CN113480833A - 一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：将催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；将负载催化剂置于反应容器中，向反应容器内通入惰性气体，再通入碳源气体，升温至碳源气体分解的温度，并保温20～60min，再通入惰性气体置换多余的碳源气体，冷却后得到螺旋碳纤维；将石墨烯或氧化石墨烯分散在水中得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸没在悬浊液中，干燥，将干燥后的固体加热至900～1200℃，并保温1～6h，得到石墨烯/螺旋碳纤维；将石墨烯/螺旋碳纤维加入到环氧树脂中并升高温度至90～130℃，抽真空，再升温至140～180℃，固化3～10h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料；本发明制备的复合材料具有优异的力学性能与导电性能。

Description

一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料的技术领域，尤其涉及一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法。
背景技术
复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，组成具有新性能的材料，不同材料在性能上互相取长补短。石墨烯因具有特殊的晶体结构和良好的性能，石墨烯在改善树脂基复合材料的力、热、电等性能方面具有巨大的潜力。
目前石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法主要有以下三种：第一种，石墨烯粉体直接加入环氧中进行搅拌或超声分散，随后加入交联剂进行固化成型。第二种，石墨烯粉体经过硅烷偶联剂改性以后加入环氧中进行分散并最后固化成型。第三种，石墨烯粉体首先预分散在有机溶剂中(如四氢呋喃或丙酮)，随后将分散好的溶剂分散液和环氧树脂进行共混，混合均匀之后将其中的溶剂挥发干净，然后加入固化剂固化成型。
上述制备方法存在以下缺陷：第一种，石墨烯非常容易发生团聚，导致石墨烯用量增加，环氧树脂的最终力学性能和导电性能受到不利影响。第二种，表面改性会破坏石墨烯本身的结构，从而影响其导电性能。最终使环氧复合材料的导电性能降低。第三种，使用溶剂进行预分散虽然能使石墨烯在环氧树脂中均匀分散，但是溶剂的使用和挥发会造成环境污染，而且溶剂如果残留于环氧树脂中，会对树脂的力学性能造成损害。
发明内容
本发明提供一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。
本发明一方面提供一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；
S2、将负载催化剂置于反应容器中，并向反应容器内通入惰性气体以排出反应容器内的空气，然后通入碳源气体，将反应容器内温度升高至碳源气体分解的温度，并保温20～60min，反应结束后，再通入惰性气体置换出多余的碳源气体，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将石墨烯或氧化石墨烯分散在水中得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸没在悬浊液中，然后进行干燥，将干燥后的固体加热至900～1200℃，并保温1～6h，除去负载催化剂上的三维泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到环氧树脂中并升高温度至90～130℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至140～180℃，固化3～10h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
在一可实施方式中，所述步骤S1中用于制备螺旋碳纤维的催化剂为Cu；Au；Au/Ni合金催化剂；Al2O3；Fe分子筛负载纳米Ni；或Ni、Fe中引入含硫化合物中的一种。
在一可实施方式中，所述步骤S1中的三维泡沫为三聚氰胺泡沫、聚氨酯泡沫或金属泡沫中的一种。
在一可实施方式中，所述步骤S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂，包括：
S1.1、将催化剂的前驱体分散在水中形成悬浊液，然后将三维泡沫浸没在悬浊液中，对吸满悬浊液的三维泡沫进行干燥，重复1～3次，得到负载有前驱体的三维泡沫；
S1.2、将负载有前驱体的三维泡沫置于反应容器中，并向反应容器内通入惰性气体以排出反应容器内的空气，将反应容器内温度升高至200～400℃，并保温5～60min，得到负载催化剂。
在一可实施方式中，所述步骤S2中升温速率小于5℃/min。
在一可实施方式中，所述步骤S2中碳源气体的流量控制在5～30mL/min。
在一可实施方式中，所述步骤S4中升温固化，包括：
先升高温度至140～150℃，固化1～4h；
继续升高温度至160～180℃，固化2～6h。
在一可实施方式中，所述步骤S3中将螺旋碳纤维浸没在悬浊液中，然后进行干燥，重复操作3～6次。
在一可实施方式中，所述碳源气体为乙炔、甲烷、乙烯中的至少一种。
本发明另一方面提供一种根据石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法制备出的石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
