微纳米材料的宏观聚集体的制备装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微纳米技术领域，尤其设及一种微纳米材料的宏观聚集体的制备方法 和制备装置。
【背景技术】
[0002] 石墨締、碳纳米管等微纳米材料的宏观聚集体中基本的结构单元通常是微米尺度 的SP2碳结构。运一微观织构特征决定了组装材料在受力时需通过微纳米结构间相互作用 传递载荷。研究表明，微纳米结构的有序排布可W帮助层间的载荷的传递。但是，目前的抽 滤、纺丝等加工技术无法获得微纳米材料的高度有序、致密的宏观聚集体，其组装体微观结 构松散，结构决定性能，所W获得的材料性能与理想情况差距较大。
[0003] 大自然中，蜘蛛吐出的丝具有极强的初性和强度，是已知的性能最优异的材料之 一，其组成的微观单元高度有序排布。蜘蛛在吐丝瞬间，液态流动产生剪切速度场使微观组 成单元高度有序排布，因此具有优异的性能。基于此，本发明提出一种生物启发的流动、蒸 发组装技术。通过控制蒸发、压差和管道尺寸产生可控剪切流动速度场使石墨締、碳纳米管 等基本微纳米单元组装成微观结构满足上述要求的的宏观聚集体。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种微纳米材料的宏观聚集体的制备装置。
[0005] -种微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其包括:一容器，所述容器用于盛放微 纳米单元分散液，所述微纳米单元分散液包括溶剂W及均匀分散于该溶剂中的微纳米单 元;一施压装置，所述施压装置用于向该容器内的微纳米单元分散液施加压力；W及一渐缩 管道，所述渐缩管道内径沿着该渐缩管道的延伸方向逐渐变小，且所述渐缩管道的管壁上 具有多个开孔;该渐缩管道的内径较大的一端定义为入口，内径较小的一端定义为出口；所 述渐缩管道的入口与该容器连通，从而使该微纳米单元分散液在所述施压装置的压力下从 所述渐缩管道的入口向出口方向流动;所述渐缩管道对其内部流动的微纳米单元分散液形 成一剪切流场，从而使该流动的微纳米单元分散液中的微纳米单元在该剪切流场作用下沿 着流动方向有序排布;且所述渐缩管道还可W在该微纳米单元沿着流动方向有序排布后， 保持该微纳米单元分散液继续流动，并在该该微纳米单元分散液剪切流动的同时逐渐去除 该该微纳米单元分散液的溶剂。
[0006] 如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述渐缩管道的材料为金属、 陶瓷、玻璃、石英或聚合物;所述渐缩管道的横截面形状为圆形、楠圆形、Ξ角形、正方形、长 方形、或其他N边形，N含5。
[0007] 如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述渐缩管道沿着长度方向 分为的多段结构，使用时组装在一起。
[000引如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，每一段管道为两瓣或多瓣结 构，使用时组装在一起。
[0009] 如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述开口通过一阀口与该容 器连通。
[0010] 如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述多个开孔仅设置于所述 渐缩管道沿着长度方向靠近出口的后段部分。
[0011] 如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述多个开孔仅设置于所述 渐缩管道的一个或多个管壁上。
[0012] 如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述多个开孔沿着径向环绕 所述渐缩管道设置。
[0013] 如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述微纳米材料的宏观聚集 体的制备装置进一步包括一加热装置，用于加热该渐缩管道内的微纳米单元分散液。
[0014] 如上述微纳米材料的宏观聚集体的制备装置，其中，所述微纳米材料的宏观聚集 体的制备装置进一步包括一冷冻装置，用于冷冻该渐缩管道内的微纳米单元分散液。
