本发明属于材料制备和化学合成领域，具体涉及一种具有均匀核壳结构的复合材料的低成本制备方法。
背景技术：
科学技术的飞速发展，特别是制造业、化学工业、能源行业的不断进步，对材料的性能提出了更高的要求。单一的材料往往无法满足工业化需求，因此复合材料成为未来材料发展的必然趋势。核壳结构的复合材料是一种具有特殊结构的复合材料，其主要特点为一种材料包覆在另一种材料表面形成包覆层，被包覆的材料为“核”，包覆层材料为“壳”。常见的核壳结构材料有球状、管状和带状等，尺度为几纳米到几百微米不等。
核壳复合材料的制备方法常用的有液相法和气相法。液相法是指基底材料和包覆材料在液相介质中发生反应，通常指在溶液中反应。液相法制备核壳复合材料的有点为反应条件简单，反应速度快。但在纳米结构的复合材料制备中由于液体进入基底材料的纳米骨架结构中较困难，导致制备得到的核壳结构复合材料往往不均匀，包覆层厚度变化较大。气相法是指基底材料和包覆材料在气相介质中发生反应，因此气相的包覆材料能充分进入基底材料内部，从而得到结构稳定、厚度均匀的核壳结构复合材料。
气相法最常用的技术为化学气相沉积技术(chemical vapor deposition，CVD)和原子层沉积技术(atomic layer deposition，ALD)。CVD技术的反应通常在较高温度下进行(大于300℃)并且常常需要等离子或者激光辅助进行。而ALD技术需要气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应，反应物选择种类少并且反应条件苛刻。因此发明一种具有均匀核壳结构的复合材料的低成本制备方法，亦成为了一种新的技术需求。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种步骤简单、容易实现的具有均匀核壳结构的复合材料的低成本制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有均匀核壳结构的复合材料的低成本制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将基底材料置于反应腔体中，抽真空使反应腔体内的真空度为-0.01～-0.1MPa；
(2)将催化剂注入反应腔体中，控制温度在30～120℃使催化剂气化，气化的催化剂沉积在基底材料的表面，沉积时间为0.1～48h；
(3)将反应腔体中多余的催化剂除去，再次抽真空使反应腔体内的真空度为-0.01～-0.1MPa；
(4)将包覆材料注入反应腔体中，控制温度在0～180℃使包覆材料气化，气化的包覆材料在催化剂的作用下与基底材料发生化学反应，控制反应时间为0.1～240h，包覆在基底材料的表面，形成核壳结构坯料；
(5)将坯料取出，20～160℃真空干燥0.5～24h，去除坯料上残留的催化剂和包覆材料，得到具有均匀核壳结构的复合材料。
催化剂及包覆材料均通过注入组件注入反应腔体，所述的注入组件包括储液容器、注液管、注液阀和气化容器，所述的注液阀设置在注液管上，所述的储液容器设置在反应腔体的外部，气化容器设置在反应腔体的内部，注液管一端连接储液容器，另一端伸入反应腔体内，与气化容器对应设置。
基底材料为固体，形貌为粉末、块状或薄膜中的一种或多种。
所述的催化剂及包覆材料均为液体。
所述的催化剂包括水、有机溶剂、水溶液或有机溶液；所述的包覆材料包括液体状态的聚合物单体、溶胶前驱体或水解前驱体。
步骤(2)中，注入反应腔体内的催化剂的体积为0.1～100ml；步骤(4)中，注入反应腔体内的包覆材料的体积为0.1～100ml。
步骤(1)中抽真空使反应腔体内的真空度为-0.04～-0.06MPa；步骤(3)中抽真空使反应腔体内的真空度为-0.04～-0.06MPa。