本发明通过将螺旋纤维的催化剂负载在三维泡沫中，这样可以保证螺旋纤维在生长过程中能够在三维空间中较为均匀地生长，从而保证最终得到结构均匀的螺旋纤维泡沫。将石墨烯/螺旋纤维泡沫进行高温退火，在退火过程中，螺旋纤维被碳化转变为螺旋碳纤维，其电导率和力学性能进一步提高。而且，退火过程中，覆盖于螺旋纤维表面的石墨烯被进一步纯化，其电导率也会进一步提高。螺旋纤维泡沫经过高温处理后，将环氧基体通过真空灌注的方式与其结合，固化后制备得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
螺旋纤维经过碳化后可以形成螺旋碳纤维三维网络，此网络具有较好的导电性能和力学性能，与环氧树脂复合后可以有效地提高复合材料的力学性能。而且，螺旋纤维泡沫的密度、孔隙率以及孔径可以通过CVD(化学气相沉积)制备工艺有效调控。螺旋纤维经过碳化以后形成螺旋碳纤维，其独特的螺旋结构所具有的五元碳环和七元碳环结构与石墨烯的六元碳环结构能够形成特殊的Π-Π相互作用，使两者之间的电子传输更快，从而使形成的三维导电网络具有更高的导电性能。此外，螺旋碳纤维具有的独特螺旋结构能使其与环氧树脂之间形成机械锁合效应，从而使两者之间的界面结合力增强，有利于环氧复合材料力学性能的提高。并且，此螺旋结构自身所具有的较高弹性能够有效地提高其环氧复合材料的弹性模量和抗压强度。
附图说明
图1示出了本发明实施例6步骤S2制备的螺旋碳纤维的扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；具体的，
S1.1、在磁力搅拌下，将100mL 0.02mol/L的氯化铜水溶液缓慢加入到100mL0.02mol/L的酒石酸钾钠溶液中，持续搅拌20min后过滤得到蓝色沉淀，并用乙醇和蒸馏水交替洗涤3次，得到酒石酸铜；然后将酒石酸铜分散在水中，形成悬浊液，将洗涤干净的三聚氰胺泡沫浸没在悬浊液中，待三聚氰胺泡沫吸满悬浊液后放入100℃的烘箱中干燥；干燥后的三聚氰胺泡沫，再次浸没在悬浊液中，然后放入100℃烘箱干燥，得到负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫；
S1.2、将负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫置于瓷舟内，将瓷舟放入高温烧结炉的石英管中，向石英管内通入氩气排出石英管内的空气，将高温烧结炉温度升高至200℃，保温30min，使酒石酸铜分解为铜颗粒，得到负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂；
S2、取0.2g负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂置于瓷舟内，将瓷舟置于高温烧结炉石英管的中部，以50mL/min的流量向石英管内通入氩气用于排出石英管内的空气，然后以10mL/min的流量向石英管内通入乙炔，并以1℃/min的升温速率将高温烧结炉温度升高至260℃，并保温20min，反应结束后，再通入氩气置换出多余的乙炔，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将0.1g石墨烯分散在300mL水中，超声分散30min后得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸润在悬浊液中，然后将吸满悬浊液螺旋碳纤维置于烘箱中，在80℃下进行干燥，重复浸润、干燥操作3次后，将干燥后的固体置于高温管式炉中，以2℃/min的速率升温至1000℃，并保温2h，除去负载催化剂上的三聚氰胺泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到20g双酚A环氧树脂(E44)中并升高温度至120℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至140℃固化2h，再升温至160℃固化3h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例2
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；具体的，
S1.1、在磁力搅拌下，将100mL 0.05mol/L的氯化铜水溶液缓慢加入到100mL0.05mol/L的酒石酸钾钠溶液中，持续搅拌40min后过滤得到蓝色沉淀，并用乙醇和蒸馏水交替洗涤3次，得到酒石酸铜；然后将酒石酸铜分散在水中，形成悬浊液，将洗涤干净的三聚氰胺泡沫浸没在悬浊液中，待三聚氰胺泡沫吸满悬浊液后放入80℃的烘箱中干燥；重复上述浸没、干燥操作三次，得到负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫；
S1.2、将负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫置于瓷舟内，将瓷舟放入高温烧结炉的石英管中，向石英管内通入氩气排出石英管内的空气，将高温烧结炉温度升高至300℃，保温40min，使酒石酸铜分解为铜颗粒，得到负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂；
