[發(fā)明專利]一種三維骨架石墨烯泡沫改性的疊層復合材料及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310008295.2
• 申請日: 2013-01-10
• 公開（公告）號: CN103057221A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設計）人: 郭妙才;益小蘇
• 申請（專利權）人: 中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院
• 主分類號: B32B27/04
• 分類號: B32B27/04;B32B9/04;B32B5/18;B32B37/00
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 李建英

技術領域

本發(fā)明屬于功能復合材料的制備技術領域，涉及一種三維骨架石墨烯泡沫改性的疊層復合材料及制備方法。

背景技術

連續(xù)碳纖維增強樹脂基疊層復合材料具有高的比強度和比剛度,在航空航空等領域的應用越來越廣,并且在飛機用材料中占的比例越來越大,但由于非金屬的結構和功能特點，也帶來了若干的問題.

首先連續(xù)碳纖維增強樹脂基疊層復合材料具有層內導電性不足，層間富樹脂層呈現(xiàn)高阻的特點，因此帶來了飛機的防雷擊、防電磁干擾、防靜電等問題。復合材料抗雷擊或提高導電性主要通過在復合材料的表面直接覆以一層導電層，如傳統(tǒng)的添加金屬網(wǎng)、金屬條等（WO2005032812-A2、US2005181203-A1）的方法和近年來大量專利和文獻報道的在復合材料里添加碳納米管紙、碳纖維/碳納米管等雜化導電材料，或者是與前者的表面層的納米導電復合等（如參考專利CN?102001448A、EP2289803-A2及US2011049292-A1）的方法；還有一種途徑是通過添加導電粒子等方法提高層間導電性，如US2009140098-A1提出了在復合材料樹脂基體中添加碳納米管以提高導電的方法等。

帶來的第二個問題疊層復合材料的導熱問題,層間的富樹脂區(qū)具有和多數(shù)有機高分子材料相似的很低的熱導率，導致這類復合材料在垂直碳纖維的方向具有較低的熱導率，并且在層厚方向具有更低的熱導率。在實際應用中，如在涉及到電氣電子的部分，對于高功率密度元器件，由于元器件體積的不斷減小對散熱提出了更高的要求，如飛行器發(fā)動機、剎車片等部件也需要材料具有良好的導熱性來避免熱量局部集中，導致過大的熱應力造成結構破壞。在防雷擊方面也不利于雷擊產生的大量熱量的擴散.傳統(tǒng)的復合材料提高熱導率的措施多數(shù)是集中于熱固性樹脂里直接添加熱導率較高的填料，如專利CN102040761A，這些專利在高分子樹脂基體中添加金屬、碳材料、導熱性較高的陶瓷等，尤其集中于利用輕質和高導熱的碳微米和納米材料，如在高分子基體中添加石墨粉、石墨片、碳纖維、納米碳纖維、碳納米管、石墨烯等。但針對于連續(xù)碳纖維復合材料的導熱性提高則報道則很少，相關的報道有：46th?International?SAMPE?Symposium?and?Exhibition.?2001:?Materials?and?Processes?Odyssey（2）：1530-1537，在層間直接添加氮化硼微粉，但不可避免造成抗低速沖擊性能下降；Carbon，50（3）:?1135-1145，2011在層間加入石墨納米片紙；Carbon，49（8）：?2817-2833,2010摻入碳納米管，但單獨的碳納米管具有分散性問題。

使用導電粒子和導熱粒子填充遇到的最大問題是有效的導電或導熱網(wǎng)絡的形成的困難，并且局限于粒子間高的接觸電阻和接觸熱阻，因此往往需要填充大量的粒子，才能夠使材料具備一定導電性或者是導熱性小幅度提高，且最后的導電性或導熱性遠低于純的導電或導熱物質。填充碳納米管的復合材料即使在高填充量下電導率也通常低于10^-2S/cm，利用連續(xù)的長碳納米管制備復合材料在納米管方向的電導率高于10³S/cm；摻雜石墨烯的復合材料導熱率只有0.4W/mk，而利用拉曼光譜儀測得的連續(xù)的石墨烯片層導熱率可達5000W/mk，造成填料粒子提高復合材料導電性或者導熱性效果不佳的最大原因就是粒子之間高的接觸電阻和接觸熱阻。

具有三維連續(xù)結構的石墨烯泡沫，或稱之為三維骨架石墨烯泡沫，直到2011年才被首次制備出來（Nature?Material?2011,?10:424-428,?CN102674321），并引起了廣泛的注意，目前已應用于制備導電和導熱復合材料(參見CN102732037)，如上文報道的石墨烯/聚二甲基硅氧烷復合材料，摻雜三維骨架石墨烯質量分數(shù)0.5%時，電導率達到了10S/cm，J.?Mater.?Chem?2011,?21:17366-17370報道的三維骨架石墨烯電導率達到了600S/cm并應用于太陽能電池，但這些泡沫和樹脂直接復合得到的材料相對于碳纖維疊層復合材料力學性能很差，目前也尚未將三維骨架石墨烯泡沫用于改性疊層復合材料來制備導電性和導熱性改進的疊層復合材料。

發(fā)明內容