[发明专利]一种自转化的多功能石墨烯复合材料制备方法

说明书

本发明公开了一种自转化的多功能石墨烯复合材料制备方法，利用具有代表性的玻璃纤维‑环氧树脂预浸料，既用作复合材料铺层成型的原材料，又用作合成激光诱导石墨烯的碳前驱体，通过分别在原始的(固化前)和成型后的预浸料上进行激光诱导，将激光诱导石墨烯以嵌入内部、置于表面的形式自转化集成至复合材料，形成自转化的石墨烯复合材料。本发明的方法简化了石墨烯与复合材料的融合制造工艺，提高制备效率，进一步提升功能化激光诱导石墨烯结构的集成自由度，使石墨烯复合材料具备多功能性。

技术领域

本发明属于材料加工、复合材料结构功能一体化融合制造技术领域，尤其涉及石墨烯复合材料多功能、自转化的加工制备工艺方法。

背景技术

出色的力、电、热和化学性质使石墨烯在能量收集、智能传感、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。但是，为实现石墨烯大规模和高通量的制造，传统合成和处理方法(如化学气相沉积(CVD)、外延生长和氧化还原等)通常会受限于复杂的步骤和苛刻的条件，例如多步的连续化学反应过程，高温且真空的环境要求，复杂的处理工艺和较低的生产效率。

为了寻求可靠的解决方案，激光诱导石墨烯(LIG)应运而生，成为一种便捷、有效且规模化的策略，通过在室温环境下对某些聚合物(薄膜)进行激光刻划，实现了石墨烯材料的一步成型，为高性能结构、装置的开发带来了希望。激光诱导石墨烯 (LIG)技术与其他激光制备工艺(如激光还原氧化石墨烯(LRGO)和激光辅助化学气相沉积石墨烯)相比，提供了更加直接和更高效的石墨烯成型手段，避免了光掩模和印刷介质的使用。随着对激光光热反应机理的深入了解，目前多种天然或合成聚合物均已被证明是形成LIG的合适碳前驱体，这是由于它们均含有一定数量的芳香环结构，包括高温塑料，例如聚酰亚胺(PI)，聚醚酰亚胺(PEI)，聚醚砜(PES)；交联的热固性材料，例如酚醛树脂(PR)，环氧树脂，聚苯乙烯；以及包含木质素/纤维素的化合物。除了原材料可以选择外，独特的激光加工工艺所带来的多样化结构和性能还使LIG广泛适用于各种场景，包括超级电容器、电催化剂、应变传感器、过滤器和微流体以及耐污染电极等。

纤维增强复合材料(FRPs)是一种重要的轻质工程材料，它拥有优异的强度、模量、隔热性、耐腐蚀性和减震特性，在航空航天、汽车、海军舰艇和公共基础设施等各领域均发挥着显著的作用。得益于出色的结构无创性、机械鲁棒性、界面相容性和功能多样性，石墨烯无疑很有希望作为一个强劲的结构部件，通过嵌入至复材基体或裁剪主体结构界面，实现新一代功能复合材料的融合加工与制造。例如，石墨烯分层纤维、涂层纤维和纱线可作为集成在FRP中的一维填料，实现损伤监测和电磁干扰屏蔽；石墨烯纳米带、薄膜和纸张可被开发为二维功能材料，附着在复合材料层压板的顶部或层间，用于防雷击、增强耐腐蚀性、除冰和阻燃性；通过将石墨烯纳米粒子混入基体材料，可形成混合的石墨烯/复材三维结构，以增强热稳定性、耐疲劳性和储能特性。但遗憾的是，由于大量依赖之前提到的传统石墨烯加工方法，目前石墨烯功能复合材料的制备策略仍然无法避免制造效率低、性能无法精确调控的情况。而LIG 技术的出现有望改变这种局面，凭借加工的便利性、功能化图案的可定制性、原子掺杂的多样性以及物化特性的可调谐性，LIG技术是否以及如何有效用于高性能复合材料的多功能化已成为迫切需要解决的现实问题。

尽管是新兴的研究领域，但基于LIG的FRPs开发工作已经尝试开展。一种典型的策略是基体转移法，将原来存在于其前躯体聚合物(薄膜)顶部的石墨烯介质转移到目标复合材料的表面，例如，Luong和Rahimi等人分别将LIG层引入到环氧和PDMS基复合材料上，显然，基体转移法仅限于具有一定平坦度、粗糙度和粘合条件的规则界面，否则，不完整、不均匀、小尺寸转移等风险可能会阻碍接下来的多功能应用。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种自转化的石墨烯复合材料制备方法，通过分别对固化前后的复合材料预浸料(玻璃纤维环氧树脂预浸料)直接进行激光诱导，将激光诱导石墨烯以两种(嵌入内部、置于表面)形式自转化集成至复合材料。本发明的具体技术方案如下：

一种自转化的多功能石墨烯复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：