一种石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于高性能碳纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料及其制备方法。所述复合材料包括复合预制体，所述复合预制体浸渍液态树脂固化后即得到所述复合材料；所述复合预制体包括多层碳纤维布，所述多层碳纤维布之间嵌入石墨烯/SiCnw复合薄膜；所述石墨烯/SiCnw复合薄膜为SiCnw均匀穿插分布于石墨烯片层间的自支撑石墨烯/SiCnw复合薄膜。其制备方法中，先将石墨烯和SiCnw分散到水溶液中，通过滤膜真空辅助自组装工艺制备石墨烯/SiCnw复合薄膜，然后将复合薄膜嵌于纤维布之间形成复合预制体，采用真空灌注工艺制备了石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料。本发明专利技术制得的碳纤维复合材料热机械性能、纵向导热和导电性能显著提高。高。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于高性能碳纤维复合材料
，尤其涉及一种石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）因具有轻质、高强等优点被广泛应用于航空航天、交通工具、能源装备、建筑工程、体育器材等领域。随着各领域对材料轻量化要求的愈加迫切，CFRP被认为是国防和国民经济建设不可或缺的战略性材。CFRP在横向方向上具有优异的力学、导热和导电性能，但是在纵向方向上的性能远远低于横向方向上的性能，比如CFRP的纵向热导率较低，一般不超过1 W/m
·
K，限制了复合材料在工程领域中的广泛应用。
[0003]石墨烯拥有优异的力学、热学（5000 W/m
·
K）和电学（6000 S/cm）等性能,具有高达4
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10.7 MPa m
1/2
的断裂韧性，被视为复合材料最为理想的二维改性填料。目前，工业界通过“由上而下”法实现了低成本、规模化制备含多层石墨烯的石墨烯纳米片，为石墨烯材料在复合材料领域的规模化应用铺平了道路。
[0004]SiCnw因具有优越的力学、热学(～390 W/m
·
K)及电学性能和高的物理、化学稳定性、热导率、临界击穿电场、电子饱和迁移率等特性，在高温、高频、大功率和高密度集成电子器件等方面具有巨大的应用潜力。与相互缠结形态的碳纳米管相比，平直结构的一维SiCnw能够较容易地分散到树脂基体中，可制备导热功能的聚合物基纳米复合材料。
[0005]CFRP复合材料的层间因为树脂基体的存在导致在纵向方向上的导热和导电率较低。因此，在复合材料的层间区域引入导热导电纳米材料是有效提高CFRP纵向导热和导电性能的有效途径，特别是纳米材料的复配使用比单一纳米材料具有更明显的改性效果。但是如何实现在CFRP中引入均匀分布和分散的纳米材料，有效提高复合材料的性能是亟待解决关键技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对目前碳纤维复合材料层合板存在的纵向导热和导电性差的现状，提供一种石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料及其制备方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料，包括复合预制体，所述复合预制体浸渍液态树脂固化后即得到所述复合材料；所述复合预制体包括多层碳纤维布，所述多层碳纤维布之间嵌入石墨烯/SiCnw复合薄膜；所述石墨烯/SiCnw复合薄膜为SiCnw均匀穿插分布于石墨烯片层间的自支撑石墨烯/SiCnw复合薄膜。
[0008]优选的，所述石墨烯/SiCnw复合薄膜中SiCnw的含量为0.1～20 wt.%，所述石墨烯/SiCnw复合薄膜的厚度为100～150μm。
[0009]优选的，所述石墨烯为单层或多层石墨烯，其平面直径为0.5～50 μm。
[0010]优选的，所述SiCnw为β型SiC，其直径为100～600 nm，长度为20～100 μm。
[0011]优选的，所述液态树脂为低粘度环氧树脂或不饱和聚酯树脂与固化剂的混合物，树脂粘度为800～1400 mPas。
[0012]本专利技术还公开了一种石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）石墨烯/SiCnw混合分散液的配制：分别将石墨烯和SiCnw加入到分散剂溶液中，超声处理得到石墨烯分散液和SiCnw分散液，然后将SiCnw分散液加入到石墨烯分散液中，高速剪切匀浆处理配制成石墨烯/SiCnw混合分散液；（2）石墨烯/SiCnw复合薄膜的制备：将石墨烯/SiCnw分散液通过微孔滤膜真空辅助自组装法制备石墨烯/SiCnw复合体，然后将滤物进行冷冻，经过冷冻干燥处理和热处理后得到自支撑的石墨烯/SiCnw复合薄膜；（3）改性碳纤维复合材料的制备：将石墨烯/SiCnw复合薄膜嵌入碳纤维布的层间得到复合预制体，由真空灌注工艺使复合预制体浸渍液态树脂，加热加压固化后即得到所述的石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料。
