CN102795873A - 一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，它涉及一种改性碳/碳复合材料的方法。本发明目的是要解决现有的界面改性方法制备的改性碳/碳复合材料存在不耐高温的缺陷。方法：一、首先将石墨氧化得到氧化石墨粉体；二、制备氧化石墨烯溶液；三、提纯；四、制备石墨烯；五、制备石墨烯/聚合物涂层溶液；六、碳纤维的涂层处理；七、碳化处理。本发明优点：一、操作简单、成本低廉；二、界面性能相比提高了20%～80%，宏观力学性能相比提高了3%～30%，耐烧蚀性能相比提高了10%～50%。本发明主要用于制备石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种改性碳/碳复合材料的方法。
背景技术
碳/碳复合材料是一种性能独特的新型高温材料，综合了纤维增强复合材料优良的力学性能及炭质材料优异的高温性能，具有重量轻、模量高、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优异性能。该材料的密度不到2.0g/cm3，仅为镍基高温合金的1/4，陶瓷材料的1/2，尤其是这种材料随着温度升高(可达2500℃)其强度不仅不降低，甚至比室温还高，这是其它材料所无法比拟的独特的性能。因此，碳/碳复合材料在航空航天领域得到了非常广泛的应用。如战略战术导弹和空间卫星等飞行器系统的关键部位，再入鼻锥、发动机喷管和喉衬等，以及飞机刹车盘、航空发动机的热端部件等。随着航空、航天技术的进一步发展及各国在空间技术上的激烈竞争，对碳/碳复合材料的高温性能、烧蚀性能以及力学性能等提出了越来越高的要求。但是由于碳纤维表面光滑、并且其与基体碳表面均呈惰性，这导致了目前所制备得到的碳/碳复合材料界面性能差，严重限制了复合材料整体性能的发挥。因此，采用界面改性方法制备新型高性能碳/碳复合材料事在必行。然而，碳/碳复合材料制备过程中需要经过几千度的高温，现有的界面改性方法，如纤维表面等离子体改性、液相氧化和气相氧化改性、接枝改性等在高温下均失去效果（高温下惰性气氛下，改性所产生的活性官能团均会发生分解脱落）。因此现有的界面改性方法制备的改性碳/碳复合材料存在不耐高温的缺陷。
发明内容
本发明目的是要解决现有的界面改性方法制备的改性碳/碳复合材料存在不耐高温的缺陷，而提供一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法。
一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，具体是按以下步骤完成：
一、石墨氧化：首先将强氧化酸和硝酸盐混合均匀，然后加入石墨，并从室温降温至-5℃~0℃，混合均匀后在搅拌速度为100rpm~300rpm、滴加速度为80mg/min~120mg/min的条件下加入含钾强氧化剂，然后将升温至10℃~30℃，并继续在搅拌速度为300rpm~500rpm搅拌5h~10h，得到反应混合液，然后将反应液转移至温度为10℃~50℃的温水浴条件下，并继续反应40min~2h，得到反应液，然后加入90℃~100℃的热水反应液沸腾并持续沸腾20min~5h，再加入质量分数为55%~65%的双氧水水溶液，并搅拌混合均匀，然后静置0.5h~1h，再采用超纯水水洗，水洗至离心分离得到的滤饼中无SO4 2-为止，将所得液体过滤，最后在-35℃~-50℃冷冻干燥3h~24h，即得到氧化石墨粉体；
二、制备氧化石墨烯溶液：首先向氧化石墨粉体中加入溶剂，搅拌混匀后得到氧化石墨溶液，然后置于超声振荡器上，并采用直接超声震荡或间接超声震荡，即得到氧化石墨烯溶液；
三、提纯：在离心转速为3000rpm~10000rpm下将步骤二中得到的氧化石墨烯溶液进行离心处理，并将离心得到的上清液在温度为-35℃~-50℃下冷冻干燥3h~24h，即得到氧化石墨烯粉末；
四、制备石墨烯：首先将氧化石墨烯粉末加入溶剂中，并在超声波功率为300W~500W的条件下超声处理10min~60min，然后加入肼，并继续在超声波功率为300W~500W的条件下超声处理20min~40min，然后过滤，并将过滤得到的固体采用去离子水洗涤5~10次，将最后一次水洗得到的固体在温度为-35℃~-50℃下冷冻干燥3h~24h，即得到石墨烯；
五、制备石墨烯/聚合物涂层溶液：在搅拌速度为300rpm~1000rpm下将石墨烯、聚合物依次溶于溶液中，并继续在搅拌速度为300rpm~1000rpm下搅拌10min~60min，即得到石墨烯/聚合物涂层溶液；
六、碳纤维的涂层处理：首先将碳纤维放入石墨烯/聚合物涂层溶液中在功率为150W~300W的超声辅助下浸渍0.5h~1.5h，然后将浸渍后碳纤维取出，并在温度为50℃~150℃下烘干1h~24h，即得到涂层处理过的碳纤维；
