CN105110809A - 石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，以氧化石墨烯和PAN炭布为原料，通过浸渍的方法在碳纤维表面形成氧化石墨烯膜；在高温、氢气气氛中将氧化石墨烯膜还原成石墨烯，随后进行CVI致密化和石墨化处理，得到石墨烯改性的高热导率三维炭/炭复合材料。本发明工艺简单、操作方便，能够显著提高三维炭/炭复合材料的热导率和弯曲强度，实现三维高导热炭/炭复合材料的大尺寸、规模化制备；本发明还可以根据不同的使用要求，调整Z向穿刺纤维的种类、含量和纤维间距，来扩大三维炭/炭复合材料的使用领域，具有很好的市场价值和应用前景。
Description
技术领域：
本发明涉及一种高热导率炭/炭复合材料的制备方法，特别是涉及一种石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法。
背景技术：
随着空间飞行器的发展，飞行器的飞行时间不断延长，服役温度和飞行马赫数（>5Ma）不断提高，并希望此类飞行器能够多次循环使用，这就对热防护材料提出了更为苛刻的要求，即在高温高速氧化性气流的剧烈作用下，材料仍能保持结构稳定性和可靠性。因此世界各国科研工作者不断探索研究新型材料服役于临近空间飞行器耐热结构件上。
碳纤维增强炭复合材料（简称炭/炭复合材料）作为一种新型超高温材料，具有密度小、模量高、强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐磨损、耐热冲击、抗热振等一系列优异性能。作为抗烧蚀、短时使用的材料，炭/炭复合材料在导弹鼻锥、发动机喷管、喉衬等部件上已取得良好的应用。但是将炭/炭复合材料作为热防护材料应用到临近空间飞行器的舵、机翼前缘等小曲率半径零部件上还有诸多问题需要解决，例如耐热构件的高温（>1600oC）长时间抗烧蚀氧化问题、耐热构件服役过程中产生的大量热量的转移传递问题。针对耐热构件的高温抗烧蚀氧化问题，国内已有西北工业大学、中南大学、航天材料及工艺研究所、西安航天复合材料研究所等单位开展了大量的基础研究和构件研制工作。对于耐热构件服役过程中产生的热量的转移传递问题，则主要着眼于提高炭/炭复合材料的热导率。
在微观层面，炭/炭复合材料的热传导主要依赖碳原子的晶格振动，与炭材料微晶结构的有序度成正比。在宏观层面，炭/炭复合材料的热传导取决于碳纤维的含量、种类（聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、中间相沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维）及碳纤维束的取向，并受基体炭类型、纤维/基体炭界面的影响。针对炭/炭复合材料的导热机理及影响导热的因素的分析，提高炭/炭复合材料热导率的措施主要有：（1）使用高导热碳纤维（高模量碳纤维、中间相沥青基碳纤维）；（2）使用微晶有序度高的基体炭（高织构热解碳、中间相沥青炭）；（3）碳纤维/基体炭界面改性，减少界面缺陷，提高界面处的热传导效率。
石墨烯是已知材料中最薄的一种，是炭材料优异性能的基础。石墨烯是单原子厚度的碳原子层，因其具有特殊的力学、量子和电学性质而受到物理和材料学界的广泛重视。国内外已有不少关于制备石墨烯改性复合材料的研究。
中国专利“CN101462889A，石墨烯与碳纤维复合材料及其制备方法”采用石墨烯和碳纤维为主要原料，通过涂覆的方法在碳纤维材料表面涂覆石墨烯涂层，经过热压、焙烧制得石墨烯与碳纤维复合材料。中国专利“CN103467125B，一种提高碳/碳复合材料热导率的方法”提出用硼掺杂石墨烯对碳纤维织物进行浸渍，并将中间相沥青与硼掺杂石墨烯进行混合以其混合物作为浸渍剂，采用浸渍、炭化、石墨化的方法制备出了密度大于1.95g/cm3的炭/炭复合材料，室温热导率在175-197W/m.K。中国专利“CN104211423A，一种石墨烯改性碳/碳复合材料的制备方法”提出以石墨烯溶液涂层处理碳纤维预制体，烘干后进行沥青常压浸渍、炭化、石墨化，经多次循环后制得炭/炭复合材料。石墨烯改性后炭/炭复合材料的弯曲强度、界面剪切强度均有较大程度的提高。中国专利“CN102010218A，一种氧化石墨烯掺杂单向C/C复合材料的制备方法”将石墨烯与沥青浸渍剂进行混合并对单向碳纤维进行浸渍、碳化、石墨化，制备出了高热导率的单向炭/炭复合材料。上述方法中采用石墨烯溶液对碳纤维预制体织物进行浸渍或采用氧化石墨烯与沥青进行混合而后对碳纤维织物进行浸渍。石墨烯溶液浸渍存在浸渍剂在碳纤维织物或预制体内部分布不均的现象，制备出的复合材料的微观组织均匀性差，不能充分发挥石墨烯作为改性剂的作用，而且制备出的材料也多为单向和两维增强的炭/炭复合材料。另外上述方法均是采用压力浸渍碳化的方法来制备炭/炭复合材料，工艺虽较简单，但是工艺放大难度较大。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，该方法能够显著提高三维炭/炭复合材料的热导率，并易于实现三维高导热炭/炭复合材料的大尺寸、规模化制备。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
