[發明專利]一種具有石墨烯互穿網絡結構的疊層復合材料

在審

• 申請號: 202011200115.7
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112477309A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 曾尤;孫新陽;王函;張建崗;馬超群;任文才;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B32B9/00
• 分類號: B32B9/00;B32B9/04;C08J5/04;C08J5/00;C08L63/00;C08L83/04;C08L61/06;C08K7/06;C08K3/04;C08K7/24
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明涉及結構/功能復合材料領域，具體為一種具有石墨烯互穿網絡結構的疊層復合材料。以高質量石墨烯泡沫層為導熱增強體與碳纖維布層形成水平方向的疊層取向結構，垂直方向上利用材料的多孔結構在鋪層材料的孔隙處原位構筑石墨烯三維連續網絡，形成碳纖維布層、石墨烯泡沫層與石墨烯三維連續網絡之間的混雜互穿網絡結構，最后將基體材料注入其中，獲得兼具高導熱及高力學性能的石墨烯/碳纖維/聚合物基復合材料。利用高質量石墨烯泡沫層與石墨烯三維連續網絡本征高導熱性能形成互穿網絡結構，賦予復合材料更高的熱導率，且有助于復合材料力學性能的提升，實現多尺度多組元間的協同增強效應。

技術領域

本發明涉及結構/功能復合材料領域，具體為一種具有石墨烯互穿網絡結構的疊層復合材料。

背景技術

碳纖維增強聚合物基復合材料具有密度小、熱膨脹系數低，高比強/比模量、制備工藝簡單等諸多優點，被廣泛應用于固體火箭發動機殼體、衛星/飛船桁架承力結構等航空航天領域。但隨著近年來飛行器內部電子器件的逐漸高度集成化、傳輸高速化和高功率化，傳統的碳纖維增強聚合物基復合材料由于其散熱能力不足越來越難以滿足功能性的需求，因此航空航天領域對于構筑高導熱高力學性能的結構/功能一體化復合材料提出了迫切的需求。

目前，傳統的航天器散熱材料大多采用在樹脂基體內添加無機導熱填料的方法提高碳纖維復合材料的導熱能力，但是這種方法存在很大不足，一方面隨著導熱填料的增加，碳纖維復合材料的力學性能顯著降低；另一方面由于無機導熱填料本身導熱能力不足，同時填料易被樹脂包覆導致其散熱能力無法體現，使得復合材料總體導熱性能的提升不顯著。而相比于傳統無機填料，石墨烯具有獨特的二維片層結構，具有優異的力學與電熱傳輸特性，其模量高達1TPa,拉伸強度130GPa、熱導率高達5300W/m K，被認為構筑高導熱高力學性能的結構/功能一體化復合材料的理想填料，近年來國內外針對高導熱石墨烯復合材料的設計與制備開展了一系列研究工作。但研究發現石墨烯粉體仍存在易被樹脂基體包覆導致其導熱性能與力學性能無法體現的問題，因此選擇合適的方法解決石墨烯粉體被樹脂基體包覆這一問題，從而發揮其優異的熱學與力學性能是使用石墨烯構筑高導熱高力學性能的結構/功能復合材料的關鍵。

近些年來人們通過研究發現導熱填料在基體中形成三維連續的導熱網絡可有效提升復合材料的導熱性能即導熱通路理論。根據導熱通路理論人們采用各種方式將石墨烯制備三維石墨烯連續宏觀體，并將其與基體復合后制備出了具有較高導熱性能的復合材料，例如：以泡沫金屬為骨架通過化學氣相沉積法制備出了高質量三維連續石墨烯泡沫，其與基體復合后具有優異的熱學與力學性能。也有人提出將高質量石墨烯泡沫與碳纖維進行疊層復合以提升復合材料的導熱及力學性能，但僅限于水平方向面內熱導率的提升，在垂直方向上，由于缺乏有效導熱通路的連接，其面外熱導率的提升仍然較低；且隨著石墨烯泡沫鋪層比例的增加，復合材料的層間剪切性能隨之降低，這嚴重的制約了石墨烯/碳纖維/聚合物復合材料做為高導熱結構材料的應用。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種具有石墨烯互穿網絡結構的疊層復合材料，解決傳統無機導熱填料以及石墨烯粉體填料對碳纖維復合材料導熱性能提升不顯著的問題。

為了實現上述技術目標，本發明所提出的技術方案是：

一種具有石墨烯互穿網絡結構的疊層復合材料，疊層復合材料由碳纖維布層、石墨烯泡沫層、石墨烯三維連續網絡以及樹脂基體組成，其中水平方向上碳纖維布層與石墨烯泡沫層交替鋪層構成疊層復合材料主體，垂直方向上在碳纖維布層與石墨烯泡沫層的孔隙處原位生長石墨烯三維連續網絡，碳纖維布層、石墨烯泡沫層、石墨烯三維連續網絡的組合結構由樹脂基體充分浸潤，并最終通過成型工藝獲得疊層復合材料。

所述的具有石墨烯互穿網絡結構的疊層復合材料，疊層復合材料的厚度為0.1cm～10cm。