[发明专利]一种石墨烯/碳纤维复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及本发明属于复合碳材料制备技术领域,特别涉及一种石墨烯/碳纤维复合材料的制备方法。

背景技术

碳纤维是指经高温碳化,含碳量超过85%以上的纤维材料,包括碳素纤维和石墨纤维。常见的碳纤维有聚丙稀睛基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。碳纤维具有质量轻、耐高温、力学性能好、尺寸稳定性和化学稳定性好等特点。在航天航空、汽车、电子、机械等许多领域有着广泛的应用。

但是碳纤维表面呈惰性,比表面积小,边缘活性碳原子少，表面能低和树脂浸润性及两相界面粘结性差,复合材料层间剪切强度低，从而影响复合材料综合性能的发挥,制约了碳纤维在先进复合材料领域的进一步推广应用。为了改善碳纤维复合材料的性能,须对碳纤维表面进行改性,以提高碳纤维与其他材料的粘结能力。在其实际应用过程中,为了修补缺陷,进一步提高性能,并满足不同的使用需求,经常会在碳纤维表面进行改性或涂覆其它材料以增强其性能。

石墨烯即“单层石墨片”，是具有严格二维结构的碳素纳米材料。自从2004年发现以来，就引起了科研工作者的广泛关注。在碳纤维表面制备石墨烯层能明显改善碳纤维性能，如机械性能、导电性能等。目前制备石墨烯/碳纤维复合材料的方法主要分为两大类。

一类是将石墨烯加入纺丝原液中，在经各种纺丝工艺制备石墨烯掺杂的碳纤维，如专利CN IO253487OA。这类方法需要考虑石墨烯在纺丝原液中的分散问题，并且制备的纤维表面石墨烯修饰程度小，仍无法提供更大的表面积及活性位点。

另一类是在已制备好的碳纤维上再采用涂覆或等离子体处理等方法将石墨烯同碳纤维相结合，如专利CN IO2839534A、专利CN IO1462889A。这类方法能更有效的修饰碳纤维表面，增强其各种性能，但像采用直接涂覆的方法难以可控的制备均匀涂层，而等离子体处理这类方法较为繁琐且需要特殊设备。

目前尚未有采用电泳沉积的方法制备石墨烯/碳纤维复合材料。电泳沉积法是通过石墨烯或氧化石墨对离子的吸附作用而使其带上相应的电荷，在电场的作用下定向移动到导电基体并在表面沉积的方法。这种方法工艺简单、条件易于控制，沉积的石墨烯层均匀致密。

发明内容

本发明的目的是为了解决碳纤维表面呈惰性,比表面积小,边缘活性碳原子少等问题，提供了一种利用电泳沉积制备石墨烯/碳纤维复合材料的方法。

电泳沉积的石墨烯来自于超声剥离，过程中未引入氧化基团，保留了石墨烯优良的性能。所制备的石墨烯/碳纤维复合材料外观均匀致密，拉曼光谱测试证明碳纤维上所沉积的石墨烯为5层以下，并且含氧基团等缺陷少。

本发明的技术方案

一种石墨烯/碳纤维复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）、石墨烯分散液的制备

首先，按石墨:有机溶剂1为1g:1L的比例，将石墨加入到有机溶剂1中，控制温度20-40℃、功率为200W进行超声2-20h，得到分散液；

所述的有机溶剂1为1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、四氢呋喃(THF)、二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮或乙醇等；

所述的石墨为石墨粉或天然鳞片石墨，优选过32目筛；

然后，将上述所得的分散液在4000r/min的转速下离心分离1h，上层清液即为石墨烯分散液，石墨烯分散液中的固体含量优选为0.02g/L；

（2）、带电荷石墨烯分散液的制备：

按有机胺盐:有机溶剂2为1g:1L的比例，将有机胺盐溶于有机溶剂2中得到有机胺盐溶液，所述有机溶剂2与步骤（1）中所用的有机溶剂1相同；

然后，按质量比计算，即有机胺盐：石墨烯为1∶10-10∶1，优选为10:1的比例，将上述所得的有机胺盐溶液加入到步骤（1）中所得的石墨烯分散液中，控制温度20-40℃、功率为200W进行超声10min，以使石墨烯吸附有机胺根离子而带上正电荷，即得带正电荷的石墨烯分散液；

所述的有机胺盐的分子式为                                               ，其中R为含有芳香结构的基团，为Cl^-离子或NO₃^-离子；即为苯胺盐酸盐、二苯胺盐酸盐或联苯胺盐酸盐等含有芳香结构的季胺盐；

（3）、电泳沉积法制备纳米碳材料导电薄膜石墨烯薄膜

在电泳沉积池中以步骤（2）所得的带正电荷的石墨烯分散液作为电泳沉积池的电解液；

以铜、铝或不锈钢等金属，

或以涂覆铜、铝或不锈钢等金属的基底，