[发明专利]石墨烯改性炭纤维增强碳化硅复合材料的制备方法

说明书

本发明提供一种石墨烯改性炭纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，通过水热化学还原法成功地将氧化石墨烯引入C/SiC复合材料的炭纤维预制体中，构建了多元多尺度网状结构，制得石墨烯‑炭纤维预制体，再利用化学气相渗透(CVI)工艺沉积SiC基体制备出了石墨烯改性C/SiC复合材料。本发明提供的方法使石墨烯与炭纤维预制体进行自组装，石墨烯与炭纤维发生键合作用，构建了由二维石墨烯与炭纤维组成的具有网络结构的多元多尺度预制体，以充分发挥石墨烯对C/SiC复合材料的力学、耐高温、耐磨、电磁屏蔽等性能的改性作用，利用化学还原自组装工艺与CVI工艺简单且可控的优点，可有效控制石墨烯材料和SiC基体的形貌和结构。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术，具体涉及一种石墨烯改性炭纤维增强碳化硅复合材料的制备方法。

背景技术

C/SiC复合材料是炭钎维增强碳化硅基体的复合材料，结合了炭纤维良好高温力学性能和碳化硅基体的高温抗氧化性能。C/SiC复合材料作为高温热结构材料被广泛运用于航空航天领域，如发动机喷嘴、飞机刹车片、火箭发动机尾喷管、喉衬、航天飞机机翼前缘等，但是，各构件的使用环境不同，其力学性能要求也不尽相同。随着航空航天飞行器的发展，航空航天领域对碳纤维增强陶瓷基复合材料在极端苛刻环境下的强度和韧性提出更高要求的同时，对兼具优良力学、耐高温与吸波等性能的结构与功能一体化材料的制备与设计也逐渐提出了新的要求。纳米材料相比块体材料，具有极大的比表面积和更优异的力学性能，同时展现出许多特殊新颖的光学、电学等性能，将纳米材料引入复合材料中，可有效改善其强度和断裂韧性等力学性能和一些功能特性。因此，采用纳米技术，在纳米尺度进一步改善的C/SiC复合材料综合力学性能和功能特性成为一种可行且有效的方法。

石墨烯是一种由碳原子通过共价键结合形成规则六方对称晶体的单层二维纳米结构材料，其自身具有极其优越的力学、电学等性能，且强度远高于炭纤维。鉴于石墨烯优良的力学特性，石墨烯作为基体添加剂被引入到高分子和合金等材料中，以获得具有优良力学性能的复合材料。Ramanathan等将表面含有羟基、羧基等化学基团的官能化石墨烯加入到一些极性高分子中，如聚甲基苯烯酸甲酯，制备出了石墨烯/聚甲基苯烯酸甲脂等复合材料，研究表明，加入少量的官能化的石墨烯可有效提高聚甲基苯烯酸甲脂的力学性能，其增强效果比单壁纳米管和膨化石墨烯好。2013年，日本索尼公司采用化学气相沉积和转移的方法制备出轻质、高强度、强韧性的石墨烯/铜箔合金材料。石墨烯的高比表面积、优良的力学性能等特性使其成为改善复合材料力学性能的理想填充材料。

目前，一维碳纳米管增强增韧C/SiC复合材料已被大量报道，并且仍存在一些问题，而石墨烯改性C/SiC复合材料的制备几乎未见报道。

例如：“Wang L,Hou F,Wang X,et al.Preparation and Mechanical Propertiesof Continuous Carbon Nanotube Networks Modified C f/SiC Composite[J].Advancesin Materials ScienceEngineering,2015,2015(12):1-7.”利用冷冻干燥法以及先驱体浸渍裂解工艺制备碳纳米管(CNTs)改性C/SiC复合材料。该方法制备的碳纳米管(CNTs)改性C/SiC复合材料，相比于不添加碳纳米管的复合材料，界面剪切强度(ILSS)和炭纤维/碳纳米管复合材料的弯曲强度分别增加了31％和27％。该工艺中过量碳纳米管(CNTs)附着于炭纤维表面上，在纤维之间的空隙难以形成三维网状结构，在复合材料基体中桥接作用较小。