①将PAN基平纹或缎纹炭布按要求裁成一定尺寸、规格，并进行表面酸洗处理；
②将适量的氧化石墨烯置于水溶液或醇类溶液中进行超声分散；
③用步骤②中所得到的氧化石墨烯的水溶液或醇类溶液对步骤①中的PAN基炭布进行浸渍，取出后放入烘箱中烘干；
④将步骤③烘干后的PAN基炭布以0o/90o的方式进行叠层，并对叠层后的炭布进行Z向穿刺，得碳纤维预制体；
⑤将步骤④中制备的碳纤维预制体置于CVI沉积炉中，在氩气保护下，以10～30oC/min的升温速率升温至700～900oC，保温2小时后通入氢气还原1小时，将氧化石墨烯转换为石墨烯；之后，停止通入氢气并以10～30oC/min的升温速率继续升温至1000～1100oC，保证CVI沉积炉内的压力为10～70kPa，通入甲烷作为碳源气体，并以氩气或者氮气作为稀释气体，进行CVI致密化，制得炭/炭复合材料；
⑥将步骤⑤中得到的炭/炭复合材料进行高温石墨化处理，即得到石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料。
所述步骤②中氧化石墨烯的浓度为0.02～0.08mg/mL。
所述步骤③中PAN基炭布的浸渍压力为0.1～0.5MPa，浸渍保压时间为10～15小时。
所述步骤④中Z向穿刺的炭布的体积含量为10～20%。
本发明与现有技术相比具有如下优势：
（1）本发明通过采用氧化石墨烯溶液对PAN炭布进行浸渍，并进行高温还原处理，在碳纤维表面引入石墨烯，可减少炭/炭复合材料中碳纤维与炭基体界面处的缺陷，提高复合材料的热导率。同时，碳纤维与基体炭界面处的石墨烯还可以改善界面结合，提高复合材料的强度。
（2）通过穿刺在二维炭布叠层碳纤维预制体中引入Z向纤维，能够大幅提高炭/炭复合材料Z向的热导率。同时还可以根据不同的使用要求，调整Z向穿刺纤维的种类、含量、纤维间距，扩大三维炭/炭复合材料的使用领域。
（3）本发明采用可在CVI沉积炉内实现对碳纤维预制体内的氧化石墨化的还原，生成石墨烯，同时还可以进行致密化工艺制备炭/炭复合材料。能够显著提高复合材料的生产效率，而且CVI致密化工艺可同时实现对多种规格和尺寸碳纤维预制体的致密化，有利于规模化生产。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述：
实施例1：
一种石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
①将PAN基平纹或缎纹炭布按要求裁成一定尺寸、规格，并进行表面酸洗处理；
②将适量的氧化石墨烯置于水溶液或醇类溶液中进行超声分散，氧化石墨烯的浓度为0.02mg/mL
③用步骤②中所得到的氧化石墨烯的水溶液或醇类溶液对步骤①中的PAN基炭布进行浸渍，浸渍压力为0.1MPa，浸渍保压时间为10小时，取出后放入烘箱中烘干；
④将步骤③烘干后的PAN基炭布以0o/90o的方式进行叠层，并对叠层后的炭布进行Z向穿刺，得碳纤维预制体，其中：Z向穿刺的炭布的体积含量为10%；
⑤将步骤④中制备的碳纤维预制体置于CVI沉积炉中，在氩气保护下，以10oC/min的升温速率升温至700oC，保温2小时后通入氢气还原1小时，将氧化石墨烯转换为石墨烯；之后，停止通入氢气并以10oC/min的升温速率继续升温至1000oC，保证CVI沉积炉内的压力为10kPa，通入甲烷作为碳源气体，并以氩气或者氮气作为稀释气体，进行CVI致密化，制得炭/炭复合材料；
⑥将步骤⑤中得到的炭/炭复合材料进行高温石墨化处理，即得到石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料。
实施例2：
一种石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
①将PAN基平纹或缎纹炭布按要求裁成一定尺寸、规格，并进行表面酸洗处理；
②将适量的氧化石墨烯置于水溶液或醇类溶液中进行超声分散，氧化石墨烯的浓度为0.04mg/mL
③用步骤②中所得到的氧化石墨烯的水溶液或醇类溶液对步骤①中的PAN基炭布进行浸渍，浸渍压力为0.2MPa，浸渍保压时间为10小时，取出后放入烘箱中烘干；
④将步骤③烘干后的PAN基炭布以0o/90o的方式进行叠层，并对叠层后的炭布进行Z向穿刺，得碳纤维预制体，其中：Z向穿刺的炭布的体积含量为15%；
⑤将步骤④中制备的碳纤维预制体置于CVI沉积炉中，在氩气保护下，以20oC/min的升温速率升温至800oC，保温2小时后通入氢气还原1小时，将氧化石墨烯转换为石墨烯；之后，停止通入氢气并以20oC/min的升温速率继续升温至1050oC，保证CVI沉积炉内的压力为30kPa，通入甲烷作为碳源气体，并以氩气或者氮气作为稀释气体，进行CVI致密化，制得炭/炭复合材料；
⑥将步骤⑤中得到的炭/炭复合材料进行高温石墨化处理，即得到石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料。