七、碳化处理：①、首先将涂层处理过的碳纤维放入模具中，然后抽真空至真空度为-0.5MPa~-1.5MPa为止，并在真空度为-0.5MPa~-1.5MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为2MPa~10MPa、温度为500℃下进行第一次碳化，碳化时间为10h~36h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第一次碳化；②、将第一次碳化后的碳纤维的模具抽真空至真空度为-0.5MPa~-1.5MPa为止，并在真空度为-0.5MPa~-1.5MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为2MPa~10MPa、温度为800℃下进行第二次碳化，碳化时间为10h~36h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第二次碳化；③、将第二次碳化后的碳纤维的模具抽真空至真空度为-0.5MPa~-1.5MPa为止，并在真空度为-0.5MPa~-1.5MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为2MPa~10MPa、温度为1200℃下进行第三次碳化，碳化时间为10h~36h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第三次碳化；④、以步骤七①至步骤七③操作操作过程为一个碳化周期，共经历2~6个碳化周期；⑤、将碳化后的碳纤维的模具加热至2200℃~2400℃，并在10MPa~15MPa下进行石墨化处理10h~24h，即得到石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料；
步骤一中所述的强氧化酸与硝酸盐的质量比为(2~40):1；步骤一中所述加入的石墨与硝酸盐的质量比为(0.4~8):1；步骤一中所述加入的含钾强氧化剂与硝酸盐的质量比为(0.4~10):1；步骤一中所述加入的55%~65%双氧水水溶液与硝酸盐的质量比为(10~40):1；步骤二中所述加入的溶液与氧化石墨固体的质量比为100:(0.01~5.00)；步骤四中所述的氧化石墨烯粉末与溶剂的质量比为100:(0.01~0.5)；步骤四中所述加入的肼与溶剂的质量比为1:(2~5000)；步骤五中所述的石墨烯与聚合物的质量比为1:(1~100)；步骤五中所述的石墨烯和聚合物的总质量与溶液的质量比为1:(1~1000)。
本发明优点：一、本发明提供一种操作简单、成本低廉、效果显著的碳/碳复合材料界面改性方法；二、本发明利用石墨烯层片与基体石墨化后的主要产物——石墨层片相似的特点，采用石墨烯/聚合物涂层对碳/碳复合材料进行界面改性，首先保证改性后石墨烯/聚合物涂层仍然存在，不会因为高温而消失，其次，保证改性后碳/碳复合材料的界面性能有显著提高，通过具体检测可知本发明制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的界面性能与未处理的碳/碳复合材料的界面性能相比提高了20%~80%，本发明制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的宏观力学性能与未处理的碳/碳复合材料的宏观力学性能相比提高了3%~30%，本发明制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的耐烧蚀性能与未处理的碳/碳复合材料的耐烧蚀性能相比提高了10%~50%。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，具体是按以下步骤完成：
一、石墨氧化：首先将强氧化酸和硝酸盐混合均匀，然后加入石墨，并从室温降温至-5℃~0℃，混合均匀后在搅拌速度为100rpm~300rpm、滴加速度为80mg/min~120mg/min的条件下加入含钾强氧化剂，然后将升温至10℃~30℃，并继续在搅拌速度为300rpm~500rpm搅拌5h~10h，得到反应混合液，然后将反应液转移至温度为10℃~50℃的温水浴条件下，并继续反应40min~2h，得到反应液，然后加入90℃~100℃的热水反应液沸腾并持续沸腾20min~5h，再加入质量分数为55%~65%的双氧水水溶液，并搅拌混合均匀，然后静置0.5h~1h，再采用超纯水水洗，水洗至离心分离得到的滤饼中无SO4 2-为止，将所得液体过滤，最后在-35℃~-50℃冷冻干燥3h~24h，即得到氧化石墨粉体；
二、制备氧化石墨烯溶液：首先向氧化石墨粉体中加入溶剂，搅拌混匀后得到氧化石墨溶液，然后置于超声振荡器上，并采用直接超声震荡或间接超声震荡，即得到氧化石墨烯溶液；
三、提纯：在离心转速为3000rpm~10000rpm下将步骤二中得到的氧化石墨烯溶液进行离心处理，并将离心得到的上清液在温度为-35℃~-50℃下冷冻干燥3h~24h，即得到氧化石墨烯粉末；
四、制备石墨烯：首先将氧化石墨烯粉末加入溶剂中，并在超声波功率为300W~500W的条件下超声处理10min~60min，然后加入肼，并继续在超声波功率为300W~500W的条件下超声处理20min~40min，然后过滤，并将过滤得到的固体采用去离子水洗涤5~10次，将最后一次水洗得到的固体在温度为-35℃~-50℃下冷冻干燥3h~24h，即得到石墨烯；
五、制备石墨烯/聚合物涂层溶液：在搅拌速度为300rpm~1000rpm下将石墨烯、聚合物依次溶于溶液中，并继续在搅拌速度为300rpm~1000rpm下搅拌10min~60min，即得到石墨烯/聚合物涂层溶液；
