一种石墨烯-碳纳米纤维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

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯-碳纳米纤维复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料领域，具体涉及一种石墨烯-碳纳米纤维复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纳米纤维具有强度高、模量高、密度低，低辐射线吸收，抗腐蚀、导电导热等优异性能在航空航天、汽车制造、国防军工等领域有着广泛的应用。石墨烯是一种碳原子以sp2杂化组成的二维碳纳米材料，具有优异的力学，电学，热学性质。将石墨烯与碳纳米纤维进行复合可以增强碳纤维的力学性能和导电导热性能，得到性能更为优异的复合材料。
[0003]近年来人们发展了许多制备石墨烯和碳纳米纤维复合材料的方法。最常用的方法就是物理混合法。比如将分散好的石墨烯溶液和碳纳米纤维混合，使石墨烯吸附在碳纤维表面。利用这种方法获得的复合材料往往在均匀性和稳定性两方面上较差，影响了复合材料的许多性质。另外一种就是通过化学键将石墨烯与碳纳米纤维之间连接起来。比如借助化学反应在石墨烯和碳纳米纤维界面形成酰胺键。与物理混合相比，化学键连的石墨烯与碳纳米纤维之间有较强的相互作用力，有利于提高得到产品的整体性能。然而，目前方法制备过程复杂，难以均匀控制石墨烯和碳纳米纤维的均匀复合，并且得到的石墨烯与碳纳米纤维之间的键连作用仍然比较弱。
[0004]因此，发展一种可以均匀稳定复合石墨烯与碳纳米纤维，且有望实现大批量制备的方法对于推进纳米碳材料的应用十分重要。