步骤(2)中控制温度为35～45℃使催化剂气化。
步骤(4)中控制温度为55～65℃使包覆材料气化。
在选定真空度和温度的条件下，催化剂和包覆材料能够发生气化并且气化速率适中，有利于催化剂和包覆材料渗透进入到基底材料和孔结构内部，从而得到均匀的核壳结构。
液体的沸点随着压强的减小而降低，即压强越小液体越容易气化。真空条件下液体的挥发性将大大增强。此外，液体的挥发性也受温度的影响，随着温度升高液体的挥发性增强。利用液体本身的挥发性与压强和温度的关系，通过改变液体所处的环境而控制液体的挥发性实现液相反应物的气化，从而作为气相沉积反应的前驱体。因此将反应物的气化问题转变为反应压强和温度的控制与调节，从而大大降低反应操作难度及所需成本。该技术方案操作简单、反应条件温和、无需大型复杂的设备、节能环保并且有利于大规模商业化应用。
本发明根据高温低压下液相物质较强的挥发能力的特性，通过改变反应压强及温度使一种反应物气化并沉积在基底材料表面来制备具有均匀核壳结构的复合材料。本发明中气化的反应物能够充分扩散渗透到基底材料表面以及孔结构的内部，沉积之后得到均匀核壳结构。相比于液相法，由于液体不能充分扩散渗透到基底材料的内部，因此本发明包覆得到的核壳结构相比液相法更加均匀。
与现有技术相比，本发明步骤简单、容易实现，并且无需复杂的大型设备及苛刻条件，低碳环保，可实现均匀核壳结构的复合材料的大批量制备，具有潜在的工业化大规模生产应用价值。
附图说明
图1为实施例1制得的聚吡咯包覆五氧化二钒核壳结构复合气凝胶的透射电镜照片；
图2为实施例2制得的聚3,4-乙撑二氧噻吩包覆五氧化二钒核壳结构复合气凝胶的透射电镜照片；
图3为实施例3制得的聚苯胺包覆五氧化二钒核壳结构复合气凝胶的透射电镜照片；
图4为实施例4制得的五氧化二钒包覆碳气凝胶核壳结构复合气凝胶的透射电镜照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1
以五氧化二钒气凝胶为基底材料，聚吡咯为包覆材料：将制备得到的五氧化二钒气凝胶置于反应腔体中，用真空泵抽真空1小时使反应腔体内真空度为-0.1MPa。将0.5ml盐酸注入反应腔体中，室温反应1小时。之后将未挥发的盐酸除去，并再次用真空泵抽真空1小时使反应腔体内真空度重新达到-0.1MPa。将0.5ml吡咯单体注入反应腔体中，室温反应3小时。之后将五氧化二钒气凝胶取出，于80℃真空干燥24小时，制备得到聚吡咯包覆五氧化二钒核壳结构复合气凝胶。
本实施例制得的聚吡咯包覆五氧化二钒核壳结构复合气凝胶的透射电镜照片如图1所示，由图1可以看出聚吡咯均匀包覆在五氧化二钒气凝胶纤维表面，包覆层厚度约为3.5nm。
实施例2
以五氧化二钒气凝胶为基底材料，聚3,4-乙撑二氧噻吩为包覆材料：将制备得到的五氧化二钒气凝胶置于反应腔体中，用真空泵抽真空1小时使反应腔体内真空度为-0.1MPa。将0.5ml盐酸注入反应腔体中，室温反应1小时。之后将未挥发的盐酸除去，并再次用真空泵抽真空1小时使反应腔体内真空度重新达到-0.1MPa。将0.5ml 3,4-乙撑二氧噻吩单体注入反应腔体中，30℃反应12小时。之后将五氧化二钒气凝胶取出，于80℃真空干燥24小时，制备得到聚3,4-乙撑二氧噻吩包覆五氧化二钒核壳结构复合气凝胶。
本实施例制得的聚3,4-乙撑二氧噻吩包覆五氧化二钒核壳结构复合气凝胶的透射电镜照片如图2所示，由图2可以看出聚3,4-乙撑二氧噻吩均匀包覆在五氧化二钒气凝胶纤维表面，包覆层厚度约为2.8nm。
实施例3