六、碳纤维的涂层处理：首先将碳纤维放入石墨烯/聚合物涂层溶液中在功率为150W~300W的超声辅助下浸渍0.5h~1.5h，然后将浸渍后碳纤维取出，并在温度为50℃~150℃下烘干1h~24h，即得到涂层处理过的碳纤维；
七、碳化处理：①、首先将涂层处理过的碳纤维放入模具中，然后抽真空至真空度为-0.5MPa~-1.5MPa为止，并在真空度为-0.5MPa~-1.5MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为2MPa~10MPa、温度为500℃下进行第一次碳化，碳化时间为10h~36h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第一次碳化；②、将第一次碳化后的碳纤维的模具抽真空至真空度为-0.5MPa~-1.5MPa为止，并在真空度为-0.5MPa~-1.5MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为2MPa~10MPa、温度为800℃下进行第二次碳化，碳化时间为10h~36h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第二次碳化；③、将第二次碳化后的碳纤维的模具抽真空至真空度为-0.5MPa~-1.5MPa为止，并在真空度为-0.5MPa~-1.5MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为2MPa~10MPa、温度为1200℃下进行第三次碳化，碳化时间为10h~36h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第三次碳化；④、以步骤七①至步骤七③操作操作过程为一个碳化周期，共经历2~6个碳化周期；⑤、将碳化后的碳纤维的模具加热至2200℃~2400℃，并在10MPa~15MPa下进行石墨化处理10h~24h，即得到石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料；
本实施方式步骤一中所述的强氧化酸与硝酸盐的质量比为(2~40):1；本实施方式步骤一中所述加入的石墨与硝酸盐的质量比为(0.4~8):1；本实施方式步骤一中所述加入的含钾强氧化剂与硝酸盐的质量比为(0.4~10):1；本实施方式步骤一中所述加入的55%~65%双氧水水溶液与硝酸盐的质量比为(10~40):1。
本实施方式步骤二中所述加入的溶液与氧化石墨固体的质量比为100:(0.01~5.00)。
本实施方式步骤四中所述的氧化石墨烯粉末与溶剂的质量比为100:(0.01~0.5)；本实施方式步骤四中所述加入的肼与溶剂的质量比为1:(2~5000)。
本实施方式步骤五中所述的石墨烯与聚合物的质量比为1:(1~100)；本实施方式步骤五中所述的石墨烯和聚合物的总质量与溶液的质量比为1:(1~1000)。
石墨烯（10层及以下石墨纳米层片统称为石墨烯）具有在力学、电磁和化学方面极突出的性质。石墨片层是基体石墨化后的主要产物，因此，采用石墨烯对碳/碳复合材料进行界面改性成为最佳选择。它的引入不仅使石墨层片生长具有可控性，优化界面结构，形成界面过渡层，而且可以有效抑制因纤维与基体炭收缩率不同而在界面上产生的裂纹、孔隙等界面缺陷，提高碳/碳复合材料界面性能以及宏观综合性能。
本实施方式提供一种操作简单、成本低廉、效果显著的碳/碳复合材料界面改性方法。
本实施方式利用石墨烯层片与基体石墨化后的主要产物——石墨层片相似的特点，采用石墨烯/聚合物涂层对碳/碳复合材料进行界面改性，首先保证改性后石墨烯/聚合物涂层仍然存在，不会因为高温而消失，其次，保证改性后碳/碳复合材料的界面性能有显著提高，通过具体检测可知本实施方式制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的界面性能与未处理的碳/碳复合材料的界面性能相比提高了20%~50%，本实施方式制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的宏观力学性能与未处理的碳/碳复合材料的宏观力学性能相比提高了10%~30%，本实施方式制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的耐烧蚀性能与未处理的碳/碳复合材料的耐烧蚀性能相比提高了10%~50%。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中所述的硝酸盐为硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、硝酸镁等；步骤一中所述的强氧化酸为浓硫酸或高氯酸；步骤一中所述的含钾强氧化剂为高锰酸钾或高氯酸钾。