[发明专利]一种石墨烯/玄武岩纤维多尺度材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯/玄武岩纤维多尺度材料及其制备方法与应用，包括以下步骤：(1)将氧化石墨烯与氨基硅烷偶联剂在溶剂存在下反应，得到氨基化处理的氧化石墨烯；对玄武岩纤维依次进行去胶、粗化处理，得到预处理后的玄武岩纤维；(2)将步骤(1)得到的氨基化处理的氧化石墨烯分散于有机溶剂中，得到分散液，将预处理后的玄武岩纤维浸渍于分散液中，过滤清洗后在氢气条件下干燥处理，得到所述石墨烯/玄武岩纤维多尺度材料。本发明制备的石墨烯/玄武岩纤维多尺度材料，石墨烯均匀牢固地修饰在纤维表面，且表面修饰的石墨烯氧含量低，可作为增强材料用于铜基复合材料中，可有效提高玄武岩纤维与铜基体的结合强度。

技术领域

本发明涉及新材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯/玄武岩纤维多尺度材料及其制备方法与应用。

背景技术

玄武岩纤维是一种在近些年快速发展新兴的纤维，其来源广泛、资源丰富、性能优异，低制造成本，是以碳纤维为代表的高性能纤维的理想替代品，可以广泛应用于多种民生及军工领域。目前，高强纤维的在复合材料领域得到了非常广泛的应用。玄武岩纤维作为“四大纤维”之一，因其造价低廉，性能高，在金属基复合材料的领域发展的十分迅速。

玄武岩纤维增强铜基复合材料综合了玄武岩纤维高强度、高模量的特点和铜优异的导电导热性而被广泛研究重视。然而，由于玄武岩纤维与铜基体的相互不润湿性，造成二者之间较差的界面结合力，往往会限制玄武岩纤维增强体性能的发挥。目前，提高玄武岩纤维与铜基体之间结合强度的研究主要集中在铜基体的合金化和玄武岩纤维表面改性两个方面。合金化方法虽然能够有效提高纯铜的力学性能，但是材料的塑性和导电导热性能也会显著降低；传统的玄武岩纤维表面改性方法主要为玄武岩纤维表面金属层，然而在高温烧结时，金属层更容易与铜基体结合而从碳纤维表面剥离。此外，专利CN107254066A公开了一种制备氧化石墨烯接枝玄武岩纤维多尺度增强体的方法，采用表面接枝的方法，先利用多巴胺包覆玄武岩纤维，然后将氨基化石墨烯接枝到多巴胺改性的玄武岩纤维表面，得到氧化石墨烯接枝玄武岩纤维多尺度增强体。上述方法虽提高了玄武岩纤维的浸润性和粗糙度，并在一定程度上提高了其与复合材料中基体之间的界面相容性，但改性后的纤维表面氧化石墨烯分布不均且粘附效果不佳，因此复合材料强度方面的改善效果有限。为进一步提高石墨烯在玄武岩纤维表面的分散以及粘附效果，以满足表面处理后的玄武岩纤维满足应用性能要求，亟需一种新的玄武岩纤维表面改性处理工艺来提高其与铜基体界面强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种石墨烯/玄武岩纤维多尺度材料及其制备方法与应用，本发明利用包含氨基官能团的硅烷偶联对氧化石墨烯进行改性处理，提高氧化石墨烯在分散液中的分散稳定性，并通过氨基与氧化石墨烯表面的羧基反应生成的酰胺键与玄武岩纤维表面的极性基团反应，将氧化石墨烯均匀且牢固地接枝到玄武岩纤维表面，然后在氢气条件下干燥得到低氧含量的石墨烯修饰的玄武岩纤维。制备得到的石墨烯/玄武岩纤维多尺度材料可作为增强材料用于铜基复合材料中，表面石墨烯一方面可加强纤维与铜基体界面机械啮合作用，同时在界面处经高温烧结后形成Cu-O-C，界面结合牢固，进一步提高铜基复合材料的机械强度。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

本发明第一方面提供了一种石墨烯/玄武岩纤维多尺度材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯与氨基硅烷偶联剂在溶剂存在下反应，得到氨基化处理的氧化石墨烯；对玄武岩纤维依次进行去胶、粗化处理，得到预处理后的玄武岩纤维；

(2)将步骤(1)得到的氨基化处理的氧化石墨烯分散于有机溶剂中，得到分散液，将预处理后的玄武岩纤维浸渍于分散液中，过滤清洗后在氢气条件下干燥处理，得到所述石墨烯/玄武岩纤维多尺度材料。