一种碳基复合材料及其制备方法和用途
阅读说明：本技术 一种碳基复合材料及其制备方法和用途 (Carbon-based composite material and preparation method and application thereof ) 是由 陆伟 严海 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明属于功能材料领域,特别涉及一种碳基复合材料及其制备方法和用途。一种碳基复合材料包括第一基材、第二基材和络合剂,所述第一基材包括以下重量份的原料组分：石墨烯25～35份,碳纤维15～25份,助剂2～8份,加强料10～25份；所述第二基材包括以下重量份的原料组分：柠檬酸钠2～15份,三价铁盐4～15份,溶剂5～10份,醋酸钠5～10份。本申请通过石墨烯、碳纤维、助剂、加强料、柠檬酸钠以及三价铁盐之间进行融合反应,得到的碳基复合材料具有优越的电磁辐射吸收效果,能对不同波长的电磁辐射进行有效吸收,对电磁辐射吸收性强,吸收范围广泛,能有效降低电磁辐射从而保护人类健康安全。(The invention belongs to the field of functional materials, and particularly relates to a carbon-based composite material, and a preparation method and application thereof. The carbon-based composite material comprises a first base material, a second base material and a complexing agent, wherein the first base material comprises the following raw material components in parts by weight: 25-35 parts of graphene, 15-25 parts of carbon fiber, 2-8 parts of an auxiliary agent and 10-25 parts of a reinforcing material; the second base material comprises the following raw material components in parts by weight: 2-15 parts of sodium citrate, 4-15 parts of ferric iron salt, 5-10 parts of a solvent and 5-10 parts of sodium acetate. This application fuses the reaction through carrying out between graphite alkene, carbon fiber, auxiliary agent, reinforcing material, sodium citrate and the ferric salt, and the carbon base combined material who obtains has superior electromagnetic radiation absorption effect, can carry out the effective absorption to the electromagnetic radiation of different wavelength, and is strong to the electromagnetic radiation absorptivity, and absorption range is extensive, thereby can effectively reduce electromagnetic radiation and protect human healthy safety.)
技术领域
本发明属于功能材料领域，特别是涉及一种碳基复合材料及其制备方法和用途。