S2、取0.5g负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂置于瓷舟内，将瓷舟置于高温烧结炉石英管的中部，以150mL/min的流量向石英管内通入氩气用于排出石英管内的空气，然后以12mL/min的流量向石英管内通入乙炔，并以1℃/min的升温速率将高温烧结炉温度升高至265℃，并保温20min，反应结束后，再通入氩气置换出多余的乙炔，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将0.1g石墨烯分散在300mL水中，超声分散30min后得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸润在悬浊液中，然后将吸满悬浊液螺旋碳纤维置于烘箱中，在80℃下进行干燥，重复浸润、干燥操作3次后，将干燥后的固体置于高温管式炉中，以2℃/min的速率升温至1000℃，并保温2h，除去负载催化剂上的三聚氰胺泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到30g双酚A环氧树脂(E44)中并升高温度至120℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至140℃固化2h，再升温至160℃固化3h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例3
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；具体的，
S1.1、在磁力搅拌下，将100mL 0.03mol/L的氯化铜水溶液缓慢加入到100mL0.03mol/L的酒石酸钾钠溶液中，持续搅拌20min后过滤得到蓝色沉淀，并用乙醇和蒸馏水交替洗涤3次，得到酒石酸铜；然后将酒石酸铜分散在水中，形成悬浊液，将洗涤干净的三聚氰胺泡沫浸没在悬浊液中，待三聚氰胺泡沫吸满悬浊液后放入120℃的烘箱中干燥；干燥后的三聚氰胺泡沫，再次浸没在悬浊液中，然后放入120℃烘箱干燥，得到负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫；
S1.2、将负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫置于瓷舟内，将瓷舟放入高温烧结炉的石英管中，向石英管内通入氩气排出石英管内的空气，将高温烧结炉温度升高至200℃，保温30min，使酒石酸铜分解为铜颗粒，得到负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂；
S2、取0.75g负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂置于瓷舟内，将瓷舟置于高温烧结炉石英管的中部，以180mL/min的流量向石英管内通入氩气用于排出石英管内的空气，然后以15mL/min的流量向石英管内通入乙炔，并以1℃/min的升温速率将高温烧结炉温度升高至267℃，并保温35min，反应结束后，再通入氩气置换出多余的乙炔，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将0.15g石墨烯分散在300mL水中，超声分散30min后得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸润在悬浊液中，然后将吸满悬浊液螺旋碳纤维置于烘箱中，在80℃下进行干燥，重复浸润、干燥操作3次后，将干燥后的固体置于高温管式炉中，以2℃/min的速率升温至1000℃，并保温2h，除去负载催化剂上的三聚氰胺泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到30g双酚A环氧树脂(E44)中并升高温度至120℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至140℃固化2h，再升温至160℃固化3h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例4
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；具体的，
S1.1、在磁力搅拌下，将100mL 0.04mol/L的氯化铜水溶液缓慢加入到100mL0.04mol/L的酒石酸钾钠溶液中，持续搅拌10min后过滤得到蓝色沉淀，并用乙醇和蒸馏水交替洗涤3次，得到酒石酸铜；然后将酒石酸铜分散在水中，形成悬浊液，将洗涤干净的三聚氰胺泡沫浸没在悬浊液中，待三聚氰胺泡沫吸满悬浊液后放入100℃的烘箱中干燥；干燥后的三聚氰胺泡沫，再次浸没在悬浊液中，然后放入100℃烘箱干燥，得到负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫；
S1.2、将负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫置于瓷舟内，将瓷舟放入高温烧结炉的石英管中，向石英管内通入氩气排出石英管内的空气，将高温烧结炉温度升高至400℃，保温10min，使酒石酸铜分解为铜颗粒，得到负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂；