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一的不同点是：步骤一中所述的水洗具体操作如下：首先将静置后的混合物在离心速度为4000rpm~6000rpm下离心20min~40min，得到固体，然后向固体中加入超纯水，并在搅拌速度为50rm~150rmp下搅拌8min~12min，再在离心速度为3000rpm~12000rpm下离心20min~40min，即得到一次水洗后固体，得到的水洗后固体中继续重复加入超纯水、搅拌和离心分离操作，至离心分离得到的上清液中无SO4 2-为止，即离心分离得到的滤饼中无SO4 2-为止。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同点是：步骤二中所述的溶液选自水、乙醇、丙酮、乙醚、氯仿、苯、甲苯、乙二醇、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、石油醚、卤代烃、乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氯化碳、脂肪烃、芳香烃、有机氯化物、吡啶、乙二胺和二硫化碳。其他与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点是：步骤二中所述的直接超声震荡具体操作如下：首先将振头直接插入氧化石墨溶液中，然后在超声波功率为100W~500W，超声振荡时间为0.5h~2h。其他与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：步骤二中所述的间接超声震荡具体操作如下：首先将氧化石墨溶液置于水浴条件下，然后振头先作用于水中，通过水介质将超声波能量传递给所要震荡的氧化石墨溶液中，间接超声震荡的超声波功率为300W~2000W，超声振荡时间为2h~12h。其他与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同点是：步骤四中所述的溶剂选自水、乙醇、丙酮、乙醚、氯仿、苯、甲苯、乙二醇、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、石油醚、卤代烃、乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氯化碳、脂肪烃、芳香烃、有机氯化物、吡啶、乙二胺和二硫化碳。其他与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一的不同点是：步骤五中所述的聚合物为热固性树脂体系或热塑性树脂体系，所述的热固性树脂体系为环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂、沥青树脂、聚酰胺树脂、双马来酰胺树脂、聚芳基乙炔树脂、降冰片烯封端的聚酰亚胺树脂、含硅芳炔树脂、炔基聚酰亚胺树脂、氰酸树脂、苯并环丁烯树脂或聚三唑树脂，所述的热塑性树脂体系为聚砜树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯并咪唑树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚氯丁烯树脂。其他与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一的不同点是：步骤五中所述的溶液为水、乙醇、丙酮、乙醚、氯仿、苯、甲苯、乙二醇、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、石油醚、卤代烃、乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氯化碳、脂肪烃、芳香烃、有机氯化物、吡啶、乙二胺或二硫化碳。其他与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一的不同点是：步骤七中所述的基体树脂体为酚醛树脂、沥青、聚芳基乙炔树脂、聚酰胺树脂、双马来酰胺树脂或炔基聚酰亚胺树脂。其他与具体实施方式一至九相同。
采用下述试验验证本发明效果：
试验一：一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，具体是按以下步骤完成：
一、石墨氧化：首先将强氧化酸和硝酸盐混合均匀，然后加入石墨，并从室温降温至-2℃，混合均匀后在搅拌速度为200rpm、滴加速度为100mg/min的条件下加入含钾强氧化剂，然后将升温至20℃，并继续在搅拌速度为400rpm搅拌7.5h，得到反应混合液，然后将反应液转移至温度为30℃的温水浴条件下，并继续反应80min，得到反应液，然后加入95℃的热水反应液沸腾并持续沸腾160min，再加入质量分数为60%的双氧水水溶液，并搅拌混合均匀，然后静置40min，再采用超纯水水洗，水洗至离心分离得到的滤饼中无SO4 2-为止，将所得液体过滤，最后在-40℃冷冻干燥12h，即得到氧化石墨粉体；
二、制备氧化石墨烯溶液：首先向氧化石墨粉体中加入溶剂，搅拌混匀后得到氧化石墨溶液，然后置于超声振荡器上，并采用直接超声震荡或间接超声震荡，即得到氧化石墨烯溶液；
三、提纯：在离心转速为6500rpm下将步骤二中得到的氧化石墨烯溶液进行离心处理，并将离心得到的上清液在温度为-40℃下冷冻干燥12h，即得到氧化石墨烯粉末；