[0013]优选的，步骤（1）中，所述的分散剂为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚电解质类分散剂中的任意一种；所述分散剂溶液的浓度为0.5～2 mg/ml；所述石墨烯分散液和SiCnw分散液的浓度为0.5～5 mg/ml。
[0014]优选的，步骤（1）中，所述超声处理的条件为：30～150 W功率下超声处理3～10 min；所述高速剪切匀浆处理的条件为：转速为8000～15000 rpm，处理时间为5～10 min。
[0015]优选的，步骤（2）中，所述冷冻的温度为
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18
ꢀº
C；所述冷冻干燥处理是在冷冻干燥机中进行的，时间为24～36 h；所述热处理的温度为150～450
ꢀº
C，时间为1～2 h。
[0016]优选的，步骤（3）中，所述真空灌注工艺的条件为：50
ꢀº
C、真空度为0.01～0.1 MPa；所述加热加压固化条件：压力为5～15 MPa，70～90
ꢀº
C固化1～2 h，再升温至120～160
ꢀº
C后固化2～3 h。
[0017]有益效果本专利技术提供的一种石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料及其制备方法具有以下优点：
①ꢀ
本专利技术通过简单的真空辅助自组装工艺制备了SiCnw均匀穿插分布于石墨烯片层间的自支撑石墨烯/SiCnw复合薄膜，石墨烯和SiCnw以预制复合薄膜的形式作为增强改性材料引入CFRP，有效避免了GnP和SiCnw的团聚问题。
[0018]②ꢀ
本专利技术将石墨烯/SiCnw复合薄膜嵌于碳纤维布之间形成复合预制体，然后通过真空灌注工艺制备复合材料，避免了传统方法中因纳米材料的添加导致树脂粘度升高以及增强纤维对纳米填料的过滤效应(filtering effect)，解决了纳米材料均匀分布和分散的问题。
[0019]③ꢀ
SiCnw的引入有效促进了复合材料在厚度方向的热传导网路的构建，有利于声子在厚度方向上的传导。制备的石墨烯/SiCnw复合薄膜层间改性的碳纤维复合材料具优异的热机械性能、较高的纵向热导率和导电率性能，可扩大碳纤维复合材料的应用领域。
具体实施方式
[0020]以下，将详细地描述本专利技术。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许专利技术人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本专利技术的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本专利技术的范围，从而应当理解的是，在不偏离本专利技术的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
[0021]以下实施例仅是作为本专利技术的实施方案的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料，其特征在于，包括复合预制体，所述复合预制体浸渍液态树脂固化后即得到所述复合材料；所述复合预制体包括多层碳纤维布，所述多层碳纤维布之间嵌入石墨烯/SiCnw复合薄膜；所述石墨烯/SiCnw复合薄膜为SiCnw均匀穿插分布于石墨烯片层间的自支撑石墨烯/SiCnw复合薄膜。2.根据权利要求1所述的石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料，其特征在于，所述石墨烯/SiCnw复合薄膜中SiCnw的含量为0.1～20 wt.%，所述石墨烯/SiCnw复合薄膜的厚度为100～150μm。3.根据权利要求1所述的石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料，其特征在于，所述石墨烯为单层或多层石墨烯，其平面直径为0.5～50 μm。4.根据权利要求1所述的石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料，其特征在于，所述SiCnw为β型SiC，其直径为100～600 nm，长度为20～100 μm。5.根据权利要求1所述的石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料，其特征在于，所述液态树脂为低粘度环氧树脂或不饱和聚酯树脂与固化剂的混合物，树脂粘度为800～1400 mPa。6.一种石墨烯/SiCnw复合薄膜改性碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）石墨烯/SiCnw混合分散液的配制：分别将石墨烯和SiCnw加入到分散剂溶液中，超声处理得到石墨烯分散液和SiCnw分散液，然后将SiCnw分散液加入到石墨烯分散液中，高速剪切匀浆处理配制成石墨烯/SiCnw混合分散液；（2）石墨烯/SiCnw复合薄膜的制备：将石墨烯/SiCnw分散液通过微孔滤膜真空辅助自组装法制备石墨烯/SiCnw复合体，然后将滤物进行冷冻，经过冷冻干燥处理和热处理后得到自支撑的石...

【专利技术属性】
技术研发人员：王富忠，张亚，王伯航，周霖，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：