S2、取1.2g负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂置于瓷舟内，将瓷舟置于高温烧结炉石英管的中部，以200mL/min的流量向石英管内通入氩气用于排出石英管内的空气，然后以18mL/min的流量向石英管内通入乙炔，并以1℃/min的升温速率将高温烧结炉温度升高至268℃，并保温35min，反应结束后，再通入氩气置换出多余的乙炔，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将0.15g石墨烯分散在300mL水中，超声分散30min后得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸润在悬浊液中，然后将吸满悬浊液螺旋碳纤维置于烘箱中，在80℃下进行干燥，重复浸润、干燥操作4次后，将干燥后的固体置于高温管式炉中，以2℃/min的速率升温至1000℃，并保温2h，除去负载催化剂上的三聚氰胺泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到20g双酚A环氧树脂(E44)中并升高温度至120℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至140℃固化2h，再升温至160℃固化3h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例5
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；具体的，
S1.1、在磁力搅拌下，将100mL 0.05mol/L的氯化铜水溶液缓慢加入到100mL0.05mol/L的酒石酸钾钠溶液中，持续搅拌40min后过滤得到蓝色沉淀，并用乙醇和蒸馏水交替洗涤3次，得到酒石酸铜；然后将酒石酸铜分散在水中，形成悬浊液，将洗涤干净的三聚氰胺泡沫浸没在悬浊液中，待三聚氰胺泡沫吸满悬浊液后放入100℃的烘箱中干燥；干燥后的三聚氰胺泡沫，再次浸没在悬浊液中，然后放入100℃烘箱干燥，得到负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫；
S1.2、将负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫置于瓷舟内，将瓷舟放入高温烧结炉的石英管中，向石英管内通入氩气排出石英管内的空气，将高温烧结炉温度升高至300℃，保温60min，使酒石酸铜分解为铜颗粒，得到负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂；
S2、取1.35g负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂置于瓷舟内，将瓷舟置于高温烧结炉石英管的中部，以220mL/min的流量向石英管内通入氩气用于排出石英管内的空气，然后以20mL/min的流量向石英管内通入乙炔，并以1℃/min的升温速率将高温烧结炉温度升高至260℃，并保温20min，反应结束后，再通入氩气置换出多余的乙炔，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将0.2g石墨烯分散在300mL水中，超声分散30min后得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸润在悬浊液中，然后将吸满悬浊液螺旋碳纤维置于烘箱中，在80℃下进行干燥，重复浸润、干燥操作6次后，将干燥后的固体置于高温管式炉中，以2℃/min的速率升温至1000℃，并保温2h，除去负载催化剂上的三聚氰胺泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到30g双酚A环氧树脂(E44)中并升高温度至120℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至140℃固化2h，再升温至160℃固化3h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例6
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；具体的，
S1.1、在磁力搅拌下，将100mL 0.02mol/L的氯化铜水溶液缓慢加入到100mL0.02mol/L的酒石酸钾钠溶液中，持续搅拌20min后过滤得到蓝色沉淀，并用乙醇和蒸馏水交替洗涤3次，得到酒石酸铜；然后将酒石酸铜分散在水中，形成悬浊液，将洗涤干净的三聚氰胺泡沫浸没在悬浊液中，待三聚氰胺泡沫吸满悬浊液后放入100℃的烘箱中干燥；干燥后的三聚氰胺泡沫，再次浸没在悬浊液中，然后放入100℃烘箱干燥，得到负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫；
S1.2、将负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫置于瓷舟内，将瓷舟放入高温烧结炉的石英管中，向石英管内通入氩气排出石英管内的空气，将高温烧结炉温度升高至200℃，保温30min，使酒石酸铜分解为铜颗粒，得到负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂；
S2、取1.55g负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂置于瓷舟内，将瓷舟置于高温烧结炉石英管的中部，以220mL/min的流量向石英管内通入氩气用于排出石英管内的空气，然后以20mL/min的流量向石英管内通入乙炔，并以1℃/min的升温速率将高温烧结炉温度升高至270℃，并保温50min，反应结束后，再通入氩气置换出多余的乙炔，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将0.2g石墨烯分散在300mL水中，超声分散30min后得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸润在悬浊液中，然后将吸满悬浊液螺旋碳纤维置于烘箱中，在80℃下进行干燥，重复浸润、干燥操作3次后，将干燥后的固体置于高温管式炉中，以2℃/min的速率升温至1000℃，并保温2h，除去负载催化剂上的三聚氰胺泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到20g双酚A环氧树脂(E44)中并升高温度至120℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至140℃固化2h，再升温至160℃固化3h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
