(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210653599.3 (22)申请日 2022.06.10 (71)申请人 中国航发北京航空材 料研究院 地址 100095 北京市海淀区北京市81号信 箱 (72)发明人 任志东　杨程　许婧　 (74)专利代理 机构 中国航空专利中心 1 1008 专利代理师 仉宇 (51)Int.Cl. C01B 32/184(2017.01) C01B 32/194(2017.01) C01B 32/05(2017.01) H05K 9/00(2006.01) H05K 7/20(2006.01) H01B 5/14(2006.01) (54)发明名称 一种功能性石墨烯碳膜材 料及其制备方法 (57)摘要 本发明涉及一种功能性石墨烯碳膜材料及 其制备方法。 该石墨烯碳膜材料主要由石墨烯纳 米片、 聚合物的碳化物组成， 其体积密度为0.2g/ cm3～2.2g/cm3， 厚度为10μm～200μm， 具有高 的热扩散系数、 低的方块电阻和优良的电磁屏蔽 性能。 该石墨烯碳膜材料的制备过程主要包括为 氧化石墨烯分散液的制备， 氧化石墨烯膜的制备 以及目标石墨烯碳膜材料的制备。 本发明特别地 通过优选氧化石墨烯分散液的组份， 获得了由石 墨烯纳米片、 聚合物的碳化物组成的功能性石墨 烯碳膜材料， 解决了现有石墨烯膜产品体积密度 低、 热扩散系数小、 电性能差等问题； 机械冷压技 术的运用则有效地解决了石墨烯膜产品尺寸小 的问题， 降低了石墨烯膜产品的工艺难度， 提高 了其生产效率。 权利要求书1页 说明书4页 CN 115259141 A 2022.11.01 CN 115259141 A 1.一种功能性石墨烯碳膜材 料的制备 方法， 包括如下步骤， 其特 征在于： 步骤1、 将纳米纤维素、 多巴胺、 海藻酸钠、 茶氨酸、 鞣酸中的至少一种作为溶质， 加入溶 剂中， 获得 溶液X1； 步骤2、 将氧化石 墨烯纳米片a1与还原氧化石 墨烯纳米片a2混合均匀， 获得纳米片组合 物， 且所述还原氧化石墨烯纳米片a2由所述氧化石墨烯纳米片a1在氩气或氮气条件下， 经 过1000℃～2200℃加热处 理60min～300min获得； 步骤3、 将所述纳米片组合物， 加入部分所述溶液X1中并制备成分散液X2； 将高残碳聚 合物加入部分所述溶液X1中并制备成分散液X3； 将所述分散液X2和所述分散液X3混合均 匀， 并去除空气泡和 易挥发物制得氧化石墨烯分散液； 所述高残碳聚合物为含炔基官能团 的聚合物、 苯并噁嗪树脂、 酚酞型聚醚醚酮、 聚酰胺酸、 可溶性聚酰亚胺、 可溶性酚醛树脂、 可溶性沥青中的至少一种； 步骤4、 所述的氧化石墨烯分散液置于 ‑196℃～0℃， 保持30min～180min， 之后干燥去 除溶剂， 制备 氧化石墨烯宏观体； 步骤5、 对氧化石墨烯宏观体加压(施加20 MPa～200MPa的压力)制得 氧化石墨烯 膜。 步骤6、 将氧化石 墨烯膜在100℃～550℃的惰性气氛或真空条件下进行预处理， 之后在 1200℃～3000℃进行热处理， 且冷却至室温后施加5MPa～50MPa的压力， 制备得到石墨烯碳 膜材料。 2.根据权利要求1或2所述的一种功能性石墨烯碳膜材料的制备方法， 其特征在于： 步 骤1中， 所述溶剂为去离子水、 甲基吡咯烷酮、 甲基甲酰胺、 甲基乙酰胺中的至少一种； 所述 溶质用量 为溶剂质量的0.1wt％～10wt％。 3.根据权利要求1 ‑4之一所述的一种功能性石墨烯碳膜材料的制备方法， 其特征在于： 步骤2中， 所述氧化石墨烯纳米片a1的片径为100 μm～200 μm， 厚度不大于20nm； 所述还原氧 化石墨烯纳米片a2用量 为氧化石墨烯纳米片质量的0.1wt％～10wt％。 4.根据权利要求1 ‑3之一所述的一种功能性石墨烯碳膜材料的制备方法， 其特征在于： 步骤3中， 所述氧化石墨烯分散液固含量的质量分数为0.5wt％～8wt％， 浓度为5mg/mL～ 80mg/mL； 高残碳聚合物用量 为纳米片组合物质量的1wt％～10 0wt％。 5.根据权利要求1 ‑4之一所述的一种功能性石墨烯碳膜材料的制备方法， 其特征在于： 步骤5中， 对氧化石墨烯宏观体施加20 MPa～200MPa的压力。 