背景技术
当前，随着科学技术的迅速发展，各类电子设备被广泛应用于生产、生活以及国防科技等各领域，如信息、通讯领域、交通运输领域、军事领域、工农业生产等等。无处不在的电子设备，为人们的生产、生活、国家的安全带来了便利和保障，但也使得我们生产、生活环境遍布电磁辐射，这些辐射，有时会对环境造成污染、危机人体健康，从而成为继废气、废水、废渣和噪声之后的人类环境的又一公害。目前研究发现，电磁波会扰乱人体自然生理节律，导致机体平衡紊乱，而人体内的大分子细胞大部分为极性分子，极性分子在体内形成了偶极子，当有外电场作用时沿着电场方向取向排列而产生极化，偶极子在转动的过程中就会消耗电磁能，这部分能量将以热量的形式耗散掉。如果人们长时间处于这种充满电磁辐射的环境中会影响人体的循环系统、免疫系统以及生殖和代谢功能等。此外，空间内大量电磁波的使用，使得电磁波之间相互干扰，使得电子产品功能异常，影响到信息通讯的稳定性，也会对诸如航空航天、民用和军事等重要领域的正常工作产生影响，极端情况下，甚至可能会造成严重的安全事故，因此，为了减少电磁波对人们日常的影响，电磁波吸收材料简称吸波材料的研究和应用受到广泛关注。
公开号CN108671950B公开了一种碳基碳化钼复合材料及其制备方法，以红枣和钼酸盐为原料，先将红枣表面洗净，放入烘箱中烘干；然后将钼酸盐和枣一起放入去离子水中搅拌，再超声，使得红枣和钼酸盐完全混合均匀，混合均匀后，放入反应釜中，再将反应釜放入200℃的温度下反应24-48h；反应结束后，进行抽滤除杂，将产物先放入冰箱冷冻，再放入冷冻干燥机内冷冻干燥；冷冻干燥完全后，放入管式炉中进行高温退火处理，处理时需在氩气或者氦气的保护下，管式炉先按照2℃/min的速率升温，一直升温至750-850℃，然后保温3小时，最后降温到室温，降温完全后即可得到产物。但是该专利得到的碳基碳化钼复合材料无法对电磁辐射进行过滤吸纳，容易导致电磁辐射对人体造成伤害。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种碳基复合材料及其制备方法和用途，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。
本发明目的之一在于提供一种碳基复合材料，所述碳基复合材料包括第一基材、第二基材和络合剂，其中，
所述第一基材包括以下重量份的原料组分：
石墨烯25～35份
碳纤维15～25份
助剂2～8份
加强料10～25份；
所述第二基材包括以下重量份的原料组分：
柠檬酸钠2～15份
三价铁盐4～15份
溶剂5～10份
醋酸钠5～10份。
优选地，所述柠檬酸钠为二水合柠檬酸钠。
优选地，所述三价铁盐选自氯化铁、硝酸铁和硫酸铁中的一种或多种。具体地，三价铁盐为氯化铁。更具体地，所述三价铁盐为六水合氯化铁。
优选地，所述第一基材、第二基材和络合剂的质量比为(1～2)：1：3。
优选地，所述助剂选自煤焦沥青、碳黑、甲醇、六亚甲基四胺和硬脂酸锌中的一种或多种。
优选地，所述加强料选自玄武岩纤维和玻璃纤维中的一种或两种。
更优选地，所述玄武岩纤维和所述玻璃纤维的质量比为(2～4)：1。
优选地，所述溶剂选自乙二醇和二甘醇中的一种或两种。
更优选地，所述乙二醇和二甘醇的质量比为(7～9):1。
优选地，所述络合剂选自聚乙烯吡咯烷酮。
优选地，所述第一基材的制备方法为：将所述第一基材的各原料组分按照配比混合，在保护气氛中进行聚合反应，得到所述的第一基材。
更优选地，所述聚合反应的温度为400～450℃。
更优选地，所述聚合反应的时间为1～2h。
更优选地，所述聚合反应还包括后处理。具体地，所述后处理包括蒸发或冷却。
进一步优选地，所述蒸发的温度为800℃～850℃。本申请中蒸发是为了固化，提高聚合反应所得产物的纯度。
进一步优选地，所述蒸发的时间为2～3h。
进一步优选地，所述冷却至25～45℃。
更优选地，所述保护气氛选自氩气或惰性气体。
更优选地，所述保护气氛选自氮气和氩气的混合物。
进一步优选地，所述氮气与所述氩气的质量比为2:3。
优选地，所述第二基材的制备方法为：将所述第二基材中的柠檬酸钠、氯化铁和溶剂混合并进行置换反应，然后加入醋酸钠进行氧化还原反应，得到所述的第二基材。