四、制备石墨烯：首先将氧化石墨烯粉末加入溶剂中，并在超声波功率为400W的条件下超声处理35min，然后加入肼，并继续在超声波功率为400W的条件下超声处理30min，然后过滤，并将过滤得到的固体采用去离子水洗涤8次，将最后一次水洗得到的固体在温度为-40℃下冷冻干燥12h，即得到石墨烯；
五、制备石墨烯/聚合物涂层溶液：在搅拌速度为650rpm下将石墨烯、聚合物依次溶于溶液中，并继续在搅拌速度为650rpm下搅拌35min，即得到石墨烯/聚合物涂层溶液；
六、碳纤维的涂层处理：首先将碳纤维放入石墨烯/聚合物涂层溶液中在功率为200W的超声辅助下浸渍1h，然后将浸渍后碳纤维取出，并在温度为100℃下烘干12h，即得到涂层处理过的碳纤维；
七、碳化处理：①、首先将涂层处理过的碳纤维放入模具中，然后抽真空至真空度为-1.0MPa为止，并在真空度为-1.0MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为6MPa、温度为500℃下进行第一次碳化，碳化时间为23h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第一次碳化；②、将第一次碳化后的碳纤维的模具抽真空至真空度为-1.0MPa为止，并在真空度为-1.0MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为6MPa、温度为800℃下进行第二次碳化，碳化时间为23h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第二次碳化；③、将第二次碳化后的碳纤维的模具抽真空至真空度为-1.0MPa为止，并在真空度为-1.0MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为6MPa、温度为1200℃下进行第三次碳化，碳化时间为23h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第三次碳化；④、以步骤七①至步骤七③操作操作过程为一个碳化周期，共经历4个碳化周期；⑤、将碳化后的碳纤维的模具加热至2300℃，并在13MPa下进行石墨化处理17h，即得到石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料；
本实验步骤一中所述的强氧化酸与硝酸盐的质量比为10:1；本实验步骤一中所述加入的石墨与硝酸盐的质量比为4:1；本实验步骤一中所述加入的含钾强氧化剂与硝酸盐的质量比为5:1；本实验步骤一中所述加入的60%双氧水水溶液与硝酸盐的质量比为25:1。
本实验步骤一中所述的硝酸盐为硝酸钠；本实验步骤一中所述的强氧化酸为浓硫酸；本实验步骤一中所述的含钾强氧化剂为高锰酸钾。
本实验步骤一中所述的水洗具体操作如下：首先将静置后的混合物在离心速度为5000rpm下离心30min，得到固体，然后向固体中加入超纯水，并在搅拌速度为100rmp下搅拌10min，再在离心速度为7500rpm下离心30min，即得到一次水洗后固体，得到的水洗后固体中继续重复加入超纯水、搅拌和离心分离操作，至离心分离得到的上清液中无SO4 2-为止，即离心分离得到的滤饼中无SO4 2-为止。
本实验步骤二中所述加入的溶液与氧化石墨固体的质量比为100:2。
本实验步骤二中所述的溶液为乙醇。
本实验步骤二中所述的直接超声震荡具体操作如下：首先将振头直接插入氧化石墨溶液中，然后在超声波功率为300W，超声振荡时间为1h。
本实验步骤四中所述的氧化石墨烯粉末与溶剂的质量比为100:0.2；本实验步骤四中所述加入的肼与溶剂的质量比为1:200。
本实验步骤四中所述的溶剂为乙醇。
本实验步骤五中所述的石墨烯与聚合物的质量比为1:50；本实验步骤五中所述的石墨烯和聚合物的总质量与溶液的质量比为1:500。
本实验步骤五中所述的聚合物为酚醛树脂。
本实验步骤五中所述的溶液丙酮。
本实验步骤七中所述的基体树脂体为沥青。
采用束顶出试验测试本试验制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的界面性能和未处理的碳/碳复合材料的界面性能，本试验制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的界面剪切强度为4.28MPa，未处理的碳/碳复合材料的界面剪切强度为2.72MPa，通过对比可知本试验制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的界面性能与未处理的碳/碳复合材料的界面性能相比提高了57.35%。
采用三点弯曲试验测试本试验制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的宏观力学性能和未处理的碳/碳复合材料的宏观力学性能，本试验制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的弯曲强度为8.17MPa，未处理的碳/碳复合材料的弯曲强度为7.83MPa，通过对比可知本试验制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的宏观力学性能与未处理的碳/碳复合材料的宏观力学性能相比提高了4.34%。