技术实现思路

[0005]为了克服上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，研究出一种石墨烯-碳纳米纤维复合材料及其制备方法。基于热化学气相沉积法，首先破坏碳纳米纤维的结构，在碳纳米纤维表面形成不平整的碳缺陷，碳缺陷处活性高。然后在高温下与碳源气体反应，碳缺陷处作为石墨烯生长的成核中心，使得石墨烯在碳纳米纤维上外延生长。所得复合材料中石墨烯与碳纳米纤维之间以sp2碳连接，使得石墨烯在碳纳米纤维表面均匀稳定。所得复合材料的导电性能优异，且制备方法简单，无需金属催化剂或等离子体辅助，原料来源广泛、成本低，可实现大批量制备，从而完成本专利技术。
[0006]本专利技术的目的一方面在于提供一种石墨烯-碳纳米纤维复合材料，其中在碳纳米纤维表面上生长有石墨烯，所述石墨烯与碳纳米纤维之间以sp2碳连接。
[0007]所述碳纳米纤维为一维碳纳米材料，优选选自碳纳米管、生物质衍生碳纤维、高分子衍生碳纤维中的一种或几种。
[0008]本专利技术的另一方面提供一种石墨烯-碳纳米纤维复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0009]步骤1、在碳纳米纤维上形成碳缺陷；
[0010]步骤2、在所述碳缺陷上生长石墨烯。
[0011]步骤1，所述在碳纳米纤维上形成碳缺陷包括：
[0012]步骤1.1、将碳纳米纤维或碳纳米纤维的前驱体置于无氧环境中，升温；
[0013]步骤1.2、通入反应气体和第一惰性气体，保温。
[0014]步骤1.1中，升温至400～1200℃，优选升温至500～1100℃。
[0015]步骤1.2中，所述反应气体选自烃类、醇类、醛类和还原性气体中的一种或几种，所述还原性气体选自水、二氧化碳、一氧化碳、氨气、氢气中的一种或几种；和/或
[0016]所述反应气体与第一惰性气体的流量比为1：(1～10)，优选为1：(1～9)。
[0017]步骤2，在所述碳缺陷上生长石墨烯包括：升温，通入氢气、碳源气体和第二惰性气体，保温。
[0018]步骤2中，升温至800～1800℃，优选为900～1500℃。
[0019]氢气、碳源气体与第二惰性气体的流量比为1：(1～5)：(1～10)。
[0020]本专利技术的再一方面提供一种根据本专利技术第二方面的方法制备得到的石墨烯-碳纳米纤维复合材料。
[0021]本专利技术所具有的有益效果为：
[0022](1)本专利技术所提供的石墨烯-碳纳米纤维复合材料中，石墨烯与碳纳米纤维界面之间为sp2碳连接，结合作用强，且石墨烯在碳纳米纤维上均匀分布；
[0023](2)本专利技术基于热化学气相沉积法，首先在碳纳米纤维表面形成碳缺陷，碳缺陷处活性高，非缺陷处活性低，使得石墨烯在碳缺陷处沿碳纳米纤维外延生长，整个制备过程中无需加入金属催化剂或者等离子体辅助；
[0024](3)本专利技术所得复合材料产品质量高，碳纳米纤维表面的石墨烯生长尺寸可控、密度均匀，所得复合材料具有优异的导电性能和力学性能；
[0025](4)本专利技术所提供的制备方法简单、原料来源广泛、成本低，可大规模制备。
附图说明
[0026]图1示出本专利技术一种优选实施方式的石墨烯-碳纳米纤维复合材料的结构示意图；
[0027]图2示出本专利技术实施例1所制备得到的石墨烯-碳纳米管复合材料的TEM图；
[0028]图3示出本专利技术实施例2所制备得到的石墨烯-碳纳米管复合材料的TEM图；
[0029]图4示出本专利技术实施例3所制备得到的石墨烯-碳纳米纤维复合材料的SEM图和TEM图；
[0030]图5示出本专利技术实验例所得应力应变曲线测试结果和电导率的测试结果。
[0031]附图标号说明：
[0032]1-碳纳米纤维；
[0033]2-石墨烯。
具体实施方式
[0034]下面通过附图和优选实施方式对本专利技术进一步详细说明。通过这些说明，本专利技术的特点和优点将变得更为清楚明确。
[0035]根据本专利技术，提供一种石墨烯-碳纳米纤维复合材料，其中在碳纳米纤维表面上生长有石墨烯，石墨烯与碳纳米纤维通过sp2碳连接。
[0036]根据本专利技术，石墨烯在碳纳米纤维外壁上外延生长，生长的石墨烯在碳纳米纤维上均匀分布。
[0037]根据本专利技术，如图1所示为石墨烯-碳纳米纤维复合材料的结构示意图，1-碳纳米纤维，2-石墨烯，该石墨烯-碳纳米纤维复合材料是通过在碳纳米纤维表面碳缺陷上直接生长石墨烯获得的，石墨烯通过sp2碳连接在碳纳米纤维表面，从侧视图和顶视图可以看出。
[0038]根据本专利技术，该复合材料是基于化学气相沉积原理获得，通过控制生长条件可控制碳纳米纤维表面烯的大小和密度，即使得在碳纳米纤维表面的石墨烯生长尺寸可控、密度均匀。
[0039]根据本专利技术，所述碳纳米纤维是指一维碳纳米材料，所述碳纳米纤维包括碳纳米管、生物质衍生碳纤维、高分子衍生碳纤维等。
[0040]根据本专利技术，碳纳米管为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管和碳纳米管海绵中的一种或几种，优选多壁碳纳米管或碳纳米管海绵，碳纳米管直径没有特别限制，优选为20～30nm。
[0041]根据本专利技术，碳纳米管海绵为自制，优选地，碳纳米管海绵通过以下方法制备：
[0042]将催化剂二茂铁溶解在液态碳源1,2-二氯苯中获得前驱体溶液；
[0043]在预热区将前驱体溶液注入管式炉中并汽化，由氩气和氢气的混合气将汽化后的前驱体带入管式炉反应区，发生反应；
[0044]保温一定时间，自然冷却后，在石英管管壁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-碳纳米纤维复合材料，其特征在于，其中在碳纳米纤维表面上生长有石墨烯，所述石墨烯与碳纳米纤维之间以sp2碳连接。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述碳纳米纤维为一维碳纳米材料，优选选自碳纳米管、生物质衍生碳纤维、高分子衍生碳纤维中的一种或几种。3.一种石墨烯-碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、在碳纳米纤维上形成碳缺陷；步骤2、在所述碳缺陷上生长石墨烯。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1，所述在碳纳米纤维上形成碳缺陷包括：步骤1.1、将碳纳米纤维或碳纳米纤维的前驱体置于无氧环境中，升温；步骤1.2、通入反应气体和第一惰性气体，保温。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1.1中，升温至400～1200℃，优选升温至500...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彦，盛建，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：