本发明属于复合材料，具体涉及一种磁定向石墨烯/碳复合材料及其制备方法。
背景技术：
1、石墨烯作为一类新型材料，除具有超高的强度之外，其面内热导率高达5000w/(m·k)以上，利用石墨烯作为导热增强填料，给新一代散热材料的研制提供了难得的机遇。但是由于石墨烯本身的尺寸非常小(厚度只有不到1纳米，二维方向几十微米)，在纳观尺度很难操控。同时，当石墨烯作为导热增强填料时，其容易发生团聚，团聚体内部石墨烯呈现高无序性，尤其当石墨烯浓度较大时，会加剧石墨烯的团聚以及无序性。另外，二维材料中声子只能在面内晶格中有效传播，石墨烯热导率具有高各向异性(面内和面外相差两个数量级)，因此石墨烯导热增强效果的提高与石墨烯纳米片在基体中的有序取向密切相关。综上所述，使石墨烯在基体中有序定向是充分发挥石墨烯的高导热特性的重点和难点，否则不但不能起到导热增强的作用，反而会产生不利影响。
2、目前，已有许多研究者对石墨烯的取向进行控制，例如，公开号为cn112225204a的中国专利-石墨烯海绵中石墨烯取向的控制方法及设备和公开号为cn112357910a的中国专利-一种定向石墨烯复合宏观体的制备方法，均利用冰模板法诱导制备石墨烯定向气凝胶，该方法虽然能够制备取向有序可控的石墨烯，但该工艺耗时长、成本高，不适于规模化制备。
3、例如，在现有的论文《orientation control of graphene flakes by magneticfield:broad device applications of macroscopically aligned graphene》(adv.mater.2016,doi:10.1002/adma.201604453)中，lin等人采用外加恒定磁场的方法使得石墨烯发生偏转，但该方法使用的静态磁场只能控制石墨烯纳米片一个方向上的自由度，无法实现二维石墨烯纳米片的平行排布。
4、传统石墨烯导热增强复合材料的制备路线为：先制备导热骨架预制体，再通过基体的反复浸渍或cvi反复增密等工艺来提高复合材料的体积密度，最终得到高强度、高导热的复合材料。例如，公开号为cn110452414a的中国专利-一种高定向石墨烯增强双马树脂基复合材料的制备方法和公开号为cn109705817a的中国专利-一种高导热快响应相变储能复合材料及其制备方法均先采用冷冻干燥的方式制备石墨烯预制体骨架，后采用真空浸渍来进行骨架回填，此工艺制备得到的块体材料强度高，热性能优异，但此制备工艺需要进行反复增密，制备过程繁琐，导致产品制备周期长，不利于规模化制备。例如，在现有的论文《magnetic field-induced aligned graphene/cellulose conductive composites forelectroluminescent devices》(acs appl.nano mater.2023，doi：10.1021/acsanm.3c03678)中zhi等人采用外加单一静态磁场一体化制备石墨烯/纤维素复合材料，该方法虽然能实现石墨烯在复合材料中的有序取向，但只能制备薄膜状材料，需要将薄膜堆叠才能得到块体材料，不利于规模化制备。
5、综上所述，现有定向石墨烯导热增强复合材料的制备方法中缺少制备方法简单、石墨烯取向可控、成本低且可以一体化成型制备复合材料的方法。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁定向石墨烯/碳复合材料及其制备方法，该制备方法简单、石墨烯取向可控、成本低且可以一体化成型制备复合材料。
2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
3、本发明提供了一种磁定向石墨烯/碳复合材料，所述的磁定向石墨烯/碳复合材料由多孔碳基体和多孔碳基体内部沿竖直方向交替平行排布的若干层磁定向石墨烯层共同组成；
