【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳纤维改性，具体地说，涉及一种在碳纤维表面共价连接石墨烯的方法及应用。
技术介绍
1、碳纤维(carbon fiber)是一种复合材料中理想的增强相，其具备轻质、高强度、高模量、高导电性等特点，被广泛用于树脂基、水泥基、金属基和碳基复合材料中。碳纤维表面石墨层呈现出化学惰性，从而与复合材料的基体连接较差，无法起到好的增强效果。表面改性技术被广泛用于碳纤维，碳纤维表面活化后可以增强其与基体的连接效果，进而提升材料的综合性能。
2、现有的碳纤维表面改性方法主要分为氧化法、等离子体处理、电泳沉积法和枝接法等。
3、氧化法是通过气体(如空气、氧气、臭氧)或液体(如酸、碱、过氧化氢、高锰酸钾溶液)对碳纤维进行氧化处理，并通过控制氧化处理的温度、时间、浓度等参数来调整氧化程度。huang等(applied surface science，2019，497，143765)通过乙醇等离子体聚合的方式，实现了碳纤维表面的改性，获得了增强的碳纤维增强轻质油井水泥的机械性能，相比于未处理前，抗弯强度和抗拉强度分别提升了27.25％和70.56％。
4、等离子体改性碳纤维表面是通过利用等离子体中的活性粒子与碳纤维表面发生物理和化学作用，以增加表面粗糙度和官能团，从而提高碳纤维与树脂基体的粘附性和复合材料的整体机械性能。baghery等(composites science and technology，2016，128，215-221)通过响应面方法(rsm)和box behnken设计优化了等离子体处
5、枝接法是一种通过在碳纤维表面引入功能性分子或纳米结构，如碳纳米管、石墨烯氧化物或纳米二氧化硅等，以共价键合的方式进行表面改性的方法，该方法不仅增强了碳纤维的表面粗糙度和化学活性，提高了与基体材料的物理和化学结合力，而且通过改善分散性和界面粘结性能，显著提升了复合材料的机械强度和耐久性。cui等(constructionand building materials，2018，181，713-720)通过使用(3-aminopropyl)triethoxysilane(kh550)作为化学桥接剂，将碳纳米管(cnts)接枝到碳纤(cf)表面，制备了cf-cnts复合水泥基材料，实现了比纯水泥浆提高40％以上的抗弯强度。
6、上述针对碳纤维改性的方法或者对设备要求高，能耗大，周期长，或者在改性过程中碳纤维表面易氧化，使其力学性能显著下降，或者不适用于大规模生产。因此，需要开发简单、高效、低能耗高性能的碳纤维表面改性方法。
技术实现思路
1、本专利技术要解决碳纤维改性的方法或者对设备要求高，能耗大，周期长，或者在改性过程中碳纤维表面易氧化，使其力学性能显著下降，或者不适用于大规模生产的技术问题，而提供了提供了一种表面改性形貌均匀，具有良好石墨烯枝接形貌并适用于碳基复合材料的碳纤维表面改性方法。
2、为了实现上述技术问题，本专利技术采取了以下的技术方案：
3、本专利技术的目的在于提供一种在碳纤维表面共价连接石墨烯的方法，包括以下步骤：
4、取碳纤维或者表面包覆有机物的碳纤维，与碳源和还原剂混合，至均匀，燃烧合成反应，即在碳纤维表面共价连接石墨烯；
5、其中，按照碳纤维和预计燃烧合成反应生成的石墨烯的质量比为1：(0.2-200)的比例加入碳源，按照碳纤维表面包覆有机物和碳源中的总氧原子和还原剂的质量比为1：(1.5-3)的比例加入还原剂。
6、基于上述技术方案，本专利技术燃烧合成反应后产物经酸洗和干燥，即得到在表面共价连接石墨烯的碳纤维。
7、进一步地限定，燃烧合成反应为高压燃烧合成反应或常压燃烧合成反应。
8、更进一步地限定，高压燃烧合成反应可以按以下步骤进行操作:
9、步骤a、将混合粉体置于耐压能力1mpa～30mpa的通用的燃烧合成反应装置内，然后在混合粉体上方加入点火剂；其中，所述点火剂为镁热反应的fe3o4+mg或mno2+mg或caco3+mg或铝热反应的fe3o4+al或cr2o3+al；
10、步骤b、将燃烧合成反应装置内部抽真空，然后向燃烧合成反应装置内通入0.1mpa的二氧化碳或氮气或氩气，随即密闭反应装置；
11、步骤c、采用局部电热点火或局部高频感应加热的方式，点燃步骤a中的点火剂，使混合粉体进行燃烧反应；其中，局部电热点火是在螺旋状钨丝线圈上通以10a～30a直流电流，加热局部反应物料引发燃烧合成反应；局部高频感应加热是采用高频感应线圈，加热局部反应物料引发燃烧合成反应。
12、更进一步地限定，常压燃烧合成反应可以按以下步骤进行操作:
