一种三维石墨烯增强碳纤维复合材料及其制备方

本发明属于碳纤维复合材料，具体涉及一种三维石墨烯增强碳纤维复合材料及其制备方法和应用。背景技术：1、碳纤维增强树脂基复合材料(cfrp)具有出色的比强度和刚度，在设备减重方面具备巨大的优势，在航空航天领域得到了广泛的应用。尽管cfrp具有诸多优势，但相较于传统的金属材料，其导电能力的局限性却在一定程度上制约了其在特定领域的应用，比如在飞机结构材料的应用中，cfrp由于导电性较差，一旦遭遇雷击，极易导致结构遭受破坏，这是由于一维的碳纤维在制成二维薄膜时，碳纤维间无法形成有效的导电通路，导致其接触电阻较大。另外，碳纤维编制材料、碳纤维毡材料等均由碳纤维制成，碳纤维之间的界面结合力较弱，没有有效的结合，在外力作用下，碳纤维之间容易发生相对滑动或分离，导致其在后续使用过程中极易散开，影响其使用。虽然使用树脂上浆剂可以有效解决这一问题，但是上浆剂的使用会影响碳纤维的导电性并增加材料的重量。另外，上浆剂对高温及有机溶剂的耐受性较差，从而限制了其在特殊环境下的应用。2、因此，提高碳纤维复合材料的导电性以及其力学性能，对拓宽其应用场景具有重大的意义。3、公开号为cn110670345a的中国专利文献公开了一种织构化碳纤维布/碳纳米管复合材料的制备方法，该方法以浸渍了硝酸镍的棉布作为基底，硝酸镍作为镍源，乙腈作为碳源，在氮气气氛中碳化后化学气相沉积，通过调整硝酸镍的量、化学气相沉积时间以及氮气气流速度来控制碳纳米管的形貌，其中碳纳米管的生长提高了织构化碳纤维布的导电性和力学性能。4、公开号为cn117038892a的中国专利文献公开了一种碳纤维增强碳基复合材料及其制备方法，该发明以天然气为热解碳源，采用等温化学气相渗积工艺对导电碳纤维预制体(针刺碳纤维毡、碳纤维编织物等)进行热解碳渗积，以获得具有核/壳结构、并含有一定孔隙率的碳纤维增强碳基复合材料；随后在保护性气体氛围下，对碳纤维增强碳基复合材料进行高温石墨化处理，以提高其导电性能和力学性能。5、但是，上述工艺对温度的要求较为苛刻，热处理过程需耗费大量能量。因此，克服现有技术的不足，实现低成本、灵活可控的碳纤维复合材料改性对于其性能提升及应用范围拓展具有重大意义。技术实现思路1、针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种三维石墨烯增强碳纤维复合材料的制备方法，该方法工艺简单，易于实施，能够对石墨烯的含量以及分布进行精确控制，提高复合材料的导电性和力学性能。2、具体采用的技术方案如下：3、一种三维石墨烯增强碳纤维复合材料的制备方法，包括：4、(1)将苯并噁嗪类化合物溶于有机溶剂中，得到苯并噁嗪溶液，将苯并噁嗪溶液涂覆在碳纤维预制体上，干燥；所述的碳纤维预制体包括碳纤维毡、碳纤维编织物或碳纤维无纺布；5、(2)通过激光处理步骤(1)得到的碳纤维预制体，清洗并干燥后得到所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料；6、激光处理过程中使用的激光光源为co2激光，激光功率为2.5～17.5w，扫描速度为6～40cm/s，z轴散焦距离为0～7mm，进一步的，激光功率为10～17.5w，扫描速度为15～40cm/s，z轴散焦距离为3～7mm。7、本发明利用有机碳前体在碳纤维预制体中原位激光诱导石墨化实现对碳纤维的“碳-碳”原位焊接。在碳纤维间形成了交联点及导电通路，使得材料的力学性能及导电性大幅提升。而通过焊接线路的网格/点阵化设计，还可以保持材料的低密度及良好的柔性。8、苯并噁嗪类化合物的浓度是形成“碳-碳”原位焊接，在碳纤维间形成了交联点及导电通路，提升材料的力学性能及导电性的关键参数之一，优选的，苯并噁嗪溶液中，苯并噁嗪类化合物的浓度为0.01～1g/ml。9、具体的，所述的有机溶剂包括但不限于乙醇、乙腈、丙酮、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、三氯甲烷、二甲基亚砜、乙酸乙酯等。10、所述的苯并噁嗪类化合物的结构式如式(i)所示：11、12、其中，r1选自取代或未取代的苯基、糠基或萘基；r2选自取代或未取代的烷基、烷氧基、苯基或萘基。13、优选的，r1选自苯基或糠基，r2选自–c8h17、–c6h13或–c4h9；上述苯并噁嗪类化合物制成的三维石墨烯增强碳纤维复合材料导电性和力学性能更好。