石墨烯增强的树脂基全碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯增强的树脂基全碳复合材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：将碳纳米管薄膜在过氧化氢水溶液中浸泡，再在盐酸水溶液中浸泡，冲洗，进行机械单向拉伸，沉浸在第一液体中，用二氯甲烷冲洗，真空静置，得到处理后薄膜，将处理后薄膜浸入第二液体中，再采用提拉法进行提拉，得到层状结构，再于机械压力下沿层状结构的厚度方向压制，压制时从室温升温至180～200℃，再在惰性气体或氮气环境下从室温升温至1000‑1100℃并于该温度保持30min，冷却至室温，得到石墨烯增强的树脂基全碳复合材料，本发明专利技术通过设计层状结构、层结合面的预处理、石墨烯填料的应用，缓慢固化，利用软相与硬相的紧密结合，使复合材料质地紧密，实现了高导热性。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯增强的树脂基全碳复合材料及其制备方法
本专利技术属于碳碳复合薄膜材料制备
，具体来说涉及一种石墨烯增强的树脂基全碳复合材料及其制备方法。
技术介绍
新型航天器对有效载荷、功能性的要求不断提高，表现为所载电子设备小型化、密集化和高功率化，热控设计难度愈来愈大；电子元器件向着小型化、大功率、高度集成化发展，工作时热流密度快速增加，散热问题愈加突出。对于以上问题其研究焦点均集中于高导热材料的开发([1]ChenH，GinzburgVV，YangJ，etal.Thermalconductivityofpolymer-basedcomposites：fundamentalsandapplications[J].ProgressinPolymerScience，2016，59：41-85.[2]BurgerN，LaachachiA，FerriolM，etal.Reviewofthermalconductivityincomposites：mechanisms，parametersandtheory[J].ProgressinPolymerScience，2016，61：1-28.)。树脂基复合材料具备轻质、高比强度、高比模量、可设计性强等特点，但受基体树脂低导热限制，材料导热性能特别是垂直纤维方向导热性能不佳；以高导热填料改性树脂可有效提高导热性能，但以传统手段制备的树脂基复合材料，由于填料与基体的结合度欠缺无法获得理想的导热率，例如有学者通过非共价结合了10wt％非氧化石墨烯片的环氧基质，其导热系数为1.53W/(m·K)(S.H.Song,K.H.Park,B.H.Kim,Y.W.Choi,G.H.Jun,D.J.Lee,B.S.Kong,K.W.Paik,S.Jeon,Enhancedthermalconductivityofepoxy-graphenecompositesbyusingnon-oxidizedgrapheneflakeswithnon-covalentfunctionalization,Adv.Mater25(2013)732e737,http://dx.doi.org/10.1002/adma.201202736.)。另外，随着纳米填料含量的增加，填料的聚集也阻碍着导热率的提升(Peng,J.S.；Huang,C.J.；Cao,C.；Saiz,E.；Du,Yi.；Dou,S.X.；Tomsia,A.P.；Wagner,H.D.；Jiang,L.；Cheng,Q.F.Inversenacre-likeepoxy-graphenelayerednanocompositeswithintegrationofhightoughnessandself-monitoring.Matter.2020,2,220-232.)。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种石墨烯增强的树脂基全碳复合材料的制备方法，该制备方法提出采用热压固化后玻璃碳化的方法制备了界面结合良好的石墨烯增强的树脂基全碳复合材料，形成了良好的层状结构，达成了石墨烯/树脂复合材料的高导热率的目标。本专利技术的目的是通过下述技术方案予以实现的。一种石墨烯增强的树脂基全碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将碳纳米管薄膜在50～70℃的过氧化氢水溶液中浸泡60～72h，再在盐酸水溶液中浸泡10-12h，用去离子水冲洗，得到纯化碳纳米管薄膜；在所述步骤1)中，所述过氧化氢水溶液的浓度为30～35wt％，盐酸水溶液的浓度为36-38wt％。在所述步骤1)中，所述碳纳米管薄膜为未经压实(处于蓬松状态)。2)对步骤1)所得纯化碳纳米管薄膜进行机械单向拉伸，用于将纯化碳纳米管薄膜上的碳纳米管排列方向调整为一致，得到拉伸后碳纳米管薄膜；在所述步骤2)中，所述机械拉伸的速度不大于5mm/min。3)将拉伸后碳纳米管薄膜沉浸在第一液体中10～15min，用于向拉伸后碳纳米管薄膜表面引入环氧基，用二氯甲烷冲洗拉伸后碳纳米管薄膜，60～80℃真空静置，得到处理后薄膜，其中，第一液体为m-CPBA(间氯过氧苯甲酸)和CH2Cl2的混合物，第一液体中m-CPBA为饱和浓度；在所述步骤3)中，真空静置的时间为30～60min。