[发明专利]石墨烯与碳纤维复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳复合材料，特别是一种基于石墨烯(Graphene)与碳纤维复合材料和制备方法，即在碳纤维表面通过涂覆的方法制备石墨烯涂层，得到石墨烯与碳纤维复合材料。

背景技术

碳纤维是指经高温碳化，含碳量超过85％以上的纤维材料，包括碳素纤维和石墨纤维。碳素纤维是有机纤维经1000～2300℃处理后，含碳量为85～95％的纤维；石墨纤维是有机纤维经2300℃以上处理，含碳量在98％以上的纤维。可以用来制备碳纤维的原材料很多，包括聚丙稀腈、沥青、粘胶纤维、聚氯乙烯、聚乙烯醇、酚醛树脂、木质素等，其中获得大规模生产应用的只有聚丙稀腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。

碳纤维具有优异的力学性能，其强度和模量大大超过聚酯纤维、玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳化硅纤维和硅酸铝纤维等通用纤维材料。另外，碳纤维还具有质量轻，耐高温，尺寸稳定性和化学稳定性好等特点。碳纤维具有“轻而强”和“轻而硬”的特性，在航空、航天、汽车、运动等许多高新技术领域获得了广泛的应用。用碳纤维制成的复合材料强度高，耐冲击，重量轻，可以大大减轻飞机、飞船基汽车等产品的重量，减少能源消耗，从而大幅度削减成本；利用其尺寸稳定性，应用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品；利用其耐疲劳性，应用于直升飞机的叶片；利用其振动衰减性，应用于音响器材；利用其耐高温性，应用于飞机刹车片和绝热材料；利用其耐药品性，应用于密封填料和滤材；利用其电气特性，应用于电极材料、电磁波屏蔽材料、防静电材料；利用其生体适应性，应用于人工骨、韧带；利用其X-光透过性，应用于X-光床板等。

在碳纤维及其制品的实际应用过程中，为了修补缺陷，进一步提高性能，并满足不同的使用需求，经常会在碳纤维表面涂覆一层新的材料。甘永学(航空工艺技术，1993年，第4期，6—10页)综述了碳纤维表面涂层的种类，包括金属涂层、无机非金属涂层及有机高分子涂层等。常用的碳纤维表面涂层制备方法包括化学气象沉积、物理气象沉积、电镀、化学镀、溶胶—凝胶以及置换反应等。中国专利CN 02121070.5公开了一种在电磁场中感应加热，使乙炔分解产生的碳原子沉积在碳纤维表面，从而修复碳纤维表面缺陷的方法。CN 92106846.8公开了一种使氯硅烷裂解，将碳化硅气相沉积在碳纤维表面，形成耐高温的表面涂层的工艺和装置；CN 92106846.8报道了一种通过溶液浸渍并煅烧的方法，在碳纤维表面包覆氮化铝涂层的方法。CN 03104595.2提出了一种利用高温沉积在碳纤维编织物表面涂敷SIC保护层的方法。这些方法比较复杂，需特殊设备及条件，成本很高，并且应用起来也有许多限制。

总的来看，在碳纤维表面包覆一层很薄的涂层，可以保护碳纤维。在碳纤维表面添加金属或无机无涂层，可以形成复合纤维材料，提高碳纤维的某些性能，但由于碳纤维与新添加的表面涂层的相容性较差，在长期使用过程中(如反复摩擦、弯曲等)涂层容易脱落，造成材料的破坏。

石墨烯(Graphene)是2004年发现的一类二维纳米碳材料，这种材料具有已知材料最高的强度(Science，2008，321，385-388)，优异的导电性和导热性。以天然石墨为原料，很容易通过化学方法实现石墨烯的大批量制备，价格便宜；经过化学功能化以后的单层石墨在水及有机溶剂中具有很好的溶解性，有利于其均匀分散及成型加工；并且，经过焙烧，可以恢复石墨烯的结构及性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯与碳纤维复合材料和制备方法，可以克服已有技术的缺陷。本发明采用石墨烯作为碳纤维的表面涂层材料，依据石墨烯和碳纤维都是碳材料，二者具有很高的相容性，将石墨烯溶液涂覆在碳纤维表面，然后通过焙烧恢复石墨烯的结构和性能，不仅可以修复碳纤维表面缺陷，而且可以形成高性能的复合材料。本发明成本低、操作简单，适用性强。

本发明提供的一种石墨烯与碳纤维复合材料是以石墨烯和碳纤维材料为原料，通过涂覆的方法在碳纤维材料表面涂覆石墨烯涂层制备而成，涂层的厚度为1nm—5μm。

所述的石墨烯为单层石墨烯、多层石墨烯或它们的混合。

所述的碳纤维材料为碳纤维丝、碳纤维布、碳纤维管材、碳纤维构件或其它碳纤维制品。