14、所述的碳纤维预制体由碳纤维制成，碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维或木质素纤维基碳纤维等。15、具体的，步骤(2)中，通过激光对步骤(1)得到的碳纤维预制体进行图案化处理，激光的辐照路径包括但不限于直线、曲线、网格、圆形点阵、圆环、扇形或多边形等。16、优选的，激光的辐照路径为网格，网格间距为0.5～10mm，线宽为0.2～3mm。17、优选的，激光的辐照路径为圆形点阵，点与点之间的间距为0.5～10mm，圆点的直径为0.5～3mm。18、本发明还提供了所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料的制备方法制得的三维石墨烯增强碳纤维复合材料。19、本发明还提供了所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料在导热和/或电磁屏蔽领域中的应用。20、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：21、(1)本发明通过石墨烯对碳纤维预制体进行改性，与采用上浆剂相比，得到的是全碳材料，具有耐高温、耐有机溶剂等优势。一方面，通过石墨烯对碳纤维进行“焊接”之后，可以在碳纤维之间形成有效的导电通路，提高复合材料的导电性。另一方面，经过石墨烯“焊接”之后，起到了类似交联点的作用，增加了碳纤维之间的作用力，增强了复合材料的力学性能。22、(2)得益于激光直写技术的扫描可编辑性，可以对激光扫描路径进行图案化设计，对石墨烯的含量以及分布进行精确控制，以此来减轻复合材料的密度并提高复合材料制备效率。23、(3)本发明方法制得的三维石墨烯增强碳纤维复合材料，较未改性的碳纤维预制体，电导率提高了20-720％，断裂强度提高了40-600％，具有密度小，耐高低温，耐腐蚀，导电性好等多项优点。技术特征：1.一种三维石墨烯增强碳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所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，苯并噁嗪溶液中，苯并噁嗪类化合物的浓度为0.01～1g/ml。3.根据权利要求1所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂包括乙醇、乙腈、丙酮、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、三氯甲烷、二甲基亚砜、乙酸乙酯中的至少一种。4.根据权利要求1所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，苯并噁嗪类化合物的结构式如式(i)所示：5.根据权利要求1所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，通过激光对步骤(1)得到的碳纤维预制体进行图案化处理，激光的辐照路径为直线、曲线、网格、圆形点阵、圆环、扇形或多边形。6.根据权利要求5所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，激光的辐照路径为网格，网格间距为0.5～10mm，线宽为0.2～3mm。7.根据权利要求5所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，激光的辐照路径为圆形点阵，点与点之间的间距为0.5～10mm，圆点的直径为0.5～3mm。8.根据权利要求1-7任一所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料的制备方法制得的三维石墨烯增强碳纤维复合材料。9.根据权利要求8所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料在导热和/或电磁屏蔽领域中的应用。技术总结本发明公开了一种三维石墨烯增强碳纤维复合材料及其制备方法和应用，属于碳纤维复合材料技术领域，该方法包括：(1)将苯并噁嗪溶液涂覆在碳纤维预制体上，干燥；所述的碳纤维预制体包括碳纤维毡、碳纤维编织物或碳纤维无纺布；(2)通过激光处理步骤(1)得到的碳纤维预制体，清洗并干燥后得到所述的三维石墨烯增强碳纤维复合材料；激光处理过程中使用的激光光源为CO