4、多孔碳基体由植物糖前驱体转化成的碳纳米颗粒连接形成，且多孔碳基体中的碳纳米颗粒之间相互连接形成微纳米尺寸的封闭气孔；
5、磁定向石墨烯层由二维还原氧化石墨烯纳米片相互搭接形成。
6、在一实施方式中，所述磁定向石墨烯/碳复合材料具有各向异性，平行于磁定向石墨烯层的水平方向的热导率为10～20w/m k，垂直于磁定向石墨烯层的竖直方向的热导率为0.35～0.65w/m k。
7、本发明还提供了一种所述的磁定向石墨烯/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
8、s1：制备磁性石墨烯分散液和植物糖前驱体溶胶，后将二者搅拌混合，得到混合溶胶；
9、s2：利用磁定向装置对混合溶胶中的磁性石墨烯进行定向，后加入引发剂使混合溶胶固化为凝胶；
10、s3：将凝胶进行低温预碳化和高温石墨化得到磁定向石墨烯/碳复合材料。
11、在一实施方式中，所述s1中，所述磁性石墨烯分散液的制备方法，如下：
12、将氧化石墨烯、铁磁流体和水按照(1～20)：(3～50)：(10～40)的质量比混合，制得磁性石墨烯分散液；
13、所述氧化石墨烯为单层氧化石墨烯或多层氧化石墨烯；所述磁性石墨烯为附着有铁磁流体中四氧化三铁纳米颗粒的氧化石墨烯。
14、在一实施方式中，所述s1中，所述植物糖前驱体溶胶的制备方法，如下：
15、将植物糖、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和水按照(10～100)：(1～100)：(0.1～10)：(50～200)的质量比混合，制得植物糖前驱体溶胶；
16、所述植物糖为葡萄糖、蔗糖、淀粉、果糖、麦芽糖、木糖中的一种或几种。
17、在一实施方式中，所述混合溶胶中磁性石墨烯的质量占比为2％～20％。
18、在一实施方式中，所述s2中，所述的磁定向装置包括钕铁硼磁铁、电机、载物盘、可悬吊的玻璃容器；
19、所述电机的转轴与载物盘的中心部位连接，所述可悬吊的玻璃容器设置在载物盘的上方，两块所述钕铁硼磁铁相互平行设置在载物盘上，且钕铁硼磁铁对称设置在可悬吊的玻璃容器的两侧。
20、在一实施方式中，所述s2中，所述利用磁定向装置对混合溶胶中的磁性石墨烯进行定向的过程，如下：
21、将混合溶胶置于可悬吊的玻璃容器内，由电机带动平行设置的钕铁硼磁铁围绕可悬吊的玻璃容器旋转产生旋转磁场对混合溶胶中的磁性石墨烯进行定向；
22、所述旋转的转速为1～50r/s。
23、在一实施方式中，所述s2中，所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈和过氧化氢中的一种或几种。
24、在一实施方式中，所述s3中，所述的低温预碳化过程，如下：在空气气氛中以5℃/h的加热速率热处理36h；
25、所述s3中，所述的高温石墨化过程，如下：在氩氢混合气氛中于1800～2800℃的温度下热处理2h。
26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27、本发明提供了一种磁定向石墨烯/碳复合材料的制备方法，其采用植物糖合成的高结晶碳作为碳基体，采用廉价易得，可循环再生的植物糖作为碳源，其碳产率高、成本低且环境友好。采用氧化石墨烯作为石墨烯的前驱体，氧化石墨烯具有较高的表面活性，在植物糖溶胶中的分散性优异，有利于复合材料大规模制备。将氧化石墨烯转变为磁性石墨烯后，利用外加旋转磁场的作用力对磁性石墨烯进行定向，可实现石墨烯纳米片在前驱体溶液中快速定向。另外，进行高温石墨化处理，不仅提高了复合材料的结晶度，同时还将石墨烯层中的氧化石墨烯转变为还原氧化石墨烯，形成磁定向石墨烯层，有利于减少石墨烯的缺陷，提高复合材料的性能。整个制备方法相较于现有的石墨烯导热增强复合材料研究中的制备方法，其简化了制备流程，缩短了制备周期，可实现石墨烯在复合材料基体中定向有序排列，且有利于复合材料低成本、规模化制备。