在所述步骤3)中，所述饱和浓度为室温20～25℃。4)将处理后薄膜浸入第二液体中，再采用提拉法进行提拉，得到层状结构，再于30～35MP的机械压力下沿层状结构的厚度方向压制30～50min，压制时从室温20～25℃升温至180～200℃，压制后自然冷却至室温20～25℃，再在惰性气体或氮气环境下从室温20～25℃升温至1000-1100℃并于该温度保持30min，冷却至室温20～25℃，得到石墨烯增强的树脂基全碳复合材料，其中，第二液体为酚醛树脂、异丙醇和石墨烯的混合物。在所述步骤4)中，所述压制时的升温速率不高于0.4℃/min。在所述步骤4)中，从室温20～25℃升温至1000～1100℃的升温时间为8～10h，升温速率为不高于2℃/min。在所述步骤4)中，按质量份数计，所述酚醛树脂和石墨烯的比为4:1，每35g酚醛树脂和石墨烯的混合物与100mL异丙醇混合。上述制备方法获得的石墨烯增强的树脂基全碳复合材料。本专利技术的有益效果如下：(1)高质量：通过对纯化碳纳米管薄膜进行预先机械拉伸和表面处理，能够有效提高碳纳米管的有序性、减少无定形碳等杂质含量、在表面引入环氧基，从而提高界面结合强度。(2)均匀化：通过设计层状结构，有效避免了石墨烯团聚形成裂纹源，因此为良好韧性提供基础。(3)共强化：通过设计层状结构、层结合面的预处理、石墨烯填料的应用，缓慢固化，利用软相与硬相的紧密结合，使复合材料质地紧密，实现了高导热性。附图说明图1为实施例1所得石墨烯增强的树脂基全碳复合材料的SEM；图2为实施例2所得石墨烯增强的树脂基全碳复合材料的比热容；图3为实施例1所得拉伸后碳纳米管薄膜的SEM；图4为碳纳米管薄膜的SEM。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。在本实施例中，酚醛树脂用FB-90高温树脂和树脂F44混合而成，FB-90高温树脂和树脂F44的质量比为3:1。下述实施例所涉及的药品购买源如下：药品公司FB-90高温树脂蚌埠市天宇高温树脂材料有限公司树脂F44济宁华凯树脂有限公司石墨烯粉哈工大石墨深加工中心碳纳米管薄膜河北碳垣纳米科技有限公司下述实施例所涉及的仪器以及型号如下：实施例1一种石墨烯增强的树脂基全碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将碳纳米管薄膜在60℃的过氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯增强的树脂基全碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)将碳纳米管薄膜在50～70℃的过氧化氢水溶液中浸泡60～72h，再在盐酸水溶液中浸泡10-12h，用去离子水冲洗，得到纯化碳纳米管薄膜；/n2)对步骤1)所得纯化碳纳米管薄膜进行机械单向拉伸，用于将纯化碳纳米管薄膜上的碳纳米管排列方向调整为一致，得到拉伸后碳纳米管薄膜；/n3)将拉伸后碳纳米管薄膜沉浸在第一液体中10～15min，用于向拉伸后碳纳米管薄膜表面引入环氧基，用二氯甲烷冲洗拉伸后碳纳米管薄膜，60～80℃真空静置，得到处理后薄膜，其中，第一液体为m-CPBA和CH

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯增强的树脂基全碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将碳纳米管薄膜在50～70℃的过氧化氢水溶液中浸泡60～72h，再在盐酸水溶液中浸泡10-12h，用去离子水冲洗，得到纯化碳纳米管薄膜；
2)对步骤1)所得纯化碳纳米管薄膜进行机械单向拉伸，用于将纯化碳纳米管薄膜上的碳纳米管排列方向调整为一致，得到拉伸后碳纳米管薄膜；
3)将拉伸后碳纳米管薄膜沉浸在第一液体中10～15min，用于向拉伸后碳纳米管薄膜表面引入环氧基，用二氯甲烷冲洗拉伸后碳纳米管薄膜，60～80℃真空静置，得到处理后薄膜，其中，第一液体为m-CPBA和CH2Cl2的混合物，第一液体中m-CPBA为饱和浓度；
4)将处理后薄膜浸入第二液体中，再采用提拉法进行提拉，得到层状结构，再于30～35MP的机械压力下沿层状结构的厚度方向压制30～50min，压制时从室温20～25℃升温至180～200℃，压制后自然冷却至室温20～25℃，再在惰性气体或氮气环境下从室温20～25℃升温至1000-1100℃并于该温度保持30min，冷却至室温20～25℃，得到石墨烯增强的树脂基全碳复合材料，其中，第二液体为酚醛树脂、异丙醇和石墨烯的混合物。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述过氧化氢水溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈永涛，雷圣宾，吴国领，张恩冰，宋亚儒，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12