更优选地，所述氧化还原反应的温度为200℃～220℃。
更优选地，所述氧化还原反应的时间为8～10h。
优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮的制备方法为：N-乙烯基吡咯烷酮和添加剂进行复分解反应，然后加入引发剂进行聚合反应，得到所述的聚乙烯吡咯烷酮。
更优选地，所述添加剂选自吡啶、三苯基膦、氯化铜和氯化铁中的一种或多种。
更优选地，所述引发剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异丁酸二甲酯、偶氮二甲基丁腈、过氧化苯甲酰、异丙苯过氧化氢、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯、过氧化甲乙酮、过氧化二碳酸二环己酯、过氧化环己酮、过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化二碳酸二异丙酯或过氧化月桂酰的一种或多种。
更优选地，所述复分解反应的温度为55～95℃。
更优选地，所述复分解反应的温度为1～3h。
更优选地，所述聚合反应的温度为70～100℃。
更优选地，所述N-乙烯基吡咯烷酮、添加剂和引发剂的质量比为(2～5):(5～18):(1～2)。
更优选地，所述聚合反应在保护气氛中进行。
更进一步优选地，所述保护气氛为氮气。
更优选地，所述引发剂的添加方式为分次添加。具体地，先加入引发剂总质量的1/4，然后间隔一定时间注入占总质量1/4的引发剂，直至引发剂添加完成。本申请中通过分次添加来控制反应速率从而提高了聚乙烯吡咯烷酮的纯度。
本发明的目的之二在于提供上述所述的碳基材料的制备方法，将所述第一基材、第二基材和络合剂混合，得到所述的碳基材料。
优选地，混合时，搅拌速度为150～250r/min，搅拌时间为10～12h。
本发明的目的之三在于提供一种碳基材料板，将上述所述的碳基材料压制成料胚，然后加压烧结，得到所述碳基材料板。
优选地，所述烧结温度为800～1300℃。
优选地，所述压力为15～30MPa。
本发明的目的之四在于提供上述所述的碳基材料作为电磁波吸收材料的用途。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本申请中碳基材料的原材料环保，制备工艺简单易于实现，且制备过程中不产生有害物质。
2)本申请通过石墨烯、碳纤维、助剂、加强料、柠檬酸钠以及三价铁盐之间进行融合反应，得到的碳基材料具有优越的电磁辐射吸收效果，可对不同波长的电磁辐射进行有效吸收，对电磁辐射吸收性强，吸收范围广泛，能有效降低电池辐射以及保护人类健康安全。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
采用Ceyear 3672B-S矢量网络分析仪，基参照美国材料实验协会标准ASTMD7449/D7449M-08中的同轴线传输/反射法测量技术要求测定材料的电复介电常数和复磁导率，根据传输线理论计算材料的RL值。
实施例1
本实施例，碳基材料及其制备方法，包括如下步骤：
制备第一基材：将石墨烯35份、碳纤维15份、助剂5份和加强料22份放入反应釜中混合，在保护气氛中于400℃进行聚合反应1h，然后以5℃/min的升温速率升至800℃蒸发2h以固化，然后冷却至25℃，得到第一基材。其中，加强料为玄武岩纤维和玻璃纤维的混合物，玄武岩纤维和玻璃纤维的质量比为4：1；助剂为甲醇；保护气氛为氩气和氮气的混合物，氮气与氩气的质量比为2：3。
制备第二基材：将二水柠檬酸钠6份和六水氯化铁6份加入反应釜内，然后加入10份溶剂进行置换反应，然后加入10份醋酸钠于200℃进行氧化还原反应8h，得到第二基材。其中，溶剂为乙二醇与二甘醇的混合物，二乙醇和二甘醇的质量比为7：1。
制备聚乙烯吡咯烷酮：N-乙烯基吡咯烷酮5份和添加剂5份在反应釜中于75℃进行复分解反应1h；维持温度不变，然后向反应釜内加入占总质量1/4的引发剂，同时向反应釜内注入氮气，在氮气的保护下进行聚合反应，然后每间隔3h向反应釜内注入占总质量1/4的引发剂，直至引发剂添加完成；将反应产物通过喷雾干燥形成粉末，得到聚乙烯吡咯烷酮。其中，引发剂为偶氮二异丁腈和偶氮二异丁酸二甲酯的混合物，偶氮二异丁腈和偶氮二异丁酸二甲酯的质量比为2:1；添加剂为氯化铜。