参考图1，图1示出了本实施例制备的螺旋碳纤维的SEM图，通过将催化剂负载在三聚氰胺泡沫中，纤维在生长过程中能够在三维空间中较为均匀地生长，从而保证最终得到结构均匀的螺旋碳纤维。图1中的(a)和(b)为不同分辨率下的SEM图，从图中可以看出螺旋碳纤维的结构较均匀。
实施例7
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；具体的，
S1.1、在磁力搅拌下，将100mL 0.02mol/L的氯化铜水溶液缓慢加入到100mL0.02mol/L的酒石酸钾钠溶液中，持续搅拌20min后过滤得到蓝色沉淀，并用乙醇和蒸馏水交替洗涤3次，得到酒石酸铜；然后将酒石酸铜分散在水中，形成悬浊液，将洗涤干净的三聚氰胺泡沫浸没在悬浊液中，待三聚氰胺泡沫吸满悬浊液后放入100℃的烘箱中干燥；干燥后的三聚氰胺泡沫，再次浸没在悬浊液中，然后放入100℃烘箱干燥，得到负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫；
S1.2、将负载有酒石酸铜的三聚氰胺泡沫置于瓷舟内，将瓷舟放入高温烧结炉的石英管中，向石英管内通入氩气排出石英管内的空气，将高温烧结炉温度升高至200℃，保温30min，使酒石酸铜分解为铜颗粒，得到负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂；
S2、取1.8g负载铜的三聚氰胺泡沫催化剂置于瓷舟内，将瓷舟置于高温烧结炉石英管的中部，以150mL/min的流量向石英管内通入氩气用于排出石英管内的空气，然后以20mL/min的流量向石英管内通入乙炔，并以1℃/min的升温速率将高温烧结炉温度升高至270℃，并保温50min，反应结束后，再通入氩气置换出多余的乙炔，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将0.2g石墨烯分散在300mL水中，超声分散30min后得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸润在悬浊液中，然后将吸满悬浊液螺旋碳纤维置于烘箱中，在80℃下进行干燥，重复浸润、干燥操作3次后，将干燥后的固体置于高温管式炉中，以2℃/min的速率升温至1000℃，并保温2h，除去负载催化剂上的三聚氰胺泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到20g双酚A环氧树脂(E44)中并升高温度至120℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至140℃固化2h，再升温至160℃固化3h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例8
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；具体的，
S1.1、将Al2O3分散在水中，形成悬浊液，将洗涤干净的三聚氰胺泡沫浸没在悬浊液中，待三聚氰胺泡沫吸满悬浊液后放入80℃的烘箱中干燥；干燥后的三聚氰胺泡沫，再次浸没在悬浊液中，然后放入80℃烘箱干燥；
S1.2、将烘干后的固体置于瓷舟内，将瓷舟放入高温烧结炉的石英管中，向石英管内通入氩气排出石英管内的空气，将高温烧结炉温度升高至200℃，保温30min，得到负载Al2O3的三聚氰胺泡沫催化剂；
S2、取1.8g负载Al2O3的三聚氰胺泡沫催化剂置于瓷舟内，将瓷舟置于高温烧结炉石英管的中部，以150mL/min的流量向石英管内通入氩气用于排出石英管内的空气，然后以20mL/min的流量向石英管内通入甲烷，并以1℃/min的升温速率将高温烧结炉温度升高至270℃，并保温50min，反应结束后，再通入氩气置换出多余的甲烷，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将0.2g氧化石墨烯分散在300mL水中，超声分散30min后得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸润在悬浊液中，然后将吸满悬浊液螺旋碳纤维置于烘箱中，在80℃下进行干燥，重复浸润、干燥操作5次后，将干燥后的固体置于高温管式炉中，以2℃/min的速率升温至1100℃，并保温5h，除去负载催化剂上的三聚氰胺泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到20g双酚A环氧树脂(E44)中并升高温度至100℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至145℃固化4h，再升温至160℃固化6h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例9
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；具体的
S1.1、催化剂为Au/Ni合金，Au/Ni合金催化剂通过磁控溅射的方式喷射于三聚氰胺泡沫上；
