石墨烯协同强韧化纤维复合材料及其制备方法

本发明涉及复合材料，尤其涉及一种石墨烯协同强韧化纤维复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着航天航空和国防装备的日益发展，对以高强、高韧和高模为特征的第三代先进复合材料的技术需求日益迫切。充分利用热固性和(或)热塑性树脂以及刚性纳米粒子的各自特性，与层间增强、增韧、增刚的技术相结合，是复合材料多尺度强韧化技术发展方向，也将推动第三代复合材料制造技术升级。

2、石墨烯是由sp2杂化碳原子形成的，是一种具有密集蜂窝结构单层碳的二维纳米材料，是石墨材料(石墨、碳纳米管、富勒烯等)的基本构建。由于石墨烯特殊的结构，使其具备多种优异性能。比如，石墨烯的理论断裂强度为130gpa，比钢高100倍，是目前强度最高的材料，同时还具有较好的韧性，理论弹性模量达1.0tpa。因此，石墨烯成为强韧化纤维复合材料力学性能的理想填料。

3、但是现有技术中存在许多制约石墨烯强韧化复合材料的瓶颈，比如石墨烯在树脂基体中的分散问题。研究表明，石墨烯具有超大的比表面积，极易在树脂中发生团聚。而且，传统的分散工艺比如超声、机械搅拌也很难将石墨烯的团聚体打散，从而不能充分发挥石墨烯的力学增强作用，上述分散工艺甚至引起缺陷，反而会降低复合材料的力学性能。

4、另外，对于石墨烯改性连续型纤维复合材料而言，如何使得石墨烯成功穿过狭窄的连续型纤维之间的间隙，确保石墨烯均匀分散在复合材料中，一直是一个很大的挑战。碳纤维的直径一般为5-10微米，它在树脂基碳纤维复合材料中的体积百分比往往达到60％或以上(重量百分比70％以上)，例如环氧树脂基碳纤维复合材料，图2为碳纤维环氧树脂复合材料横截面的示意图，假设碳纤维的直径为7微米(如日本东丽产t700碳纤维)，它在复合材料中占有的体积比为60％，并且碳纤维均匀地分散在环氧树脂基体中，跟据图2中推导的公式计算，相邻碳纤维之间的距离为不到2微米。石墨烯颗粒经分散剥离后，单个的石墨烯片虽然很薄，呈纳米尺度，但在二维方向上其尺寸可达20微米甚至100微米，这样的话石墨烯片根本不能通过碳纤维的间隙，从而导致其在复合材料内分布的不均匀。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯协同强韧化纤维复合材料及其制备方法。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种石墨烯协同强韧化纤维复合材料的制备方法，包括：

4、使具有第一尺寸的石墨烯和具有第二尺寸的石墨烯分散于热固性树脂中，获得第一分散体系，其中，第一尺寸小于第二尺寸；

5、使所述第一分散体系与固化剂和/或催化剂均匀混合，获得第二分散体系；

6、使所述第二分散体系与纤维基材复合，在复合过程中，所述具有第一尺寸的石墨烯至少能够进入纤维基材中纤维之间的间隙中，而所述具有第二尺寸的石墨烯则富集在纤维基材表面和/或层间，获得石墨烯协同强韧化纤维复合材料。

7、第二方面，本发明还提供一种石墨烯协同强韧化纤维复合材料，包括复合的纤维基材以及复合相，所述复合相包括热固性树脂、具有第一尺寸的石墨烯以及具有第二尺寸的石墨烯，其中，第一尺寸小于第二尺寸；

8、所述具有第一尺寸的石墨烯分布于所述纤维基材中纤维之间的间隙中，所述具有第二尺寸的石墨烯分布于所述纤维基材的表面和/或层间。

9、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

10、本发明提供的一种大-小石墨烯协同强韧化纤维复合材料及制备方法，优化了不同尺寸的石墨烯片在复合材料内的空间布局，使得其优异的力学性能得以充分发挥，同步实现纤维复合材料的层内增强和层间韧双重目的。

11、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

技术特征：

1.一种石墨烯协同强韧化纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述具有第一尺寸的石墨烯的平均直径在2μm以下，所述具有第二尺寸的石墨烯的平均直径为5-100μm；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述具有第一尺寸的石墨烯和具有第二尺寸的石墨烯的分散方法包括超声、球磨、碾磨、机械搅拌以及微流控中的任意一种或两种以上的组合。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热固性树脂包括环氧树脂、聚酯、酚醛树脂、乙烯基脂以及双马来酰亚胺中的任意一种或两种以上的组合；

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述具有第一尺寸的石墨烯和/或具有第二尺寸的石墨烯可选择地经过修饰处理；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用热熔法使所述第二分散体系与纤维基材充分浸润，获得复合材料前体；然后使所述复合材料前体中的热固性树脂固化，获得所述纤维复合材料。

7.一种石墨烯协同强韧化纤维复合材料，其特征在于，包括复合的纤维基材以及复合相，所述复合相包括热固性树脂、具有第一尺寸的石墨烯以及具有第二尺寸的石墨烯，其中，第一尺寸小于第二尺寸；

8.根据权利要求7所述的石墨烯协同强韧化纤维复合材料，其特征在于，所述具有第一尺寸的石墨烯的平均直径在2μm以下，所述具有第二尺寸的石墨烯的平均直径为5-100μm；

9.根据权利要求7所述的石墨烯协同强韧化纤维复合材料，其特征在于，所述复合相中具有第一尺寸的石墨烯的含量为0.1-5wt％；

10.根据权利要求7所述的石墨烯协同强韧化纤维复合材料，其特征在于，所述石墨烯协同强韧化纤维复合材料为单层或多层叠加。

技术总结
本发明公开了一种石墨烯协同强韧化纤维复合材料及其制备方法。所述制备方法包括：使具有第一和第二尺寸的石墨烯分散于热固性树脂中，获得第一分散体系，第一尺寸小于第二尺寸；使所述第一分散体系与固化剂和/或催化剂均匀混合，获得第二分散体系；使所述第二分散体系与纤维基材复合，获得纤维复合材料，所述纤维基材中的纤维间隙的尺寸小于所述具有第二尺寸的石墨烯的平均直径并且与所述具有第一尺寸的石墨烯的平均直径相匹配。本发明提供的石墨烯协同强韧化纤维复合材料及制备方法，优化了不同尺寸的石墨烯片在复合材料内的空间布局，使得其优异的力学性能得以充分发挥，同步实现纤维复合材料的层内增强和层间韧双重目的。

技术研发人员：欧云福,祝令状,王梦杰,吴龙强,赵红晨,茅东升
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16