依次将第一基材、第二基材和络合剂按照质量比为2:1：3搅拌混合，在搅拌速度为150r/min下混合10h，得到碳基材料。
将上述得到的碳基材料压制成料胚，然后将料胚于21MPa和800℃烧结，保持压力不变，自然冷却到室温，得到碳基材料板，用于测试碳基材料的吸波性能。
实验证明，本实施例的碳基材料在7.1GHz有最大的反射率值-44dB，小于-10dB的有效吸收宽度达4.6GHz。
实施例2
本实施例，碳基材料及其制备方法，包括如下步骤：
制备第一基材：将石墨烯25份、碳纤维18份、助剂6份和加强料15份放入反应釜中混合，在保护气氛中于450℃进行聚合反应1h，然后以5℃/min的升温速率升至800℃蒸发2h以固化，然后冷却至25℃，得到第一基材。其中，加强料为玄武岩纤维和玻璃纤维的混合物，玄武岩纤维和玻璃纤维的质量比为4：1；助剂为甲醇；保护气氛为氩气和氮气的混合物，氮气与氩气的质量比为2：3。
制备第二基材：将二水柠檬酸钠6份和六水氯化铁15份加入反应釜内，然后加入20份溶剂进行置换反应，然后加入8份醋酸钠于200℃进行氧化还原反应8h，得到第二基材。其中，溶剂为乙二醇与二甘醇的混合物，二乙醇和二甘醇的质量比为6：1。
制备聚乙烯吡咯烷酮：N-乙烯基吡咯烷酮5份和添加剂6份在反应釜中于95℃进行复分解反应3h；维持温度不变，然后向反应釜内加入占总质量1/4的引发剂，同时向反应釜内注入氮气，在氮气的保护下进行聚合反应，然后每间隔3h向反应釜内注入占总质量1/4的引发剂，直至引发剂添加完成；将反应产物通过喷雾干燥形成粉末，得到聚乙烯吡咯烷酮。其中，引发剂为偶氮二异丁腈和偶氮二异丁酸二甲酯的混合物，偶氮二异丁腈和偶氮二异丁酸二甲酯的质量比为2:1；添加剂为氯化铜。
依次将第一基材、第二基材和络合剂按照质量比为2:1:3混合，在搅拌速度为250r/min下混合10h，得到碳基材料。
将上述得到的碳基材料压制成料胚，然后将料胚于20MPa和1300℃烧结，保持压力不变，自然冷却到室温，得到碳基材料板，用于测试碳基材料的吸波性能。
实验证明，本实施例的碳基材料在11.2GHz有最大的反射率值-52dB，小于-10dB的有效吸收宽度达4.9GHz。
实施例3
本实施例，碳基材料及其制备方法，包括如下步骤：
制备第一基材：将石墨烯35份、碳纤维25份、助剂8份和加强料25份放入反应釜中混合，在保护气氛中于400℃进行聚合反应1h，然后以5℃/min的升温速率升至800℃蒸发2h以固化，然后冷却至35℃，得到第一基材。其中，加强料为玄武岩纤维和玻璃纤维的混合物，玄武岩纤维和玻璃纤维的质量比为4：1；助剂为甲醇；保护气氛为氩气和氮气的混合物，氮气与氩气的质量比为2：3。
制备第二基材：将二水柠檬酸钠15份和六水氯化铁15份加入反应釜内，然后加入30份溶剂进行置换反应，然后加入10份醋酸钠于200℃进行氧化还原反应8h，得到第二基材。其中，溶剂为乙二醇与二甘醇的混合物，二乙醇和二甘醇的质量比为7：1。
制备聚乙烯吡咯烷酮：N-乙烯基吡咯烷酮5份和添加剂5份在反应釜中于65℃进行复分解反应2h；维持温度不变，然后向反应釜内加入占总质量1/4的引发剂，同时向反应釜内注入氮气，在氮气的保护下进行聚合反应，然后每间隔3h向反应釜内注入占总质量1/4的引发剂，直至引发剂添加完成；将反应产物通过喷雾干燥形成粉末，得到聚乙烯吡咯烷酮。其中，引发剂为偶氮二异丁腈和偶氮二异丁酸二甲酯的混合物，偶氮二异丁腈和偶氮二异丁酸二甲酯的质量比为2:1；添加剂为氯化铜。
依次将第一基材、第二基材和络合剂按照质量比为2:1:3混合，在搅拌速度为150r/min下混合10h，得到碳基材料。
将上述得到的碳基材料压制成料胚，然后将料胚于10MPa和1100℃烧结，保持压力不变，自然冷却到室温，得到碳基材料板，用于测试碳基材料的吸波性能。
实验证明，本实施例的碳基材料在8.2GHz有最大的反射率值-54dB，小于-10dB的有效吸收宽度达5.8GHz。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。