28、进一步的，氧化石墨烯更易于铁磁流体中的四氧化三铁纳米颗粒附着，利用简单的机械搅拌，可将铁磁流体中的四氧化三铁纳米颗粒附着在氧化石墨烯表面，将具有超顺磁性的四氧化三铁纳米颗粒附着在氧化石墨烯表面后，可使氧化石墨烯具有极强的磁响应。
29、本发明提供了一种磁定向石墨烯/碳复合材料，采用还原氧化石墨烯作为导热增强体，由还原氧化石墨烯纳米片相互搭接形成的磁定向石墨烯层填充于由植物糖转化的碳基体中，可制备各向异性的兼具高热导率和高隔热，高强度的石墨烯/碳复合材料。还原氧化石墨烯纳米片相互搭接形成具有定向有序的磁定向石墨烯层，二维磁定向石墨烯层相互平行排列，在平行于磁定向石墨烯层的水平方向上形成良好的传热通路，有利于热量的快速散失；在垂直于磁定向石墨烯层的竖直方向上，磁定向石墨烯层则作为声子扩散的层层屏障，可有效阻挡热量的传输，另外由于植物糖前驱体转化形成的多孔碳基体中微纳米尺寸封闭气孔的存在，限制了热对流和气体分子热碰撞，进一步降低了材料在垂直方向上的热传输，使得材料同时兼具高导热和高隔热，可满足热管理领域对于同时兼具优异散热和隔热性能材料的需求。同时，磁定向石墨烯层在多孔碳基体中也起到力学增强的作用，在材料受外界应力时，裂纹在多孔碳基体中传播遇到磁定向石墨烯层时可使裂纹发生偏转，消耗裂纹拓展断裂能的同时降低了裂纹的拓展速率；裂纹在界面处会发生分叉，改变传播方向并延长裂纹的传播路径，延缓了材料的损坏失效；另外磁定向石墨烯层的拔出也可消耗外界应力，从而进一步提高复合材料的机械性能。
1.一种磁定向石墨烯/碳复合材料，其特征在于，所述的磁定向石墨烯/碳复合材料由多孔碳基体和多孔碳基体内部沿竖直方向交替平行排布的若干层磁定向石墨烯层共同组成；
2.根据权利要求1所述的磁定向石墨烯/碳复合材料，其特征在于，所述磁定向石墨烯/碳复合材料具有各向异性，平行于磁定向石墨烯层的水平方向的热导率为10～20w/m k，垂直于磁定向石墨烯层的竖直方向的热导率为0.35～0.65w/m k。
3.一种根据权利要求1至2任意一项所述的磁定向石墨烯/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种磁定向石墨烯/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述s1中，所述磁性石墨烯分散液的制备方法，如下：
5.根据权利要求3所述的一种磁定向石墨烯/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述s1中，所述植物糖前驱体溶胶的制备方法，如下：
6.根据权利要求3所述的一种磁定向石墨烯/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述植物糖为葡萄糖、蔗糖、淀粉、果糖、麦芽糖、木糖中的一种或几种。
7.根据权利要求3所述的一种磁定向石墨烯/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合溶胶中磁性石墨烯的质量占比为2％～20％。
8.根据权利要求3所述的一种磁定向石墨烯/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述s2中，所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈和过氧化氢中的一种或几种。
9.根据权利要求3所述的一种磁定向石墨烯/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述s3中，所述的低温预碳化过程，如下：在空气气氛中以5℃/h的加热速率热处理36h。
10.根据权利要求3所述的一种磁定向石墨烯/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述s3中，所述的高温石墨化过程，如下：在氩氢混合气氛中于1800～2800℃的温度下热处理2h。
