[发明专利]一种石墨烯薄膜修补碳纤维表面孔洞及裂纹的工艺

说明书

一种石墨烯薄膜修补碳纤维表面孔洞及裂纹的工艺，先利用硝酸水溶液对碳纤维进行清洗，浸入双氧水溶液中，在超声仪器中进行氧化处理，用去离子水冲洗碳纤维表面，放入烘箱中进行烘烤；然后将烘烤好的碳纤维送至卧式化学气相沉积炉内，对化学气相沉积炉进行抽真空处理，通入氩气，然后开启加热装置进行升温；再通入氩气进行退火，不间断的扯拉碳纤维；然后将氩气切换成甲烷和氢气进行生长，不间断的扯拉碳纤维；最后关掉氢气，降温；然后关掉甲烷，将温度降至室温或保持在30～37℃恒温状态下；本发明采用石墨烯修复碳纤维表面结构缺陷，进而提高碳纤维的强度，效果和效率均适应于工业化实施。

技术领域

本发明属于碳纤维表面结构缺陷修复技术领域，具体涉及一种石墨烯薄膜修补碳纤维表面孔洞及裂纹的工艺。

背景技术

由于碳纤维具有轴向强度和模量高、无蠕变、耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X 射线透过性好等优点，其已被当做航空航天、交通运输、能源、体育运动、土木建筑等领域复合材料的增强材料进行广泛的研究；但其活性比表面积小、表面能低，且碳纤维与基体之间的结合力小，使得碳纤维复合材料的剪切强度和弯曲强度很低；并且，现有工业级的碳纤维产品的实际强度和弹性模量远达不到设计的理论值，以机械性能为例，拉伸强度、层间剪切强度等一般分别仅为理论值的5％-20％左右。碳纤维的结构缺陷是导致纤维机械性能下降的根本原因，例如：丙烯腈基的碳纤维原丝是通过溶液纺丝法制备而成，原丝在凝固成形的过程中易有溶剂的溢出，从而导致碳纤维结构缺陷。碳纤维的结构缺陷主要包括内部缺陷(孔洞)和表面缺陷(凹陷和裂纹)，而造成纤维机械性能下降的原因，80％以上是来自纤维表面结构缺陷。

现有碳纤维生产企业主要是通过提高原丝质量、改进碳纤维制造过程中的预氧化和碳化工艺等来减少碳纤维结构缺陷的产生，但就现有的碳纤维产品的机械性能仍与设计值存在很大差距。“Nanotube composite carbon fibers” [《Applied Physics Letters》1999,75(9):1329～1334]该文通过将单层壁碳纳米管混入原丝制备沥青基碳纤维，主要弥补了碳纤维内部结构缺陷，据称含5％单壁碳纳米管的沥青基复合碳纤维拉伸强度和弹性模量分别提高了90％和150％，但该方法对表面结构缺陷的弥补作用有限。另外，碳纳米管的表面能极大，要均匀地分散于纺丝原液中绝非易事，故难以实现大规模的工业化应用。因此，碳纤维的“后期修复”的也显得尤为重要。程博闻等在中国专利申请号201010211436.7、201010211437.1、201010211410.2等中采用一种静电喷涂碳纳米管的方法来增强碳纤维的强度，该方法工艺简单，碳纤维强度提高100％；但是由于碳纳米管的长度范围在几微米至几十微米之间，远高于碳纤维表面结构缺陷尺寸(约几十至几百纳米之间)，从而在电喷涂过程中制约碳纳米管进入碳纤维的表面结构缺陷(径向射入)的幅面，致使绝大部分碳纳米管覆盖在碳纤维表面；此外，由于碳纳米管的长径比较大，在静电喷涂过程中，碳纳米管易相互缠结成团，影响喷射效果。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种石墨烯薄膜修补碳纤维表面孔洞及裂纹的工艺，采用石墨烯修复碳纤维表面结构缺陷，进而提高碳纤维的强度，效果和效率均适应于工业化实施。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种石墨烯薄膜修补碳纤维表面孔洞及裂纹的工艺，包括以下步骤：

1)碳纤维表面处理：利用硝酸水溶液对碳纤维进行清洗，将清洗过的碳纤维浸入利用去离子水配置的双氧水溶液中，在超声仪器中进行氧化处理；处理完成后用去离子水冲洗碳纤维表面，最后将冲洗好碳纤维放入烘箱中进行烘烤；