[发明专利]一种石墨烯纳米带碳纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纳米带碳纤维及其制备方法。

背景技术

碳纤维重量轻，力学性能优异，稳定性极好，且耐腐蚀，在军事、航空航天，汽车，体育器材及风力发电设备等领域具有广泛的应用，是具有重要战略意义的新型材料。目前，世界上主要有日本、美国等近十家公司生产碳纤维，但其技术以及产品对中国禁运。因此，立足于国内，大力支持和自主研发高性能碳纤维是我国《新材料产业十二五发展规划》的一项重要内容和方向。

碳纳米管中碳原子之间通过sp²杂化成键连接，键长0.14纳米，是自然界最稳定、最强的化学键，使碳纳米管具有非常优异的力学性能。现已证明单根单壁碳纳米管杨氏模量达到1TPa，拉伸强度达到50-200GPa，由于碳纳米管性能比碳纤维高一个数量级，延伸率长，可弯曲，又被称为“超级纤维”，因此人们希望由碳纳米管构建成的碳纳米管碳纤维能够比普通碳纤维具有更好的性能。剑桥大学Windle，清华大学范守善、苏州纳米所李清文，天津大学李亚利都开展了碳纳米管类碳纤维研究，但是现有技术中制备的碳纳米管碳纤维比普通碳纤维性能反而还差，尚不及T300碳纤维水平，原因可能是碳纳米管之间的弱作用力导致碳纳米管之间连接较弱。

石墨烯是由碳原子六角结构紧密排列的二维单层石墨，其自被成功制备以来就引起了人们的极大兴趣，其发现者安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2010年被授予诺贝尔物理奖。石墨烯中碳原子的结合也是通过sp²杂化成键，这决定了石墨烯拥有与碳纳米管类似的力学性能，因此可以将石墨烯替代碳纳米管用于构建新型的碳纤维材料。如果将石墨烯替代碳纳米管用于构建新型的碳纤维材料中，进一步需要考虑的问题是石墨烯材料的长径比，即长度和直径之比。材料工程中希望得到的材料的长径比至少是20：1，然而单壁碳纳米管的长径比能达到1000：1以上。因此，如果能够将单壁碳纳米管沿轴向切开，得到石墨烯纳米带，这样即能保持单壁碳纳米管大的长径比（在石墨烯纳米带中体现的就是长宽比），又能够发挥石墨烯中碳原子之间的高强键和的优异特性；同时其石墨烯纳米带之间的堆叠方式又能克服单壁碳纳米管宏观体中管间连接弱的缺陷。因此，石墨烯纳米带的宏量制备及由其构建的新型的碳纤维材料将具有优异的性能和重要的应用前景。

目前，制备石墨烯纳米带的方法主要有金属颗粒刻蚀石墨法、化学自组装法及多壁碳纳米管等离子体刻蚀等方法。其中，金属颗粒刻蚀石墨法得到的石墨烯纳米带含量少，易碎，且易与石墨混杂在一起；化学自组装法制得的石墨烯纳米带长度太短，难以达到较大的长宽比；多壁碳纳米管等离子体刻蚀法制得的石墨烯纳米带宽度较大（一般在15nm以上），边缘不规则，条件难以调控，得到的石墨烯纳米带产率低（重量比小于1％），不适合宏量制备。因此，现有技术的这些方法都不能制备出理想的石墨烯纳米带，利用石墨烯纳米带构建新型的碳纤维材料的进一步研发将不能顺利进行。

因此，对如何制备出理想的石墨烯纳米带，以及更进一步制备出石墨烯纳米带碳纤维有待于研究和发现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中采用金属颗粒刻蚀石墨法、化学自组装法以及多壁碳纳米管等离子体刻蚀等方法制备的石墨烯纳米带易碎、长度短、边缘不规则以及难以调控的缺陷，以及本发明的目的还在于克服采用现有技术中制备的石墨烯纳米带不能构成力学性能优良的石墨烯纳米带碳纤维的缺陷，提供一种新型的石墨烯纳米带碳纤维的制备方法。

本发明提供一种石墨烯纳米带碳纤维的制备方法，该方法包括：

（1）在单壁碳纳米管的表面上镀金属镀层；

（2）采用金属刻蚀法将步骤（1）的表面上镀有金属镀层的单壁碳纳米管蚀刻成石墨烯纳米带；

（3）采用拉丝模将步骤（2）中制备的石墨烯纳米带进行后处理得到石墨烯纳米带碳纤维。

采用本发明的方法制备的石墨烯纳米带碳纤维中，石墨烯纳米带含量多，直径长，长度长，且石墨烯纳米带之间的结合面积大，边缘结合力增大，力学性能更优越。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例1中所述的单根单壁碳纳米管的AFM图像；

图2是本发明实施例1中采用金属刻蚀法将表面镀有镍镀层的单根单壁碳纳米管制备成石墨烯纳米带的AFM图像；