一种石墨烯纸复合材料的制作方法

本发明涉及石墨烯纸应用技术领域，尤其涉及一种石墨烯纸复合材料。

背景技术

石墨烯纸是一种基于石墨烯的二维材料，密度小，强度和硬度高，具有优异的柔韧性和可折叠性，并且还是一种环保材料。而石墨烯为sp²杂化碳原子网状连接而成的最薄二维原子晶体材料，由于石墨烯特殊的结构，使石墨烯纸具有各种优异的力学、热学、电学特性和极高的杨氏模量及断裂应力。在传感器、复合材料、可穿戴智能设备领域有着非常大的应用前景。

树脂基复合材料是由以高分子有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维作为增强体。树脂基复合材料在航空、汽车、海洋工业中有广泛的应用。

在石墨烯改性复合材料的研究中，大都是通过将石墨烯直接与复合材料进行掺杂，进而扩展其应用。这些制备石墨烯复合材料的方法由于对石墨烯的分散均匀性要求较高，并且过程繁琐，得不到有效的推广应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种石墨烯纸复合材料，本发明提供的石墨烯纸复合材料，具有优异的综合性能，能够应用于阻燃、除冰、监测树脂成型过程和树脂结构健康监测。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供一种石墨烯纸复合材料，包括层叠设置的石墨烯纸层和树脂层。

优选地，所述石墨烯纸复合材料中树脂层为多层，所述石墨烯纸位于多层树脂层之间。

优选地，所述树脂层的材质包括热固性树脂、热固性树脂预浸料、热塑性树脂或热塑性树脂预浸料。

优选地，所述树脂层的材质包括纤维环氧树脂或纤维环氧树脂预浸料。

优选地，所述纤维环氧树脂或纤维环氧树脂预浸料中的纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、高密度聚乙烯纤维。

本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯纸复合材料的制备方法，包括以下步骤：通过粘结或固化得到所述石墨烯纸复合材料；所述固化包括烘箱固化或焦耳热自固化。

本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯纸复合材料在阻燃领域中的应用。

本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯纸复合材料在除冰领域中的应用。

本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯纸复合材料在监测树脂成型中的应用。

本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯纸复合材料在树脂结构健康监测中的应用。

本发明提供了一种石墨烯纸复合材料，包括层叠设置的石墨烯纸层和树脂层。本发明的石墨烯纸复合材料具有优异的综合性能，如阻燃性、除冰性和传感性，广泛应用于阻燃、除冰、监测树脂成型和监测树脂结构健康领域。实施例的数据表明，本发明提供的石墨烯纸复合材料在30秒后起燃；石墨烯纸复合材料上的冰块在300s内融化；本发明的石墨烯纸复合材料还可以有效对树脂成型过程进行监测；同时，对树脂进行结构健康监测。

附图说明

图1为实施例1的石墨烯纸复合材料及玻璃纤维环氧树脂的阻燃测试效果图；

图2为实施例2的石墨烯纸复合材料及玻璃纤维环氧树脂除冰测试效果图；

图3为实施例3石墨烯纸复合材料焦耳热固化前后图片以及焦耳热自固化加热温度和功率关系图；

图4为焦耳热自固化得到石墨烯纸复合材料和烘箱固化得到的石墨烯纸复合材料力学性能对比图；

图5为实施例4的石墨烯纸复合材料监测树脂固化成型过程的数据图；

图6为实施例5的石墨烯纸复合材料监测树脂结构健康的数据图。

具体实施方式

本发明提供了一种石墨烯纸复合材料，包括层叠设置的石墨烯纸层和树脂层。在本发明中，所述树脂层的材质优选包括热固性树脂、热固性树脂预浸料、热塑性树脂或热塑性树脂预浸料。在本发明中，所述树脂层的材质优选包括纤维环氧树脂或纤维环氧树脂预浸料。在本发明中，所述纤维环氧树脂或纤维环氧树脂预浸料中的纤维优选包括纤维环氧树脂或纤维环氧树脂预浸料中的纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维或高密度聚乙烯纤维。

