[发明专利]一种石墨烯/玄武岩复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯/玄武岩复合材料及其制备方法，所述石墨烯/玄武岩复合材料包括玄武岩纤维以及沉积在玄武岩纤维表面的石墨烯，其中石墨烯厚度为0.3～100nm，玄武岩纤维直径大小为0.2～100μm，玄武岩纤维长度0.5μm～1000cm。

技术领域

本发明涉及一种纳米复合材料领域，具体地涉及一种具有高力学强度、高导电、疏水特性的石墨烯/玄武岩复合材料与制备方法，主要用于抗静电、电磁屏蔽、高热导、定向传热、导电高分子复合材料等领域。

背景技术

无机非金属氧化物纤维的重要作用。无机非金属氧化物纤维最重要包括玻璃纤维(含石英纤维)和玄武岩纤维。玄武岩纤维的力学特性(弹性模量高达110GPa)优于玻璃纤维(～70GPa)，在航天等高端领域广泛应用。玄武岩纤维由二氧化硅为主的多种氧化物所组成，属于绝缘材料，不仅稳定性好，而且还具有抗腐蚀、抗燃烧、耐高温(软化点1050℃)等多种优异性能。然而，玄武岩纤维是一种纯天然的无机非金属材料，满足国民经济基础产业发展需求的同时，也存在低热导、低电导性等问题，这些性质也极大限制了玄武岩纤维的应用领域，如电磁屏蔽、高温导体等。此外，玄武岩纤维在复合材料领域应用过程中，通常需要将玄武岩纤维与高分子材料或树脂材料联合使用，进行力学增强；在使用中，玄武岩纤维与高分子或树脂的界面结合强度非常关键。需要复杂的表/界面处理，无表面处理而直接使用会导致复合材料性能严重结构缺陷。因此，为了使玄武岩纤维适合发展的需要，对其进行表面改性是迫在眉睫。

独特的石墨烯是由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面结构膜。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料；同时，它的导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因此，在玄武岩表面能够复合一层石墨烯结构，能够显著提高玄武岩的导电、导热等特性，能够进一步拓展玄武岩在抗静电、电磁屏蔽、高热导、定向传热、导电高分子等领域的应用。

目前，文献中大部分石墨烯都采用化学还原法制备，石墨烯质量差、缺陷较多，与本征石墨烯性质相差甚远。而化学气相沉积(CVD)法在金属衬底上制备的石墨烯质量得到显著提高。然而，采用CVD法直接在绝缘衬底上直接生长石墨烯，通常需要较高反应温度～1200℃(J.Mater.Chem.2012,22,411)，制备的石墨烯尺寸小，缺陷多(强Raman D峰)。为了进一步降低生长温度，研究人员采用等离子体增强CVD法制备石墨烯，反应温度能够降低到900℃以下，但制备的石墨烯缺陷更为严重(更强Raman D峰)，而且该制备方法需要昂贵的真空系统和等离子体发射系统，不适合进一步产业化应用。研究人员也发现，如果在生长衬底表面或两端放置铜金属(ACS Nano,2013,7,6575)，采用CVD法可以在较低温度(～1050℃)，实现石墨烯在绝缘衬底上的生长，但获得的石墨烯质量仍很差，而且制备过程需要真空环境，对衬底也要进行额外的处理，制备过程繁琐。综上所述，本领域缺乏一种低成本、力学、电学、疏水性能优异、可大规模生产的石墨烯/玄武岩复合材料与制备方法。

发明内容

本发明旨在克服现有技术无法实现制备石墨烯/玄武岩复合材料的技术难题，本发明提供了一种具有高力学强度、高导电、疏水特性的石墨烯/玄武岩复合材料及其制备方法。

本发明提供了一种石墨烯/玄武岩复合材料，所述石墨烯/玄武岩复合材料包括玄武岩纤维以及沉积在玄武岩纤维表面的石墨烯，其中石墨烯厚度为0.3～100nm，玄武岩纤维直径大小为0.2～100μm，玄武岩纤维长度0.5μm～1000cm。

较佳地，玄武岩纤维的形貌包括绳状、布状和/或毡状宏观体。

较佳地，玄武岩纤维的组成包括二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠。