施例在碳纳米管外面包裹一层二氧化钛，进一步增加碳纳米管的力学性能和抗氧化特性，可通过简单的实验条件与低温操作，提高碳纳米管薄膜的力学强度与高温下的力学特性。该复合膜在紫外光下具有一定降解作用。
实施例3
将不同容量的质量分数为30％WO3溶液抽滤在碳纳米管薄膜上面，形成包覆层，然后放入烘箱中于350℃固化2小时后得到不同质量分数(10％-85％)的CNT/WO3的复合膜。例如3ml质量分数为30％WO3溶液可得到CNT质量分数为65％的CNT/WO3复合膜，该CNT/WO3复合膜在常温下的力学性能有所提高，这是由于碳纳米管薄膜中的碳纳米管被较薄的陶瓷层包覆，尤其在碳纳米管的相互搭接处，因而提高了碳纳米管薄膜的力学特性；碳纳米管薄膜经WO3复合后，仍保留了韧性断裂特性，并没有完全表现为陶瓷材料的脆性断裂特性。改性后的CNT/WO3的复合膜在600℃还有90％以上的质量残余。
其中，前述的碳纳米管薄膜(CNT)可以从广泛地来源获取，例如可以通过商购途径。
其中，前述WO3与碳纳米管的质量比可以是合适比例，例如可以优选为0.3：1。
其中，所述固化处理的温度为200-500℃，优选为350℃，时间为0.5-4h，优选为1h。
本实施例通过使用真空抽滤这种方法将WO3溶液抽滤在碳纳米管薄膜上面，并且深入到膜层间，通过低温固化得到无定型WO3，从而得到具有多孔结构的耐高温的CNT/WO3复合膜，并且对碳纳米管薄膜的韧性有一定程度的保留。本实施例中CNT/WO3复合膜的制备只需要简单的设备，易操作，可重复度高，通过抽滤的溶液量或者次数来改变CNT与WO3的质量分数比。
本实施例在碳纳米管外面包裹一层三氧化钨，进一步增加碳纳米管的力学性能和抗氧化特性，可通过简单的实验条件与低温操作，提高碳纳米管薄膜的力学强度与高温下的力学特性。该复合膜在可见光下具有一定降解作用。
实施例4
将不同容量的质量分数为10％TiO2溶液和20％SiO2溶液均匀混合，并抽滤在碳纳米管薄膜上面，形成包覆层，然后放入烘箱中于200℃固化1小时后得到不同质量分数(10％-75％)的CNT/TiO2/SiO2的复合膜。例如5ml TiO2和SiO2的混合溶液可得到CNT质量分数为35％的CNT/TiO2/SiO2复合膜，该CNT/TiO2/SiO2复合膜在常温下的力学性能有所提高，这是由于碳纳米管薄膜中的碳纳米管被较薄的陶瓷层包覆，尤其在碳纳米管的相互搭接处，因而提高了碳纳米管薄膜的力学特性；碳纳米管薄膜经CNT/TiO2/SiO2复合后，仍保留了韧性断裂特性，并没有完全表现为陶瓷材料的脆性断裂特性。改性后的CNT/TiO2/SiO2的复合膜在700℃还有90％以上的质量残余。
本实施例通过使用真空抽滤这种方法将TiO2和SiO2的混合溶液抽滤在碳纳米管薄膜上面，并且深入到膜层间，通过低温固化得到无定型TiO2和SiO2，从而得到具有多孔结构的耐高温的CNT/TiO2/SiO2复合膜，并且对碳纳米管薄膜的韧性有一定程度的保留。本实施例中CNT/TiO2/SiO2复合膜的制备只需要简单的设备，易操作，可重复度高，通过抽滤的溶液量、次数和混合比例来改变CNT与TiO2及SiO2的质量分数比。
本实施例在碳纳米管外面包裹一层二氧化钛及二氧化硅，进一步增加碳纳米管的力学性能和抗氧化特性，可通过简单的实验条件与低温操作，提高碳纳米管薄膜的力学强度与高温下的力学特性。该复合膜在紫外光下具有一定降解作用。
在本发明的另一些实施例中，利用四氧化三铁替代前述的二氧化硅，亦可制得具有类似性能的高强度耐高温纳米碳复合材料。
实施例5
将石墨烯薄膜浸泡在不同容量的质量分数为14％SiO2溶液中，形成包覆层，然后放入烘箱中于200℃固化0.5小时后得到不同质量分数(25％-80％)的石墨烯/SiO2的复合膜。例如2ml质量分数为14％SiO2溶液可得到石墨烯质量分数为45％的石墨烯/SiO2复合膜，这是由于石墨烯薄膜中的石墨烯被较薄的陶瓷层包覆，因而提高了石墨烯薄膜的力学特性。
其中，前述的石墨烯薄膜可以从广泛地来源获取，例如可以通过商购途径。
其中，前述SiO2与石墨烯的质量比可以是合适比例，例如可以优选2：1。
其中，所述固化处理的温度为120～500℃，优选为200℃，时间为0.3～2h，优选为0.5h。本实施例在石墨烯外面包裹一层二氧化硅陶瓷，进一步增加碳纳米管的力学性能和抗氧化特性，可通过简单的实验条件与低温操作，提高石墨烯薄膜的力学强度与高温下的力学特性。经测试，本实施例制备的石墨烯/SiO2复合膜具有高温可承载特性，可以直接在高温环境中使用，如高温过滤气体等。本实施例制备的石墨烯/SiO2复合膜还可以作为载体进一步复合TiO2颗粒，以提高光催化活性。
此外，本案发明人还参照实施例1-实施例5的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样制得了具有力学强度好、柔韧、高温可承载特性等优点的高强度耐高温纳米碳复合材料。