采用氧乙炔焰烧蚀（喷嘴距样品表面20mm，火焰与样品夹角为90°，氧气与乙炔气的混合比大于4:1，火焰温度大于2000℃）的方法对本试验制备的石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的耐烧蚀性能和未处理的碳/碳复合材料的耐烧蚀性能，改性后的碳/碳复合材料的线烧蚀率约为0.007mm/s，比未处理的碳/碳复合材料的抗烧蚀率提高40%以上。
Claims (10)
1.一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，其特征在于石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法是按以下步骤完成：
一、石墨氧化：首先将强氧化酸和硝酸盐混合均匀，然后加入石墨，并从室温降温至-5℃~0℃，混合均匀后在搅拌速度为100rpm~300rpm、滴加速度为80mg/min~120mg/min的条件下加入含钾强氧化剂，然后将升温至10℃~30℃，并继续在搅拌速度为300rpm~500rpm搅拌5h~10h，得到反应混合液，然后将反应液转移至温度为10℃~50℃的温水浴条件下，并继续反应40min~2h，得到反应液，然后加入90℃~100℃的热水反应液沸腾并持续沸腾20min~5h，再加入质量分数为55%~65%的双氧水水溶液，并搅拌混合均匀，然后静置0.5h~1h，再采用超纯水水洗，水洗至离心分离得到的滤饼中无SO4 2-为止，将所得液体过滤，最后在-35℃~-50℃冷冻干燥3h~24h，即得到氧化石墨粉体；
二、制备氧化石墨烯溶液：首先向氧化石墨粉体中加入溶剂，搅拌混匀后得到氧化石墨溶液，然后置于超声振荡器上，并采用直接超声震荡或间接超声震荡，即得到氧化石墨烯溶液；
三、提纯：在离心转速为3000rpm~10000rpm下将步骤二中得到的氧化石墨烯溶液进行离心处理，并将离心得到的上清液在温度为-35℃~-50℃下冷冻干燥3h~24h，即得到氧化石墨烯粉末；
四、制备石墨烯：首先将氧化石墨烯粉末加入溶剂中，并在超声波功率为300W~500W的条件下超声处理10min~60min，然后加入肼，并继续在超声波功率为300W~500W的条件下超声处理20min~40min，然后过滤，并将过滤得到的固体采用去离子水洗涤5~10次，将最后一次水洗得到的固体在温度为-35℃~-50℃下冷冻干燥3h~24h，即得到石墨烯；
五、制备石墨烯/聚合物涂层溶液：在搅拌速度为300rpm~1000rpm下将石墨烯、聚合物依次溶于溶液中，并继续在搅拌速度为300rpm~1000rpm下搅拌10min~60min，即得到石墨烯/聚合物涂层溶液；
六、碳纤维的涂层处理：首先将碳纤维放入石墨烯/聚合物涂层溶液中在功率为150W~300W的超声辅助下浸渍0.5h~1.5h，然后将浸渍后碳纤维取出，并在温度为50℃~150℃下烘干1h~24h，即得到涂层处理过的碳纤维；
七、碳化处理：①、首先将涂层处理过的碳纤维放入模具中，然后抽真空至真空度为-0.5MPa~-1.5MPa为止，并在真空度为-0.5MPa~-1.5MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为2MPa~10MPa、温度为500℃下进行第一次碳化，碳化时间为10h~36h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第一次碳化；②、将第一次碳化后的碳纤维的模具抽真空至真空度为-0.5MPa~-1.5MPa为止，并在真空度为-0.5MPa~-1.5MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为2MPa~10MPa、温度为800℃下进行第二次碳化，碳化时间为10h~36h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第二次碳化；③、将第二次碳化后的碳纤维的模具抽真空至真空度为-0.5MPa~-1.5MPa为止，并在真空度为-0.5MPa~-1.5MPa下将基体树脂吸入模具中直至基体树脂充满模具为止，然后在压力为2MPa~10MPa、温度为1200℃下进行第三次碳化，碳化时间为10h~36h，即完成模具内涂层处理过的碳纤维的第三次碳化；④、以步骤七①至步骤七③操作操作过程为一个碳化周期，共经历2~6个碳化周期；⑤、将碳化后的碳纤维的模具加热至2200℃~2400℃，并在10MPa~15MPa下进行石墨化处理10h~24h，即得到石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料；
