[发明专利]复合材料系统

说明书

一种复合材料包含聚合物和含有石墨烯的材料。所述聚合物包含填料，其被配置为在所述复合材料的一个或多个相应的较大区域上分布所述复合材料的一个或多个应力集中区域。所述含有石墨烯的材料可以基于所述含有石墨烯的材料的褶皱，至少部分地混合至所述聚合物中，在所述聚合物的一个或多个暴露表面中。在一些实施方式中，所述褶皱可以增加所述聚合物与所述含有石墨烯的材料之间的键合。在一些情况下，所述填料可以包含多个碳纤维层，其与有机金属材料交叉以形成被配置成增强所述复合材料的相互连接的基质。

技术领域

本公开涉及用于制造和使用含有碳和聚合物的复合材料系统的技术。

背景技术

通常通过将碳材料和有时纤维与聚合物树脂混合来形成复合材料以增强形成的复合材料的特性，诸如增强机械特性、电特性和其他特性。例如，碳可用作增强材料，在重量轻的同时为形成的复合材料提供高拉伸强度。在另一个实例中，碳可以用于增加原本非导电聚合物的导电性。

已经对改进聚合物复合材料的性能的方法进行了广泛研究。已经研究了混合技术(诸如溶液混合和熔体处理)以及相关参数(诸如溶剂类型和不同粘度)以改进碳材料在树脂中分散的均匀性。还研究了在聚合物熔体内对齐碳纤维和CNT以及对齐对形成的复合材料的所得特性的影响。将碳官能化的化学技术已用于试图增加碳与聚合物之间的键合相互作用。

迄今为止已使用的碳为以下碳：(1)石墨烯片材或类石墨烯碳结构或(2)石墨颗粒或石墨衍生颗粒。

不幸的是，石墨烯片材或类石墨烯碳结构不能提供足够用于官能化和与聚合物键合的活性位点，并且不幸的是，石墨颗粒或石墨衍生颗粒不能提供足够用于与聚合物键合的表面积。

需要一种制造表现出高表面积以及高活性面积的碳结构的方法。需要一种制造和使用表现出不同于石墨烯片材或石墨颗粒的形态的碳的方法。

发明内容

方法包括：在等离子体反应器和/或其他反应器中产生调节碳结构；以及将调节碳结构与聚合物组合以形成复合材料。调节碳结构包括褶皱石墨烯。方法还包括在等离子体反应器内原位地、在液体收集设施中或在另一个后处理设施中将调节碳结构官能化。等离子体反应器具有：第一控制，其用于调节所得调节碳结构的比表面积；以及独立的第二控制，其用于调节调节碳结构的比活性面积。通过将调节碳结构与聚合物混合所得到的复合材料产生表现出优秀的机械特性的复合材料。在褶皱石墨烯与聚合物之间起作用的物理和化学机制是这些优秀的机械特性的原因。

附图说明

下文所述的附图仅用于说明目的。附图不旨在限制本公开的范围。

图1A-图1B显示根据一些实施方式的等离子体反应器的示意图。

图2显示如本领域中已知的用石墨烯纳米片形成复合材料的示意图。

图3A显示根据一些实施方式的3D石墨烯颗粒的示意图。

图3B显示根据一些实施方式的3D石墨烯和聚合物的复合材料的示意图。

图4A-图4E显示根据一些实施方式的碳材料与树脂的组合的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图5A-图5B显示根据一些实施方式的用于结合到碳-树脂复合材料中的纤维的示意图。

图6显示根据一些实施方式的生长在纤维上的碳材料的示意图。

图7A-图7D显示根据一些实施方式的生长至纤维上的碳材料的SEM图像。

图8A-图8B显示根据一些实施方式的示出官能化碳材料的图像。

图9显示根据一些实施方式的场增强波导的示意图。

图10A-图10B显示根据一些实施方式的将能量添加至复合材料中的示意图。