[发明专利]一种石墨烯掺杂C/C复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯掺杂C/C复合材料的制备方法，包括如下步骤：S1)石墨/碳纤维/酚醛树脂热压坯的制备：将掺杂有石墨烯的石墨烘干除湿后与酚醛树脂充分混合，再与脱胶分散的碳纤维混合，热压成型；S2)碳/碳复合材料预制体的形成：将石墨/碳纤维/酚醛树脂热压坯在氩气氛保护下的高温碳化炉中梯度升温完成碳化过程；S3)采用化学气相渗透工艺，通过高温梯度沉积得碳/碳复合材料：以气态烃类为前驱气体，将碳/碳复合材料预制体的表面暴露于高温热分解的碳氢化合物气氛中，逐渐完成热解碳的沉积过程。本发明工艺过程简单，工艺参数易控，所得材料导电导热性能良好，强度高，可作为用于湿法冶金阴极的石墨烯掺杂C/C复合材料。

技术领域

本发明涉及一种C/C复合材料及其制备方法，尤其涉及一种石墨烯掺杂C/C复合材料及其制备方法。

背景技术

炭/炭(C/C)复合材料综合了纤维增强复合材料优良的力学性能及碳质材料优异的高温性能，具有高的比强度、比模量，良好的韧性以及高温下优良的强度保持率、耐蠕变和抗热震等一系列优异性能。碳/碳复合材料的性能取决于增强碳纤维、基体碳以及纤维和基体之间的界面，其中基体碳的密度和结构是影响机械性能最主要的因素。热解碳基体是采用化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration，CVI)工艺，以气态烃类为前驱气体，经极其复杂的热解和沉积反应过程而获得的。

目前C/C复合材料的研究和开发主要集中在航天、航空等高技术领域，较少涉足民用高性能、低成本C/C复合材料的研究。整体研究还停留在对材料宏观性能的追求上，对材料组织结构和性能可控性、可调性等基础研究还相当薄弱，难以满足国民经济发展对高性能C/C复合材料的需求。

比如湿法冶金电解普遍采用铜作阴极，铜可做成大尺寸的电极，具有单槽产量高的特点，但由于使用情况的不同，存在电解成品中混入铜的质量缺陷。因此，亟需一种铜阴极的替代材料，使湿法冶金技术得到进一步完善，产品品质获得大幅提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯掺杂C/C复合材料及其制备方法，工艺过程简单，工艺参数易控，所得材料导电导热性能良好，强度高；可广泛应用于湿法冶金电解、催化载体等技术领域。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种石墨烯掺杂C/C复合材料及其制备方法，包括如下步骤：S1)石墨/碳纤维/酚醛树脂热压坯的制备：将掺杂有石墨烯的石墨烘干除湿后与酚醛树脂充分混合，再与脱胶分散的碳纤维混合，热压成型；S2)碳/碳复合材料预制体的形成：将石墨/碳纤维/酚醛树脂热压坯在氩气保护下的高温碳化炉中梯度升温完成碳化过程；S3)采用化学气相渗透工艺，通过高温梯度沉积得碳/碳复合材料：以气态烃类为前驱气体，将碳/碳复合材料预制体的表面暴露于高温热分解的碳氢化合物气氛中，逐渐完成热解碳的沉积过程。

进一步地，所述步骤S1的石墨中Fe杂质含量小于100ppm，中位径低于10μm；所述碳纤维长度2μm～10μm；所述石墨中掺杂的石墨烯的质量百分含量为2.0～8.0％，余量为石墨；所述酚醛树脂中游离酚的质量百分含量低于10％。

进一步地，所述步骤S1的热压坯中各组分的质量百分含量如下：石墨粉含量30～60％；碳纤维含量10～30％；酚醛树脂含量20～40％。

进一步地，所述步骤S1中热压成型时控制压力范围为30～100MPa。

进一步地，所述步骤S2包括：将热压坯在400℃下保温2～4小时，在400～600℃下保温4～8小时，在600～950℃下保温10～16小时，并控制升温速度为5℃/min；所述热压坯的初始密度为0.2～0.9g/cm³。

进一步地，所述步骤S3中化学气相渗透工艺过程中沉积源气体为甲烷、天然气、甲烷-氢气混合气或丙烷，所述沉积源气体的流速为0.20～0.8g/(h·mm²)。