13、步骤a、将混合粉体置于坩埚中，并在混合粉体上方加入点火剂；其中，所述点火剂为镁热反应的fe3o4+mg或mno2+mg或caco3+mg或铝热反应的fe3o4+al或cr2o3+al；
14、步骤b、然后将坩埚放入上开口容器的底部；其中，所述上开口容器的容积为坩埚体积的5倍～500倍，容器高度为坩埚高度的2倍～50倍；
15、步骤c、在上开口容器底部通入二氧化碳或氮气或氩气，使坩埚和上开口容器内部充满气体；
16、步骤d、采用局部电热点火或局部高频感应加热的方式，点燃点火剂，使混合粉体进行燃烧反应，在反应过程中保持通入二氧化碳(或氮气或氩气)，二氧化碳(或氮气或氩气)通入速度为1～1000l/min；其中，局部电热点火是在螺旋状钨丝线圈中通以10a～30a直流电流，加热局部反应物料引发燃烧合成反应；局部高频感应加热是采用高频感应线圈，加热局部反应物料引发燃烧合成反应。
17、进一步地限定，碳纤维可以为短切碳纤维、长碳纤维、碳纤维布、碳纤维预浸料、碳纤维增强聚合物复合材料中的一种或其中几种任意比混合。
18、进一步地限定，碳纤维可以为pan基碳纤维，沥青基碳纤维，生物质碳纤维中的一种或其中几种任意比混合。
19、进一步地限定，碳纤维的直径为0本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种在碳纤维表面共价连接石墨烯的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，燃烧合成反应后产物经酸洗和干燥，即得到在表面共价连接石墨烯的碳纤维。
3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，燃烧合成反应为高压燃烧合成反应或常压燃烧合成反应。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，碳纤维形态为短切碳纤维、长碳纤维、碳纤维布，碳纤维毡，碳纤维编织体等；碳纤维原料为表面无包覆物的纯碳纤维、碳纤维预浸料、带上浆剂的碳纤维和任意种类的碳纤维增强树脂基复合材料；碳纤维类型为PAN基碳纤维，沥青基碳纤维，生物质碳纤维中的一种或其中几种任意比混合。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，有机物为环氧树脂、酚醛树脂、热塑性塑料、聚碳酸酯、双酚A二缩水甘油醚环氧树脂及其衍生物；采用上浆或预浸的方法表面包覆碳纤维表面；碳源为二氧化碳、碳酸盐、草酸盐、有机糖原中的一种或其中几种任意比混合，还原剂是镁或铝。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，有机物与碳纤维的质量比例为(0.001-
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，碳纤维的直径为0.05μm-50μm，长度为0.05mm-2000mm。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，燃烧的气氛可为真空、氮气、氩气、氢氩混合气、CO2；混合采用球磨、均质分散、机械搅拌、搅拌超声、机械研磨中的一种或其中几种任意组合。
9.权利要求1-8任意一项方法制备的表面共价连接石墨烯的碳纤维用于制备碳基、树脂基、金属基、陶瓷基复合材料。
10.根据权利要求9所述应用，其特征在于金属基为铜、铝、镁中的一种。
...【技术特征摘要】
1.一种在碳纤维表面共价连接石墨烯的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，燃烧合成反应后产物经酸洗和干燥，即得到在表面共价连接石墨烯的碳纤维。
3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，燃烧合成反应为高压燃烧合成反应或常压燃烧合成反应。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，碳纤维形态为短切碳纤维、长碳纤维、碳纤维布，碳纤维毡，碳纤维编织体等；碳纤维原料为表面无包覆物的纯碳纤维、碳纤维预浸料、带上浆剂的碳纤维和任意种类的碳纤维增强树脂基复合材料；碳纤维类型为pan基碳纤维，沥青基碳纤维，生物质碳纤维中的一种或其中几种任意比混合。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，有机物为环氧树脂、酚醛树脂、热塑性塑料、聚碳酸酯、双酚a二缩水甘油醚环氧树脂及其衍生物；采...
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