S1.2、将负载有Au/Ni合金催化剂的三聚氰胺泡沫置于瓷舟内，将瓷舟放入高温烧结炉的石英管中，向石英管内通入氩气排出石英管内的空气，将高温烧结炉温度升高至200℃，保温30min，得到负载Au/Ni合金的三聚氰胺泡沫催化剂；
S2、取1.8g负载Au/Ni合金的三聚氰胺泡沫催化剂置于瓷舟内，将瓷舟置于高温烧结炉石英管的中部，以150mL/min的流量向石英管内通入氩气用于排出石英管内的空气，然后以20mL/min的流量向石英管内通入乙烯，并以1℃/min的升温速率将高温烧结炉温度升高至270℃，并保温50min，反应结束后，再通入氩气置换出多余的乙烯，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将0.2g石墨烯分散在300mL水中，超声分散30min后得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸润在悬浊液中，然后将吸满悬浊液螺旋碳纤维置于烘箱中，在80℃下进行干燥，重复浸润、干燥操作3次后，将干燥后的固体置于高温管式炉中，以2℃/min的速率升温至1200℃，并保温2h，除去负载催化剂上的三聚氰胺泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到20g双酚A环氧树脂(E44)中并升高温度至120℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至150℃固化3h，再升温至180℃固化5h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例10
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，与实施例6的区别在于步骤S1中的三维泡沫由三聚氰胺泡沫换为聚氨酯泡沫，其它步骤同实施例6。
实施例11
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，与实施例6的区别在于步骤S1中的三维泡沫由三聚氰胺泡沫换为金属泡沫，步骤S3中加酸除去金属泡沫，其它步骤同实施例6。
实施例12
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，与实施例9的区别在于步骤S1.1中，催化剂由Au/Ni合金换位Au，其它步骤同实施例9。
对比例
对比例1
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；具体的，
S1.1、在磁力搅拌下，将100mL 0.02mol/L的氯化铜水溶液缓慢加入到100mL0.02mol/L的酒石酸钾钠，持续搅拌20min后过滤得到蓝色沉淀，并用乙醇和蒸馏水交替洗涤3次，得到酒石酸铜；
S1.2、将酒石酸铜置于瓷舟内，将瓷舟放入高温烧结炉的石英管中，向石英管内通入氩气排出石英管内的空气，将高温烧结炉温度升高至200℃，保温30min，使酒石酸铜分解为铜颗粒，得到纳米铜催化剂；
S2、取1.55g纳米铜催化剂置于瓷舟内，将瓷舟置于高温烧结炉石英管的中部，以150mL/min的流量向石英管内通入氩气用于排出石英管内的空气，然后以20mL/min的流量向石英管内通入乙炔，并以1℃/min的升温速率将高温烧结炉温度升高至270℃，并保温50min，反应结束后，再通入氩气置换出多余的乙炔，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将0.2g石墨烯分散在300mL水中，超声分散30min后得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸润在悬浊液中，然后将吸满悬浊液螺旋碳纤维置于烘箱中，在80℃下进行干燥，重复浸润、干燥操作3次后，将干燥后的固体置于高温管式炉中，以2℃/min的速率升温至1000℃，并保温2h，除去负载催化剂上的三聚氰胺泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到20g双酚A环氧树脂(E44)中并升高温度至120℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至140℃固化2h，再升温至160℃固化3h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
对比例2
一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；具体的，
S1.1、在磁力搅拌下，将100mL 0.02mol/L的氯化铜水溶液缓慢加入到100mL0.02mol/L的酒石酸钾钠，持续搅拌20min后过滤得到蓝色沉淀，并用乙醇和蒸馏水交替洗涤3次，得到酒石酸铜；
S1.2、将酒石酸铜置于瓷舟内，将瓷舟放入高温烧结炉的石英管中，向石英管内通入氩气排出石英管内的空气，将高温烧结炉温度升高至200℃，保温30min，使酒石酸铜分解为铜颗粒，得到纳米铜催化剂；
