[发明专利]纤维表面定向有序组装石墨烯层的高导热陶瓷基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种纤维表面定向有序组装石墨烯层的高导热陶瓷基复合材料的制备方法，术特征在于原料预处理、浆料配置、有序组装、预制体制备、用化学气相渗透法制备纤维增强预制体的界面层以及陶瓷基体制备，使复合材料相对密度达到85％～95％。以碳纤维为例，本发明所提供的技术方案可以在高效、宏量化制备石墨烯有序组装碳纤维，形成石墨烯碳纤维核壳结构，经编织后可形成石墨烯二维贯通网络结构，或编织成多维预制体直接沉积界面层和基体制备复合材料。本发明的工艺稳定，可重复性高，成本低廉，产率较高，易于宏量化制备有序组装纤维和复合材料。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料的制备方法，涉及一种纤维表面定向有序组装石墨烯层的高导热，应用于超高温功能性陶瓷基复合材料领域。

背景技术

石墨烯是一种碳原子之间以sp²杂化二维纳米材料，只有一个原子层的厚度，是迄今为止发现的厚度最小的材料。由于其结构特殊，具有许多优异的性质，如：如理论比表面积远大于炭黑(900m²/g)和碳纳米管(100-1000m²/g)、超高的杨氏模量(约1.0TPa)、超高的热导率(约5000W·m^-1·K^-1)和超高的室温载流子迁移率(15000cm²/(V·s))等。这些优异的特性使石墨烯可以应用于众多领域，如石墨烯高导热/导电陶瓷基复合材料、石墨烯热管理器件、石墨烯高分子基复合材料等。

连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(C_f/SiC)克服了碳化硅陶瓷脆性大和可靠性差等致命弱点，具有耐高温、高强度、低密度、热膨胀小、抗热震性能好，不发生灾难性损毁等一系列优异性能，但是其功能性如导电导热性能较差。而随着工业生产技术以及航空航天技术的发展，对复合材料的需求不再单一化，正由之前作为单一构材料转向结构/功能一体化材料的方向发展。针对这一需求，目前解决方案主要是对纤维增强体或基体进行改性，中国专利CN108286187A报道了一种采用电泳沉积制备氧化石墨烯改性的碳纤维的方法，但是该方案无法保证氧化石墨烯定向有序的沉积到碳纤维上，无法完全发挥出石墨烯的性能。文献“Thermal and mechanical properties of SiC/SiC-CNTs compositesfabricated by CVI combined with electrophoretic deposition”报道了一种采用电泳沉积在SiC表面引入CNTs界面以提高复合材料导热性能的方法，但导热性能只提高了1.74倍。这是因为在基体中引入CNTs无法在复合材料中构建一个立体导热通道，从而在热传导的过程中，无法在复合材料内的各个方向同时导热，因此热导率的提升并不明显。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种纤维表面定向有序组装石墨烯层的高导热陶瓷基复合材料的制备方法，利用浆纱工艺可定向有序地将石墨烯组装到碳纤维上，构建石墨烯和碳纤维核壳结构，经编制后可完成二维石墨烯网络或三维石墨烯网络结构构建，为提升复合材料功能性构建了一个有效的三维导热通道，可显著提高复合材料的导热性能。

技术方案

一种在纤维表面定向有序组装石墨烯层的高导热陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用酸试剂对石墨烯，在35～100℃下进行表面活化处理0.5～24小时；所述石墨烯与酸试剂之间的质量比为1:40～1:120；

步骤2：将预处理的石墨烯、分散剂与溶剂配置成0.1～50mg/mL的溶液，调节pH值至5～10得到浆液；所述分散剂与石墨烯的质量比为0.1～30；

步骤3：采用浆纱工艺将步骤2的浆料对纤维进行定向有序石墨烯组装，干燥后得到石墨烯组装后的纤维；