[发明专利]一种具有石墨烯互穿网络结构的叠层复合材料

说明书

本发明涉及结构/功能复合材料领域，具体为一种具有石墨烯互穿网络结构的叠层复合材料。以高质量石墨烯泡沫层为导热增强体与碳纤维布层形成水平方向的叠层取向结构，垂直方向上利用材料的多孔结构在铺层材料的孔隙处原位构筑石墨烯三维连续网络，形成碳纤维布层、石墨烯泡沫层与石墨烯三维连续网络之间的混杂互穿网络结构，最后将基体材料注入其中，获得兼具高导热及高力学性能的石墨烯/碳纤维/聚合物基复合材料。利用高质量石墨烯泡沫层与石墨烯三维连续网络本征高导热性能形成互穿网络结构，赋予复合材料更高的热导率，且有助于复合材料力学性能的提升，实现多尺度多组元间的协同增强效应。

技术领域

本发明涉及结构/功能复合材料领域，具体为一种具有石墨烯互穿网络结构的叠层复合材料。

背景技术

碳纤维增强聚合物基复合材料具有密度小、热膨胀系数低，高比强/比模量、制备工艺简单等诸多优点，被广泛应用于固体火箭发动机壳体、卫星/飞船桁架承力结构等航空航天领域。但随着近年来飞行器内部电子器件的逐渐高度集成化、传输高速化和高功率化，传统的碳纤维增强聚合物基复合材料由于其散热能力不足越来越难以满足功能性的需求，因此航空航天领域对于构筑高导热高力学性能的结构/功能一体化复合材料提出了迫切的需求。

目前，传统的航天器散热材料大多采用在树脂基体内添加无机导热填料的方法提高碳纤维复合材料的导热能力，但是这种方法存在很大不足，一方面随着导热填料的增加，碳纤维复合材料的力学性能显著降低；另一方面由于无机导热填料本身导热能力不足，同时填料易被树脂包覆导致其散热能力无法体现，使得复合材料总体导热性能的提升不显著。而相比于传统无机填料，石墨烯具有独特的二维片层结构，具有优异的力学与电热传输特性，其模量高达1TPa,拉伸强度130GPa、热导率高达5300W/m K，被认为构筑高导热高力学性能的结构/功能一体化复合材料的理想填料，近年来国内外针对高导热石墨烯复合材料的设计与制备开展了一系列研究工作。但研究发现石墨烯粉体仍存在易被树脂基体包覆导致其导热性能与力学性能无法体现的问题，因此选择合适的方法解决石墨烯粉体被树脂基体包覆这一问题，从而发挥其优异的热学与力学性能是使用石墨烯构筑高导热高力学性能的结构/功能复合材料的关键。

近些年来人们通过研究发现导热填料在基体中形成三维连续的导热网络可有效提升复合材料的导热性能即导热通路理论。根据导热通路理论人们采用各种方式将石墨烯制备三维石墨烯连续宏观体，并将其与基体复合后制备出了具有较高导热性能的复合材料，例如：以泡沫金属为骨架通过化学气相沉积法制备出了高质量三维连续石墨烯泡沫，其与基体复合后具有优异的热学与力学性能。也有人提出将高质量石墨烯泡沫与碳纤维进行叠层复合以提升复合材料的导热及力学性能，但仅限于水平方向面内热导率的提升，在垂直方向上，由于缺乏有效导热通路的连接，其面外热导率的提升仍然较低；且随着石墨烯泡沫铺层比例的增加，复合材料的层间剪切性能随之降低，这严重的制约了石墨烯/碳纤维/聚合物复合材料做为高导热结构材料的应用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有石墨烯互穿网络结构的叠层复合材料，解决传统无机导热填料以及石墨烯粉体填料对碳纤维复合材料导热性能提升不显著的问题。

为了实现上述技术目标，本发明所提出的技术方案是：

一种具有石墨烯互穿网络结构的叠层复合材料，叠层复合材料由碳纤维布层、石墨烯泡沫层、石墨烯三维连续网络以及树脂基体组成，其中水平方向上碳纤维布层与石墨烯泡沫层交替铺层构成叠层复合材料主体，垂直方向上在碳纤维布层与石墨烯泡沫层的孔隙处原位生长石墨烯三维连续网络，碳纤维布层、石墨烯泡沫层、石墨烯三维连续网络的组合结构由树脂基体充分浸润，并最终通过成型工艺获得叠层复合材料。

所述的具有石墨烯互穿网络结构的叠层复合材料，叠层复合材料的厚度为0.1cm～10cm。