实施例3：
一种石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
①将PAN基平纹或缎纹炭布按要求裁成一定尺寸、规格，并进行表面酸洗处理；
②将适量的氧化石墨烯置于水溶液或醇类溶液中进行超声分散，氧化石墨烯的浓度为0.08mg/mL
③用步骤②中所得到的氧化石墨烯的水溶液或醇类溶液对步骤①中的PAN基炭布进行浸渍，浸渍压力为0.5MPa，浸渍保压时间为15小时，取出后放入烘箱中烘干；
④将步骤③烘干后的PAN基炭布以0o/90o的方式进行叠层，并对叠层后的炭布进行Z向穿刺，得碳纤维预制体，其中：Z向穿刺的炭布的体积含量为20%；
⑤将步骤④中制备的碳纤维预制体置于CVI沉积炉中，在氩气保护下，以30oC/min的升温速率升温至900oC，保温2小时后通入氢气还原1小时，将氧化石墨烯转换为石墨烯；之后，停止通入氢气并以25oC/min的升温速率继续升温至1080oC，保证CVI沉积炉内的压力为50kPa，通入甲烷作为碳源气体，并以氩气或者氮气作为稀释气体，进行CVI致密化，制得炭/炭复合材料；
⑥将步骤⑤中得到的炭/炭复合材料进行高温石墨化处理，即得到石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料。
实施例4：
一种石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
①将PAN基平纹或缎纹炭布按要求裁成一定尺寸、规格，并进行表面酸洗处理；
②将适量的氧化石墨烯置于水溶液或醇类溶液中进行超声分散，氧化石墨烯的浓度为0.08mg/mL
③用步骤②中所得到的氧化石墨烯的水溶液或醇类溶液对步骤①中的PAN基炭布进行浸渍，浸渍压力为0.5MPa，浸渍保压时间为15小时，取出后放入烘箱中烘干；
④将步骤③烘干后的PAN基炭布以0o/90o的方式进行叠层，并对叠层后的炭布进行Z向穿刺，得碳纤维预制体，其中：Z向穿刺的炭布的体积含量为20%；
⑤将步骤④中制备的碳纤维预制体置于CVI沉积炉中，在氩气保护下，以30oC/min的升温速率升温至900oC，保温2小时后通入氢气还原1小时，将氧化石墨烯转换为石墨烯；之后，停止通入氢气并以30oC/min的升温速率继续升温至1100oC，保证CVI沉积炉内的压力为70kPa，通入甲烷作为碳源气体，并以氩气或者氮气作为稀释气体，进行CVI致密化，制得炭/炭复合材料；
⑥将步骤⑤中得到的炭/炭复合材料进行高温石墨化处理，即得到石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料。
在实施例1～4中，所制得的石墨烯改性三维炭/炭复合材料的热导率和弯曲强度如表1所示。
表1：不同工艺制备的石墨烯改性三维炭/炭复合材料的热导率和弯曲强度：
从表1可以看出：通过本发明制备生产的石墨烯改性三维炭/炭复合材料，具有较高的热导率和弯曲强度，证明本发明能够显著提高三维炭/炭复合材料的热导率，实现三维高导热炭/炭复合材料的大尺寸、规模化制备。
Claims (4)
1.一种石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
①将PAN基平纹或缎纹炭布按要求裁成一定尺寸、规格，并进行表面酸洗处理；
②将适量的氧化石墨烯置于水溶液或醇类溶液中进行超声分散；
③用步骤②中所得到的氧化石墨烯的水溶液或醇类溶液对步骤①中的PAN基炭布进行浸渍，取出后放入烘箱中烘干；
④将步骤③烘干后的PAN基炭布以0o/90o的方式进行叠层，并对叠层后的炭布进行Z向穿刺，得碳纤维预制体；
⑤将步骤④中制备的碳纤维预制体置于CVI沉积炉中，在氩气保护下，以10～30oC/min的升温速率升温至700～900oC，保温2小时后通入氢气还原1小时，将氧化石墨烯转换为石墨烯；之后，停止通入氢气并以10～30oC/min的升温速率继续升温至1000～1100oC，保证CVI沉积炉内的压力为10～70kPa，通入甲烷作为碳源气体，并以氩气或者氮气作为稀释气体，进行CVI致密化，制得炭/炭复合材料；
⑥将步骤⑤中得到的炭/炭复合材料进行高温石墨化处理，即得到石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤②中氧化石墨烯的浓度为0.02～0.08mg/mL。
3.根据权利要求1所述的石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤③中PAN基炭布的浸渍压力为0.1～0.5MPa，浸渍保压时间为10～15小时。
4.根据权利要求1所述的石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤④中Z向穿刺的炭布的体积含量为10～20%。
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