一种基于石墨烯的碳/碳复合材料及其前驱体的制作方法

本发明属于碳/碳复合材料，具体涉及一种基于石墨烯的碳/碳复合材料及其前驱体。

背景技术：

1、碳/碳复合材料是以热解碳为基体，碳纤维作为增强材料制备的一种复合材料，具有低密度、高导热、超高温力学性能、热膨胀系数小、摩擦系数小、灵活的结构可设计性等优势，这些性能使其成为航空航天领域重要的热结构材料，并逐渐向机械制动和生物医用等领域延伸，且在半导体、化工、冶金、原子能等工业领域有着非常广阔的应用空间。

2、碳/碳复合材料中基体碳的形成主要有两种方式：(1)以沥青或树脂作为前驱体在高温下碳化形成。(2)通过对温度及压力的控制将碳源气体在预制体表面沉积形成。以沥青或树脂作为前驱体制备碳/碳复合材料，需要先制备得到碳纤维/沥青基或碳纤维/树脂基增强体，随后在高温下对其进行碳化，使得沥青相或者树脂相转变为碳基体，从而得到碳纤维增强碳(碳/碳)复合材料。之后，再通过反复多次浸渍、碳化处理实现复合材料的致密化。最后通过高温石墨化处理得到密度达标的碳/碳复合材料。

3、碳/碳复合材料的基本结构多半为乱层石墨结构，或介于乱层石墨结构与石墨晶体结构之间的过渡结构。在热处理作用下，碳的晶面间距减小，石墨微晶尺寸增大，乱层石墨结构向多晶石墨结构转变的过程被称为石墨化。石墨化能够影响材料性能，石墨化程度的加深尤其可以使复合材料的断裂韧性、导热性得到明显加强，然而树脂热解形成的玻璃碳是由碳微晶的无序排列组成的非晶碳材料(硬碳)，玻璃碳的微晶结构没有按照某一方向取向排列，碳层面的长带状叠层构成无序的网络结构，难以石墨化，进而直接影响碳/碳复合材料的热物理性能、力学性能、摩擦磨损性能等。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种基于石墨烯的碳/碳复合材料及其前驱体，通过构建特定材料层结构，利用石墨烯的高石墨化结构实现对碳/碳复合材料整体石墨化度的提高，并诱导基体碳自身的石墨化程度提高，解决了树脂前驱体法制备碳/碳复合材料的石墨化程度低的问题，实现复合材料性能优化。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种基于石墨烯的碳/碳复合材料前驱体，包括若干个层叠设置的碳纤维织物层，所述碳纤维织物层的内部由树脂和石墨烯填充，相邻碳纤维织物层间设有石墨烯粘结层，所述石墨烯粘结层中石墨烯的含氧量为0％-50％。

3、在本发明一较佳实施例中，所述碳纤维织物层通过浸渍在石墨烯和树脂的混合溶液中实现树脂和石墨烯的内部填充。

4、在本发明一较佳实施例中，所述石墨烯和树脂的混合溶液中石墨烯与树脂的质量比为5％。

5、在本发明一较佳实施例中，所述碳纤维织物层中树脂的含量为40-50％。

6、在本发明一较佳实施例中，所述树脂包括但不限于酚醛树脂、氰酸酯树脂。

7、在本发明一较佳实施例中，所述石墨烯粘结层中的石墨烯、碳纤维织物层内部填充的石墨烯包括石墨烯、氧化石墨烯或还原氧化石墨烯。

8、在本发明一较佳实施例中，所述石墨烯粘结层的层数为1-20层。

9、在本发明一较佳实施例中，所述碳纤维织物层和石墨烯粘结层通过成型工艺层叠复合，所述成型工艺包括模压、真空袋压、层压、热压罐或其他成型工艺。

10、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了一种基于石墨烯的碳/碳复合材料，采用基于石墨烯的碳/碳复合材料前驱体经碳化和石墨化制备而成。

11、在本发明一较佳实施例中，将基于石墨烯的碳/碳复合材料前驱体碳化后，经反复浸渍于石墨烯和树脂的混合溶液中，固化、碳化，使树脂形成的玻璃碳而填充内部空隙，再进行石墨化制备而成。

12、本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

13、1.石墨烯是二维单层碳材料，只有一个原子厚，结构规整度高，相当于是石墨化程度非常高的二维高分子材料。氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，表面含有丰富的羟基、羧基、环氧基、羰基等活泼基团，能较好地分散在水、丙酮及乙醇等溶剂中。氧化石墨烯经过一定的化学或物理条件，其中的含氧基团可以部分还原成为还原氧化石墨烯(几种石墨烯基材料的结构示意图如图1所示)；本发明通过构建特定材料层结构，利用石墨烯高度规整的石墨化结构实现对碳/碳复合材料整体石墨化度的提高；

14、2.相比于石墨烯、还原氧化石墨烯，氧化石墨烯因结构中含有大量的含氧基团，与树脂基体具有较好的相容性，可与树脂基体产生更好的化学键接和物理作用。经过高温热还原过程，氧化石墨烯可以变为还原氧化石墨烯，具有更接近石墨烯的规整结构和物理性能，从而可以通过相应的化学或物理手段，由氧化石墨烯-树脂体系转变为还原氧化石墨烯-树脂(石墨烯-树脂)体系。本发明通过石墨烯诱导基体碳自身的石墨化程度提高，进而实现碳/碳复合材料的性能优化。

技术特征：

1.一种基于石墨烯的碳/碳复合材料前驱体，其特征在于：包括若干个层叠设置的碳纤维织物层，所述碳纤维织物层的内部由树脂和石墨烯填充，相邻碳纤维织物层间设有石墨烯粘结层，所述碳纤维织物层和石墨烯粘结层中石墨烯的含氧量为0％-50％。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的碳/碳复合材料前驱体，其特征在于：所述碳纤维织物层通过浸渍在石墨烯和树脂的混合溶液中实现树脂和石墨烯的内部填充。

3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的碳/碳复合材料前驱体，其特征在于：所述石墨烯粘结层中的石墨烯、碳纤维织物层内部填充的石墨烯包括石墨烯、氧化石墨烯或还原氧化石墨烯。

4.一种基于石墨烯的碳/碳复合材料，其特征在于：采用如权利要求1～3中任一项所述基于石墨烯的碳/碳复合材料前驱体经碳化和石墨化制备而成。

5.根据权利要求4所述一种基于石墨烯的碳/碳复合材料，其特征在于：将基于石墨烯的碳/碳复合材料前驱体反复浸渍于石墨烯和树脂的混合溶液中，碳化使树脂形成的玻璃碳而填充内部空隙，再进行石墨化制备而成。

技术总结
本发明公开了一种基于石墨烯的碳/碳复合材料及其前驱体。该前驱体包括若干个层叠设置的碳纤维织物层，所述碳纤维织物层的内部由树脂和石墨烯填充，相邻碳纤维织物层间设有石墨烯粘结层，石墨烯的含氧量为0％‑50％。该前驱体的碳纤维织物层内填充有树脂和石墨烯基材，不仅实现碳纤维织物层内增强，还因石墨烯的存在诱导复合材料前驱体在碳化和石墨化过程中树脂碳化形成的玻璃碳的石墨化程度提高，从而得到性能优化的基于石墨烯的碳/碳复合材料。

技术研发人员：胡晓兰,任明伟,周玉敬,侯相弛,林舒敏,白华,赵虎虎,胡耀芳
受保护的技术使用者：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12