[0015] 采用本发明提供的宏观聚集体的制备装置制备微纳米材料的宏观聚集体，具有W 下优点：其一、通过控制渐缩流体管道的压差可W控制管道中的剪切速率大小，从而控制微 纳米单元排布有序性，因此，可W通过压差和管道尺寸等外部条件控制流体管道中的流场， 进而操纵微纳米材料宏观组装体的微观结构有序性和密度。其二、微纳米单元经过剪切流 动有序后，在剪切流动的同时去除溶剂并保持剪切力不变，流动和去除溶剂的协同效应使 微纳米单元的有序性不被破坏，从而确保了微纳米材料的宏观聚集体中的微纳米单元的有 序性。其Ξ、流体介质容易获得，管道加工技术成熟，适合批量生产，与其他自下而上的技术 相比，是一种高通量，低成本的技术，适合大规模工业化生产。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明实施例1提供的微纳米材料的宏观聚集体的制备装置的结构示意图。
[0017] 图2为本发明实施例2提供的微纳米材料的宏观聚集体的制备装置的结构示意图。
[0018] 图3为本发明实施例3提供的微纳米材料的宏观聚集体的制备装置的结构示意图。
[0019] 图4为本发明实施例的渐缩管道内的流场分布示意图。
[0020] 图5为本发明实施例的渐缩管道内的微纳米单元的有序性与皮克列数（Peclet number)、剪切速率的关系图。
[0021] 图6为本发明实施例无序分散于溶液中的微纳米纤维单元经过管道流场剪切、蒸 发后变为有序、致密结构的数值模拟结果。
[0022] 图7为不考虑溶剂的蒸发时，本发明实施例的渐缩管道中的微纳米单元分散液所 受到的压强差沿着管道长度X的分布W及与所述渐缩管道的管道梯度β的关系。
[0023] 图8为不考虑溶剂的蒸发时，本发明实施例的渐缩管道中的微纳米单元分散液所 受到的剪切速率沿着管道长度X的分布W及与所述渐缩管道的形状、尺寸、梯度ew及入口 出口压差Δρ的关系。
[0024] 图9为考虑溶剂的蒸发时，本发明实施例的渐缩管道中的微纳米单元分散液所受 到的剪切速率沿着管道长度X的分布W及与所述渐缩管道的梯度β的关系。
[0025] 主要元件符号说明__ 微纳米材料的宏观聚集体的制备装置 I 10，10Α，10Β
' 如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本发明。 '
【具体实施方式】
[0026] W下将结合上述附图和不同实施例说明本发明提供的微纳米材料的宏观聚集体 的制备方法和制备装置。
[0027] 参见图1，本发明实施例提供的微纳米材料的宏观聚集体的制备装置10包括:一容 器12、一施压装置14W及一渐缩管道16。
[00%]所述容器12用于盛放微纳米单元分散液20。所述微纳米单元分散液20包括溶剂22 W及均匀分散于该溶剂22中的微纳米单元24。所述施压装置14与该容器12连接，用于向该 容器12内的微纳米单元分散液20施加压力，从而使该微纳米单元分散液20可W沿着所述渐 缩管道16流动。所述渐缩管道16与该容器12连接，用于对其内部流动的微纳米单元分散液 20形成一剪切流场，从而使该流动的微纳米单元分散液20中的微纳米单元24在该剪切流场 作用下沿着流动方向有序排布。而且，所述渐缩管道16还可W在该微纳米单元24沿着流动 方向有序排布后，保持该微纳米单元分散液20继续流动，并在该微纳米单元分散液20剪切 流动的同时逐渐去除该微纳米单元分散液20的溶剂22,从而在所述渐缩管道16内得到一微 纳米材料的宏观聚集体26。
[0029] 所述容器12的形状、大小和结构不限，可W根据需要设计。所述容器12的材料可W 为金属、陶瓷、玻璃、石英或聚合物等具有一定硬度和强度的材料。
[0030] 所述施压装置14可W为任何可W向该容器12内的微纳米单元分散液20施加压力 的装置。所述施压装置14设置的位置不限，可W根据需要选择。
[0031] 所述渐缩管道16的内径沿着该渐缩管道16的延伸方向逐渐变小。本发明将该渐缩 管道16的内径较大的一端定义为入口 160,内径较小的一端定义为出口 162。优选地，所述渐 缩管道16的内径从入口 160至出口 162逐渐变小。所述渐缩管道16的入口 160通过一阀口 18 与该容器12连通。所述渐缩管道16的入口 160和出口 162尺寸不限，可W根据需要设计。所述 渐缩管道16的材料可W为金属、陶瓷、玻璃、石英或聚合物等具有一定硬度和强度的材料。 所述渐缩管道16的横截面形状不限，可W为圆形、楠圆形、Ξ角形、正方形、长方形、W及其 他N边形，N^5。所述渐缩管道16的长度不限，可W根据需要设计。可W理解，所述渐缩管道 16的长度需确保所述微纳米单元分散液20在剪切流场作用下沿着流动方向有序排布后，保 持该微纳米单元分散液20继续流动，并在该微纳米单元分散液20剪切流动的同时逐渐去除 该微纳米单元分散液20的溶剂22。优选地，所述渐缩管道16为相对于所述溶剂22的无滑移 流体管道。所述渐缩管道16沿着长度方向的截面可W为两条间隔设置的直线或弧线。所述 渐缩管道16的梯度影响流动蒸发的时间，运也影响