S2、取1.55g纳米铜催化剂置于瓷舟内，将瓷舟置于高温烧结炉石英管的中部，以150mL/min的流量向石英管内通入氩气用于排出石英管内的空气，然后以20mL/min的流量向石英管内通入乙炔，并以1℃/min的升温速率将高温烧结炉温度升高至270℃，并保温50min，反应结束后，再通入氩气置换出多余的乙炔，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将0.2g石墨烯分散在300mL水中，超声分散30min后得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸润在悬浊液中，然后将吸满悬浊液螺旋碳纤维置于烘箱中，在80℃下进行干燥，重复浸润、干燥操作3次后，将干燥后的固体置于高温管式炉中，以2℃/min的速率升温至1000℃，并保温2h，除去负载催化剂上的三聚氰胺泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到20g双酚A环氧树脂(E44)中并升高温度至120℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至140℃固化2h，再升温至160℃固化3h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
性能测试
采用实施例与对比例的方法制备的石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料进行如下性能测试。
力学性能测试：采用三点弯曲测试法标准测试复合材料的弯曲性能；采用GB/T2567-2008标准测试复合材料拉伸性能；
电导率测试：利用Tech RST-8四探针电阻率测试仪测试复合材料的电导率。
表1 性能测试结果
Figure BDA0003189845150000181
根据表1性能测试结果，对比例与实施例的区别在于，对比例中的催化剂未负载在三维泡沫中，在相同石墨烯负载量的前提下，对比例的力学性能与电导率均低于实施例(如对比例1与实施例6)。本发明通过将催化剂负载在三维泡沫中，生成结构均匀的螺旋纤维，螺旋纤维经过碳化后可以形成螺旋碳纤维三维网络，此网络具有较好的导电性能和力学性能，与环氧复合后可以有效地提高复合材料的力学性能。而且，此螺旋纤维泡沫的密度、孔隙率以及孔径可以通过CVD制备工艺有效调控。螺旋纤维经过碳化以后形成螺旋碳纤维，其独特的螺旋结构所具有的五元和七元碳环结构与石墨烯的六元碳环结构能够形成特殊的Π-Π相互作用，使两者之间的电子传输更快，从而使形成的三维导电网络具有更高的导电性能。此外，螺旋碳纤维具有的独特螺旋结构能使其与环氧基体之间形成机械锁合效应，从而使两者之间的界面结合力增强，有利于环氧复合材料力学性能的提高。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：
S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂；
S2、将负载催化剂置于反应容器中，并向反应容器内通入惰性气体以排出反应容器内的空气，然后通入碳源气体，将反应容器内温度升高至碳源气体分解的温度，并保温20～60min，反应结束后，再通入惰性气体置换出多余的碳源气体，冷却后得到螺旋碳纤维；
S3、将石墨烯或氧化石墨烯分散在水中得到悬浊液，将螺旋碳纤维浸没在悬浊液中，然后进行干燥，将干燥后的固体加热至900～1200℃，并保温1～6h，除去负载催化剂上的三维泡沫后，得到石墨烯/螺旋碳纤维；
S4、将石墨烯/螺旋碳纤维加入到环氧树脂中并升高温度至90～130℃，然后抽真空让环氧树脂完全浸润石墨烯/螺旋碳纤维，随后继续升温至140～180℃，固化3～10h，得到石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中用于制备螺旋碳纤维的催化剂为Cu；Au；Au/Ni合金催化剂；Al2O3；Fe分子筛负载纳米Ni；或Ni、Fe中引入含硫化合物中的一种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的三维泡沫为三聚氰胺泡沫、聚氨酯泡沫或金属泡沫中的一种。
4.根据权利要求2所述的石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1、将用于制备螺旋碳纤维的催化剂负载在三维泡沫中，得到负载催化剂，包括：
S1.1、将催化剂的前驱体分散在水中形成悬浊液，然后将三维泡沫浸没在悬浊液中，对吸满悬浊液的三维泡沫进行干燥，重复1～3次，得到负载有前驱体的三维泡沫；
S1.2、将负载有前驱体的三维泡沫置于反应容器中，并向反应容器内通入惰性气体以排出反应容器内的空气，将反应容器内温度升高至200～400℃，并保温5～60min，得到负载催化剂。
5.根据权利要求1所述的石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中升温速率小于5℃/min。
6.根据权利要求1所述的石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中碳源气体的流量控制在5～30mL/min。
7.根据权利要求1所述的石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中升温固化，包括：
先升高温度至140～150℃，固化1～4h；
继续升高温度至160～180℃，固化2～6h。
8.根据权利要求1所述的石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中将螺旋碳纤维浸没在悬浊液中，然后进行干燥，重复操作3～6次。
9.根据权利要求1所述的石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳源气体为乙炔、甲烷、乙烯中的至少一种。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述方法制备得到的石墨烯/螺旋碳纤维/环氧树脂复合材料。
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