需要说明的是，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (16)
1.一种高强度耐高温纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于包括：
以碳材料聚集网络结构作为过滤体，对包含有选定物质和/或选定物质前驱体的液相体系进行过滤，或者，使碳材料聚集网络结构浸置于包含有选定物质和/或选定物质前驱体的液相体系中，其中，所述选定物质选自金属或非金属单质、金属化合物或非金属化合物中的任意一种或多种的组合，所述非金属化合物选自二氧化硅、碳化硅和氮化硼中的任意一种或两种以上的组合；所述金属化合物选自金属氧化物，所述金属氧化物选自二氧化钛、三氧化钨和四氧化三铁中的任意一种或两种以上的组合；所述碳材料选自碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维和富勒烯中的任意一种或两种以上的组合；
对表面及内部均分布有所述选定物质和/或选定物质前驱体的碳材料聚集网络结构进行固化处理，获得所述高强度耐高温纳米碳复合材料，所述固化处理的温度为120～500℃，时间为0.3～4h；
所述高强度耐高温纳米碳复合材料主要由表面及内部分布有选定物质和/或选定物质的前驱体的二维或三维聚集结构经固化处理形成，所述二维或三维聚集结构主要由多个碳材料密集交织形成，所述二维或三维聚集结构中于相邻碳材料之间的间隙内或相邻碳材料的搭接处分布有选定物质，所述高强度耐高温纳米碳复合材料中碳材料的含量为10～85wt%，所述高强度耐高温纳米碳复合材料具有多孔结构，所述高强度耐高温纳米碳复合材料的杨氏模量在3GPa以上，抗拉强度在150MPa以上，在700℃具有90%以上的质量残余。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述二维或三维聚集结构为薄膜形态的。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述二维或三维聚集结构中至少部分碳材料表面附着有所述选定物质。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述选定物质的前驱体为盐。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述选定物质为纳米材料。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳材料选自一维和/或二维的纳米和/或微米材料。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳材料选自纳米纤维、纳米线、纳米带和纳米片中的任意一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高强度耐高温纳米碳复合材料中碳材料的含量为25～80wt%。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述液相体系为所述选定物质的分散液；或者，所述液相体系为所述选定物质前驱体的溶液。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述液相体系内的溶剂能够使选定物质均匀分散，所述溶剂选自有机溶剂或水。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述选定物质与碳材料的质量比为0.3：1～3：1。
12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：
提供包含有金属离子溶液和溶剂的液相体系，之后生长金属氧化物颗粒；
以碳材料聚集网络结构作为过滤体，对所述液相体系进行过滤，或者将碳材料聚集网络结构浸置于所述液相体系中。
13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳材料聚集网络结构为薄膜形态的。
14.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳材料聚集网络结构为三维结构。
15.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述固化处理的时间为0.3～2h。
16.由权利要求1-15中任一项所述方法制备的高强度耐高温纳米碳复合材料于制备高强度耐高温材料、光催化活性材料或具有屏蔽特性材料领域中的用途。
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