步骤一中所述的强氧化酸与硝酸盐的质量比为(2~40):1；步骤一中所述加入的石墨与硝酸盐的质量比为(0.4~8):1；步骤一中所述加入的含钾强氧化剂与硝酸盐的质量比为(0.4~10):1；步骤一中所述加入的55%~65%双氧水水溶液与硝酸盐的质量比为(10~40):1；步骤二中所述加入的溶液与氧化石墨固体的质量比为100:(0.01~5.00)；步骤四中所述的氧化石墨烯粉末与溶剂的质量比为100:(0.01~0.5)；步骤四中所述加入的肼与溶剂的质量比为1:(2~5000)；步骤五中所述的石墨烯与聚合物的质量比为1:(1~100)；步骤五中所述的石墨烯和聚合物的总质量与溶液的质量比为1:(1~1000)。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述的硝酸盐为硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、硝酸镁等；步骤一中所述的强氧化酸为浓硫酸或高氯酸；步骤一中所述的含钾强氧化剂为高锰酸钾或高氯酸钾。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述的水洗具体操作如下：首先将静置后的混合物在离心速度为4000rpm~6000rpm下离心20min~40min，得到固体，然后向固体中加入超纯水，并在搅拌速度为50rm~150rmp下搅拌8min~12min，再在离心速度为3000rpm~12000rpm下离心20min~40min，即得到一次水洗后固体，得到的水洗后固体中继续重复加入超纯水、搅拌和离心分离操作，至离心分离得到的上清液中无SO4 2-为止，即离心分离得到的滤饼中无SO4 2-为止。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤二中所述的溶液选自水、乙醇、丙酮、乙醚、氯仿、苯、甲苯、乙二醇、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、石油醚、卤代烃、乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氯化碳、脂肪烃、芳香烃、有机氯化物、吡啶、乙二胺和二硫化碳。
5.根据权利要求4所述的一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤二中所述的直接超声震荡具体操作如下：首先将振头直接插入氧化石墨溶液中，然后在超声波功率为100W~500W，超声振荡时间为0.5h~2h。
6.根据权利要求4所述的一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤二中所述的间接超声震荡具体操作如下：首先将氧化石墨溶液置于水浴条件下，然后振头先作用于水中，通过水介质将超声波能量传递给所要震荡的氧化石墨溶液中，间接超声震荡的超声波功率为300W~2000W，超声振荡时间为2h~12h。
7.根据权利要求5或6所述的一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤四中所述的溶剂选自水、乙醇、丙酮、乙醚、氯仿、苯、甲苯、乙二醇、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、石油醚、卤代烃、乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氯化碳、脂肪烃、芳香烃、有机氯化物、吡啶、乙二胺和二硫化碳。
8.根据权利要求7所述的一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤五中所述的聚合物为热固性树脂体系或热塑性树脂体系，所述的热固性树脂体系为环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂、沥青树脂、聚酰胺树脂、双马来酰胺树脂、聚芳基乙炔树脂、降冰片烯封端的聚酰亚胺树脂、含硅芳炔树脂、炔基聚酰亚胺树脂、氰酸树脂、苯并环丁烯树脂或聚三唑树脂，所述的热塑性树脂体系为聚砜树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯并咪唑树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚氯丁烯树脂。
9.根据权利要求8所述的一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤五中所述的溶液为水、乙醇、丙酮、乙醚、氯仿、苯、甲苯、乙二醇、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、石油醚、卤代烃、乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氯化碳、脂肪烃、芳香烃、有机氯化物、吡啶、乙二胺或二硫化碳。
10.根据权利要求1、2、3、4、或9所述的一种石墨烯/聚合物涂层界面改性碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤七中所述的基体树脂体为酚醛树脂、沥青、聚芳基乙炔树脂、聚酰胺树脂、双马来酰胺树脂或炔基聚酰亚胺树脂。
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Application publication date: 20121128 |