以五氧化二钒气凝胶为基底材料，聚苯胺为包覆材料：将制备得到的五氧化二钒气凝胶置于反应腔体中，用真空泵抽真空1小时使反应腔体内真空度为-0.1MPa。将0.5ml盐酸注入反应腔体中，室温反应1小时。之后将未挥发的盐酸除去，并再次用真空泵抽真空1小时使反应腔体内真空度重新达到-0.1MPa。将0.5ml苯胺单体注入反应腔体中，50℃反应24小时。之后将五氧化二钒气凝胶取出，于80℃真空干燥24小时，制备得到聚苯胺包覆五氧化二钒核壳结构复合气凝胶。
本实施例制得的聚苯胺包覆五氧化二钒核壳结构复合气凝胶的透射电镜照片如图3所示，由图3可以看出聚苯胺均匀包覆在五氧化二钒气凝胶纤维表面，包覆层厚度约为4nm。
实施例4
以碳气凝胶为基底材料，五氧化二钒为包覆材料：将制备得到的碳气凝胶置于反应腔体中，用真空泵抽真空1小时使反应腔体内真空度为-0.1MPa。将10ml去离子水注入反应腔体中，40℃反应1小时。之后将未挥发的去离子水除去，并再次用真空泵抽真空1小时使反应腔体内真空度重新达到-0.1MPa。将1ml五氧化二钒溶胶注入反应腔体中，50℃反应24小时。之后将碳气凝胶取出，于80℃真空干燥24小时，制备得到五氧化二钒包覆碳气凝胶的核壳结构复合气凝胶。
本实施例制得的五氧化二钒包覆碳气凝胶核壳结构复合气凝胶的透射电镜照片如图4所示，由图4可以看出五氧化二钒均匀包覆在碳气凝胶颗粒表面。
实施例5
以五氧化二钒气凝胶为基底材料，聚吡咯为包覆材料：将制备得到的五氧化二钒气凝胶置于反应腔体中，用真空泵抽真空使反应腔体内真空度为-0.05MPa。将0.1ml盐酸注入反应腔体中，室温反应48小时。之后将未挥发的盐酸除去，并再次用真空泵抽真空使反应腔体内真空度重新达到-0.05MPa。将0.1ml吡咯单体注入反应腔体中，室温反应240小时。之后将五氧化二钒气凝胶取出，于160℃真空干燥0.5小时，制备得到聚吡咯包覆五氧化二钒核壳结构复合气凝胶。
实施例6
以五氧化二钒气凝胶为基底材料，聚吡咯为包覆材料：将制备得到的五氧化二钒气凝胶置于反应腔体中，用真空泵抽真空使反应腔体内真空度为-0.1MPa。将100ml盐酸注入反应腔体中，室温反应0.1小时。之后将未挥发的盐酸除去，并再次用真空泵抽真空使反应腔体内真空度重新达到-0.1MPa。将100ml吡咯单体注入反应腔体中，室温反应24小时。之后将五氧化二钒气凝胶取出，于20℃真空干燥24小时，制备得到聚吡咯包覆五氧化二钒核壳结构复合气凝胶。
实施例7
以碳气凝胶为基底材料，五氧化二钒为包覆材料：将制备得到的碳气凝胶置于反应腔体中，用真空泵抽真空1小时使反应腔体内真空度为-0.04MPa。将10ml去离子水注入反应腔体中，45℃反应1小时。之后将未挥发的去离子水除去，并再次用真空泵抽真空使反应腔体内真空度重新达到-0.04MPa。将1ml五氧化二钒溶胶注入反应腔体中，55℃反应24小时。之后将碳气凝胶取出，于80℃真空干燥24小时，制备得到五氧化二钒包覆碳气凝胶的核壳结构复合气凝胶。
实施例8
以碳气凝胶为基底材料，五氧化二钒为包覆材料：将制备得到的碳气凝胶置于反应腔体中，用真空泵抽真空1小时使反应腔体内真空度为-0.06MPa。将10ml去离子水注入反应腔体中，35℃反应1小时。之后将未挥发的去离子水除去，并再次用真空泵抽真空使反应腔体内真空度重新达到-0.06MPa。将1ml五氧化二钒溶胶注入反应腔体中，65℃反应24小时。之后将碳气凝胶取出，于80℃真空干燥24小时，制备得到五氧化二钒包覆碳气凝胶的核壳结构复合气凝胶。催化剂及包覆材料均通过注入组件注入反应腔体，所述的注入组件包括储液容器、注液管、注液阀和气化容器，注液阀设置在注液管上，储液容器设置在反应腔体的外部，气化容器设置在反应腔体的内部，注液管一端连接储液容器，另一端伸入反应腔体内，与气化容器对应设置。