本发明对所述石墨烯纸的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的石墨烯纸制备方法即可，具体的，如采用氧化还原法或激光诱导法。在本发明中，采用激光诱导法制备石墨烯纸的方法优选包括以下步骤：采用激光诱导还原聚酰亚胺纸，得到石墨烯纸；所述激光诱导的激光优选为连续激光或脉冲激光；所述激光诱导的激光器优选包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器；所述激光诱导的激光聚焦距离优选为33.1～43.1mm；所述激光诱导的功率优选为0.25～25w；所述激光诱导的扫描速度优选为2.54～254mm/s；所述激光诱导的打印分辨率优选为10～1000；对所述聚酰亚胺纸的单面或双面进行激光诱导还原；所述激光诱导的氛围优选包括空气、氧气、氢气或惰性气体。

在本发明中，所述石墨烯纸复合材料中的树脂层优选为多层，所述石墨烯纸位于多层树脂层之间。

本发明对石墨烯纸层和树脂层的厚度没有特殊的限定，本领域技术人员根据实际需要进行选择即可。

本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯纸复合材料的制备方法，包括以下步骤：通过粘结或固化得到所述石墨烯纸复合材料；所述固化包括烘箱固化或焦耳热自固化。在本发明中，当所述树脂层的材质为热固性树脂或热塑性树脂时，所述石墨烯纸复合材料优选通过粘结得到；所述粘结的试剂优选包括室温固化型胶黏剂或室温压敏型胶黏剂。

在本发明中，当所述树脂层的材质为热固性树脂预浸料或热塑性树脂预浸料时，所述石墨烯纸复合材料通过固化得到。在本发明中，所述固化的时机优选在石墨烯纸复合材料成型过程中进行，即对包括热固性树脂预浸料或热塑性树脂预浸料中的一种与石墨烯纸的复合材料进行固化，使热固性树脂预浸料或热塑性树脂预浸料固化，进而形成最终的石墨烯纸复合材料。在本发明中，所述固化优选包括烘箱固化或焦耳热自固化。在本发明中，所述烘箱固化的温度优选为140℃。在本发明中，所述焦耳热自固化的步骤包括：在所述石墨烯纸两侧连接电极，通入电流，通过石墨烯纸的自发热，使热塑性树脂预浸料或热固性树脂预浸料进行固化。在本发明中，所述电流优选为0.45a。

本发明采用固化法制备石墨烯纸复合材料时，对所述石墨烯复合材料转移所用的基板、防粘布没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的基板和防粘布即可，具体的，如基板采用铝基板，防粘布采用高温布。

本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯纸复合材料在阻燃领域中的应用。

本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯纸复合材料在除冰领域中的应用。

本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯纸复合材料在监测树脂成型中的应用。在本发明的实施例中，所述应用优选包括以下步骤：所述石墨烯纸复合材料为石墨烯纸位于玻璃纤维环氧树脂预浸料中间；在石墨烯纸的两侧连接电极通入电流，使玻璃纤维环氧树脂预浸料固化。由于玻璃纤维环氧树脂预浸料在不同温度下成型前流动时间的不同，所以其固化总时间不同，所以玻璃纤维环氧树脂预浸料固化时间的长短导致石墨烯纸电阻变化的时间分布不同，以此来进行监测树脂成型过程。

本发明还提供了上述技术方案所述石墨烯纸复合材料在监测树脂结构健康中的应用。在本发明的实施例中，所述应用优选包括以下步骤：所述石墨烯纸复合材料为石墨烯纸位于两层玻璃纤维环氧树脂预浸料之间；将石墨烯纸复合材料在烘箱中进行固化，得到成型后的石墨烯纸复合材料；将所述石墨烯纸复合材料切割成哑铃型，在哑铃状石墨烯纸复合材料两侧施加拉力，通过观察石墨烯纸复合材料的电阻变化，来监测树脂结构健康状况。在本发明中，所述固化的温度优选为140℃。在本发明中，随着施加在石墨烯纸复合材料的形变增大，石墨烯纸的电阻增大，达到最大形变后，石墨烯纸复合材料发生断裂，其电阻也达到无穷大，可以有效根据形变大小与电阻的变化预测树脂内部结构变化，可有效用于树脂结构健康监测。

下面结合实施例对本发明提供的石墨烯纸复合材料进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种石墨烯纸复合材料，包括层叠设置的玻璃纤维环氧化树脂和石墨烯纸；所述石墨烯纸和玻璃纤维环氧化树脂之前通过胶黏剂连接。