6.根据权利要求1 ‑5之一所述的一种功能性石墨烯碳膜材料的制备方法， 其特征在于： 步骤3中， 制备成分散液 X2或分散液 X3的工艺方法为搅拌和超声分散 。 7.根据权利要求1 ‑6之一所述的一种功能性石墨烯碳膜材料的制备方法， 其特征在于： 步骤3中， 通过抽真空除去空气泡和易挥发物。 8.根据权利要求1 ‑7之一所述的一种功能性石墨烯碳膜材料的制备方法， 其特征在于： 步骤6中， 所述预处理的压力10MPa～50MPa， 预处理的时间为60min～120min， 预处理的惰性 气氛为氩气、 氮气中的一种或两种； 所述热处理的时间为600min～1200min， 热处理的气氛 为氩气、 氮气中的一种或两种。 9.一种通过权利要求1 ‑8之一的方法制备的功能性石墨烯碳膜材料， 主要由石墨烯纳 米片、 聚合物的碳化物组成， 该石 墨烯碳膜材料的体积密度为0.2g/cm3～2.2g/cm3， 厚度为 10 μm～200 μm。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115259141 A 2一种功能性石墨烯碳膜材料及其制备方 法 技术领域 [0001]本发明涉及材 料科学领域， 主要涉及一种功能性石墨烯碳膜材 料及其制备 方法。 背景技术 [0002]树脂基纤维增强复合材料在飞行器上的广泛应用， 为飞行器的自由设计提供了更 广阔的空间， 实现了飞行器的减重， 带来了巨大的经济效益， 但是也为 飞行器的闪电防护和 电磁屏蔽提出了新要求， 对复合材料 的结构‑功能一体化提出了新挑战。 目前， 复合材料部 件的闪电防护和电磁屏蔽思路是在其表面形成导电层， 实现途径主要有两种， 一是在 复合 材料的外表面喷涂金属层； 二是在 复合材料外表面铺覆金属网。 这两种方法可以有效地改 善复合材料表面的导电性， 起到闪电防护和电磁屏蔽效能， 但是， 金属层或金属网对复合材 料部件的增重显著， 且存在电化学腐蚀风险。 兼具低面密度和高导电的膜材料对新型闪电 防护材料的研制至关重要。 [0003]石墨烯原子层内强的π－π堆积及范德华力作用， 使其具有高的载流子传输效率、 高的电导率和热导率。 由石墨烯制备的膜材料是轻质功能膜材料的最佳选择。 目前， 对氧化 石墨烯膜进行化学或热还原是制备石墨烯膜最主要的一种方法， 其中氧化石墨烯膜的品质 对石墨烯膜的性能至关重要。 受限于氧化石墨烯膜的尺寸、 密度、 组份以及还原设备等， 石 墨烯膜产品的规格尺寸、 电性能、 导热性和电磁屏蔽性能仍存在缺陷和不 足， 未能实现规模 化生产和应用。 本专利提供一种基于氧化石墨烯的功能性石墨烯碳膜材料及其制备方法， 该石墨烯碳膜材料具有大 的热扩散系 数、 低的方块电阻和优良的电磁屏蔽性能， 克服现有 石墨烯膜产品的不足。 发明内容 [0004]本发明目的是： 解决现有石墨烯膜产品体积密度低、 热扩散系数小、 电性能差和尺 寸小的问题， 提供一种基于氧化石墨烯的功 能性石墨烯碳膜材料 的制备方法。 本发明特别 地通过优选氧化石墨烯分散液的组份， 结合冷干技术和机械冷压技术获得由特殊组份构成 的氧化石墨烯宏观体及氧化石墨烯膜， 并对氧化石墨烯膜进 行热还原最 终获得了由石墨烯 纳米片、 聚合物的碳化物组成的功能性石墨烯碳膜材料， 该石墨烯碳膜材料具有大 的热扩 散系数、 低的方块电阻和优良的电磁屏蔽性能。 本发 明中所涉及的功能性包括导电性、 热扩 散性以及电磁屏蔽性， 但不仅限于此。 [0005]本发明的技 术方案是： [0006]提供一种功能性石墨烯碳膜材料， 主要由石墨烯纳 米片、 聚合物的碳化物组成， 该 石墨烯碳膜材 料的体积密度为0.2g/ cm3～2.2g/cm3， 厚度为10 μm～ 200 μm。 [0007]提供一种功能性石墨烯碳膜材 料的制备 方法， 包括如下步骤： [0008]步骤1、 将纳 米纤维素、 多巴胺、 海 藻酸钠、 茶氨酸、 鞣酸中的至少一种作为溶质， 加 入溶剂中， 获得 溶液X1； [0009]纳米纤维素、 多巴胺、 海藻酸钠、 茶氨酸、 鞣酸含有羟基、 氨基、 羧基等反应性官能说　明　书 1/4 页 3 CN 115259141 A 3