[发明专利]碳纳米管纤维-石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料，尤其涉及一种碳纳米管纤维-石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纳米管纤维是大量碳纳米管组装得到的宏观形态中最重要的一种。自2002年清华大学研究人员首次从碳纳米管阵列中抽出碳纳米管纤维以来，碳纳米管纤维就迅速发展为一个非常具有活力的研究方向。因其具有优异的力学、电学及热学等综合性能，在航空航天、防弹装备、体育器械等复合材料等领域显示了巨大的应用潜力。

当前已经发展的碳纳米管纤维的制备方法主要有阵列抽丝法、溶液纺丝法以及浮动化学气相沉积（CVD）纺丝法。阵列纺丝法是在可纺丝碳纳米管阵列的基础上，通过抽丝、加捻、浸润增强等干纺工艺，纺制碳纳米管纤维。溶液纺丝法是首先将碳纳米管粉体分散成具有一定浓度的均匀溶液，然后模拟传统溶液纺丝技术，通过液相注射成丝而得。浮动CVD直接纺丝法的最早开发者是英国剑桥大学的Windle小组，该法是最具有规模工业化制备碳纳米管纤维潜力的方法之一。

与碳纤维材料相比，碳纳米管纤维作为一种新型的高性能纤维材料，具有更多的自身发展优势。首先，碳纳米管纤维的拉伸强度已经可以稳定达到1.0 GPa以上，已可满足大多数结构件对材料力学强度的要求。且与碳纳米管的理论强度值相比，碳纳米管纤维的强度还有很大的上升空间。其次，碳纳米管纤维具有极高的韧性，可以经过多次弯曲、打结而不影响其力学性能，可有效用于接点、弯折、受力不匀等部位，并有效解决通常碳纤维增强复合材料的脆性过大、界面强度不高等问题。最后，碳纳米管纤维极大的断裂伸长率及其低应变时的高能量吸收能力，将可能使其在需要高吸能、高强度等领域获得用武之地，如防弹背心和机械防震部件等。此外利用碳纳米管纤维的热学、电学性能，研究人员正尝试通过功能客体的引入，将碳纳米管纤维用于传感器、人工肌肉等领域。但目前碳纳米管纤维，尤其是碳纳米管纤维的研究和应用多集中于其力学领域，功能性应用研究刚刚开始，且存在一些尚难解决的问题。目前，已有报道将碳纳米管纤维用作新型电容器以及光电转化电极材料的研究，但普遍遇到一些应用难题。比如纤维内部客体的引入通常会降低其导电性，并伴随力学强度的损失；碳纳米管纤维的惰性表面也难与客体形成有效的传输界面。而常用的碳纳米管纤维表面处理方式如酸化等，又会造成其结构及性能等的破坏。此外，纤维表面形貌也是影响其功能稳定性的重要因素。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种碳纳米管纤维-石墨烯复合材料的制备方法，该方法克服了现有技术中碳纳米管纤维在光电应用等领域所出现的材料性能下降的问题。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述制备方法获得的碳纳米管纤维-石墨烯复合材料。

为实现上述发明目的，本发明的碳纳米管纤维-石墨烯复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

a.制备碳纳米管纤维，在制备过程中，利用溶液润湿修饰所述碳纳米管纤维；

b.提供石墨烯，将所述石墨烯置于水溶液中，在超声的作用下形成均匀分散的石墨烯分散液；

c.向所述石墨烯分散液中滴加分散剂，并搅拌均匀；

d.将所述碳纳米管纤维与所述石墨烯分散液充分接触，以使所述石墨烯包覆在所述碳纳米管纤维的表面；

e.待反应完毕，将所述包覆有石墨烯的碳纳米管纤维烘干，得到所述碳纳米管纤维-石墨烯复合材料。

作为本发明的进一步改进，所述步骤a具体包括：通过阵列纺丝法或溶液纺丝法或化学气象沉积纺丝法制备碳纳米管纤维，在制备过程中，利用溶液润湿修饰所述碳纳米管纤维。

作为本发明的进一步改进，所述步骤a中溶液为乙醇或聚乙烯醇溶液或PVA/二甲基亚砜溶液或者聚二烯丙基二甲基氯化铵。

作为本发明的进一步改进，步骤b中所述石墨烯分散液的分散浓度范围为：0.001g/L~0.1g/L。

作为本发明的进一步改进，步骤c中所述分散剂选自：水、乙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、氯仿、二氯乙烷、乙酸乙酯或者它们的组合。

作为本发明的进一步改进，步骤c中所述分散剂的体积百分比优选值为1%。

作为本发明的进一步改进，步骤d中所述碳纳米管纤维与石墨烯分散液的接触方式为喷涂方式或者浸泡方式。

本发明还提供了一种采用上述制备方法制备的碳纳米管纤维-石墨烯复合材料，所述复合材料包括碳纳米管纤维，及在所述碳纳米管纤维外表面包覆的石墨烯包裹层。

作为本发明的进一步改进，所述碳纳米管纤维选自：单壁碳纳米管纤维、多壁碳纳米管纤维、或者它们的混合。