采用酒精外焰(400～500℃)分别灼烧石墨烯纸复合材料和玻璃纤维环氧树脂，效果图如图1所示。从图1可以看出玻璃纤维环氧树脂在15秒开始起燃，石墨烯纸复合材料在30秒后起燃；说明本实施例的石墨烯纸复合材料具有优异的阻燃性，能够应用于阻燃领域。

实施例2

一种石墨烯纸复合材料，包括层叠设置的玻璃纤维环氧树脂预浸料和石墨烯纸；所述石墨烯纸的面积为9cm²；所述玻璃纤维环氧树脂预浸料为两层；所述石墨烯纸位于两层环氧树脂玻璃纤维预浸料之间。在石墨烯纸上侧两端连接铜片，作为后续除冰的电极；利用烘箱在140℃下加热固化得到石墨烯纸复合材料。

将同样体积大小的冰山状冰块分别置于石墨烯纸复合材料和玻璃纤维环氧树脂的表面；在-24℃下，通过石墨烯纸连接的铜片对石墨烯纸复合材料施加0.5a的电流；玻璃纤维环氧树脂不进行任何处理，观察冰块的变化，效果如图2所示：图2中a为未经任何处理的玻璃纤维环氧树脂上冰块的变化图，b为本实施例得到的石墨烯纸复合材料上冰块的变化图。实验发现，石墨烯纸复合材料上的冰块在300s内完全融化，而玻璃纤维环氧树脂上的冰块并未发生变化。因此，本实施例的石墨烯纸复合材料具有优异的除冰性能，能够很好地应用于除冰领域。

实施例3

一种石墨烯纸复合材料，包括层叠设置的玻璃纤维环氧树脂预浸料和石墨烯纸；所述石墨烯纸位于所述玻璃纤维环氧树脂预浸料的上表面。在石墨烯纸两侧引出电极，通过电极对石墨烯纸复合材料施加电流0.45a，通过石墨烯纸的焦耳热使石墨烯纸温度可达到140℃，将玻璃纤维环氧树脂预浸料进行固化，得到的石墨烯纸复合材料性能与采用烘箱固化得到的石墨烯纸复合材料力学性能相似，分别为301mpa和326mpa；但焦耳热固化消耗能量32.4kj，烘箱固化消耗能量10.08mj；本发明的焦耳热固化的石墨烯纸复合材料节省了2～3个数量级的能量。石墨烯纸复合材料焦耳热固化前后图片以及焦耳热自固化加热温度和功率关系如图3所示。图4为焦耳热自固化的石墨烯纸复合材料和烘箱固化得到的石墨烯纸复合材料力学性能对比图。从图4可以看出，本实施例的石墨烯纸复合材料具有与烘箱固化复合材料相似的力学性能，并节省了大量能量。

实施例4

一种石墨烯纸复合材料，包括层叠设置的石墨烯纸和玻璃纤维环氧树脂预浸料；所述玻璃纤维环氧树脂预浸料为两层；所述石墨烯纸位于两层玻璃纤维环氧树脂预浸料中间。

在石墨烯纸复合材料的石墨烯纸两边引出电极，通入电流，对玻璃纤维环氧树脂预浸料进行固化。通过石墨烯纸的电阻变化，监测玻璃纤维环氧树脂预浸料的固化成型过程，结果如图5所示。从图5可以看出，固化温度越低，石墨烯纸电阻变化时间越长，这是因为温度低，玻璃纤维环氧树脂预浸料流动时间长，进而造成石墨烯纸电阻变化时间延长。因此，石墨烯纸复合材料可以有效对树脂成型过程进行监测。

实施例5

一种石墨烯纸复合材料，包括层叠设置的石墨烯纸和玻璃纤维环氧树脂预浸料；所述玻璃纤维环氧树脂预浸料为两层；所述石墨烯纸位于两层玻璃纤维环氧树脂预浸料中间。

在140℃下对石墨烯纸复合材料进行固化，固化结束后，将其切割成5cm×1cm的哑铃状进行力学性能测试。所使用的拉力机为mts公司的e44.104拉力机，通过观察拉伸测试时石墨烯纸复合材料的电阻变化，进而监测石墨烯纸复合材料内部结构变化，结果如图6所示。从图6可以看出：随着形变的增大，石墨烯纸复合材料的电阻增大；达到最大形变后，石墨烯纸复合材料发生断裂，电阻变为无穷大；因此可以根据石墨烯纸复合材料的拉伸电阻变化去预测其内部结构的变形量，进而达到树脂结构健康监测目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。