本發(fā)明涉及在在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法，屬于材料化學制備技術領域。
背景技術：
石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化形成的具有蜂窩狀晶體結構二維納米材料，獨特的晶格結構使其具有優(yōu)異的力學、電學、光學和熱學性能。石墨烯在場效應晶體管、高頻電子器件、透明導電薄膜、復合材料、儲能材料、電化學傳感器等方面具有廣闊的應用前景。
目前制備石墨烯的方法主要有微機械剝離法、sic外延生長法、氧化還原法以及化學氣相沉積法?；瘜W氣相沉積法主要是在高溫條件下利用銅箔催化碳源裂解并在銅箔表面反應生成石墨烯薄膜。與氧化還原法制備得到的石墨烯相比較，化學氣相沉積法石墨烯缺陷較少具有更完美的晶格結構，所以化學氣相沉積法石墨烯具有更高的質量和優(yōu)異的導電性。由于石墨烯超常的物理和化學性質，其在復合材料領域的應用研究越來越多，特別在建筑材料領域也得到越來越廣的應用。研究表明與納米材料(碳納米管、石墨烯)結合會改變水泥的微觀性能。在水泥漿中引入納米材料可以減少孔隙率和水化速度導致產(chǎn)生更強和更耐久的產(chǎn)物。高的比表面積使納米材料可以有效的控制水泥基復合材料的微裂紋的擴展。
一般水泥基材料屬于脆性材料，它的抗拉、抗折強度低，脆性大，易開裂。因此，在水泥基材料中摻入鍍銅鋼纖維可以強化韌化水泥，從而提高水泥基材料的抗裂紋擴展能力和耐久性。但同時鍍銅鋼纖維與水泥基材料結合時又存在界面結合易于腐蝕等問題，所以利用化學氣相沉積法在鍍銅鋼纖維表面生長的石墨烯包覆膜可以有效改善這些問題。
本發(fā)明以鍍銅鋼纖維為基底，通過化學氣相沉積法在其表面生長石墨烯包覆膜，可以有效提高鍍銅鋼纖維在水泥基復合材料中的強度和耐腐蝕性，并可以作為水泥水化反應的形核點從而有利地促進水泥水化反應，使水泥形成致密的結構最終有效防止裂紋的產(chǎn)生提高水泥基復合材料的強度。在水泥基復合材料領域具有廣闊的應用前景。
技術實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種可以有效解決鋼纖維與水泥基復合材料界面結合問題并改善材料脆性和耐腐蝕性的方法。該方法利用化學氣相沉積法在鍍銅鋼纖維表面生長石墨烯包覆膜可以改善水泥基材料的微裂紋的擴展從而能夠提高水泥基復合材料的韌性。
技術方案：為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明的一種在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法采用的技術方案為：
將鍍銅鋼纖維用水清洗后懸空放入石英管中并在管式爐中進行一段時間的退火，之后在管式爐中通入載氣和碳源氣體通過常壓化學氣相沉積法在鍍銅鋼纖維表面生長石墨烯；
其中：
所述鍍銅鋼纖維的的長度為1-13mm、直徑為0.1-0.5mm。
所述的載氣為氬氣和氫氣，碳源氣體為甲烷。
所述的常壓化學氣相沉積法包括以下四個過程：
1)升溫過程：升溫階段的開始溫度為室溫,升溫速率為10℃/min,結束溫度為900-1050℃，氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm；
2)退火階段的溫度為900-1050℃，時間為20-30min,氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm。
3)生長階段的溫度為900-1050℃，時間為10-20min,氬氣、氫氣、甲烷的流量分別為200-300sccm、40-100sccm、4-10sccm。
4)降溫過程的降溫速率為20℃/min，氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm。
與其他制備石墨烯的方法相比，化學氣相沉積法制備的石墨烯結晶性好、質量高具有較少的結構缺陷從而可以有效減少水泥基體材料對鍍銅鋼纖維的腐蝕作用，提高了石墨烯包覆的鍍銅鋼纖維的耐久性。同時，由于化學氣相沉積的石墨烯包覆膜與鍍銅鋼纖維表面的銅箔之間的結合力較高，可以有效避免水泥基材料與未沉積石墨烯包覆層的鍍銅鋼纖維之間存在的界面結合弱問題。
有益效果：通過石墨烯與鋼纖維的協(xié)同作用可以有效提高鍍銅鋼纖維在水泥基復合材料中的強度和耐腐蝕性，并可以作為水泥水化反應的形核點從而有利地促進水泥水化反應，使水泥形成致密的結構最終有效防止裂紋的產(chǎn)生提高水泥基復合材料的強度。在水泥基復合材料領域具有廣闊的應用前景。與傳統(tǒng)的鍍銅鋼纖維增強水泥基石墨烯復合材料相比，本發(fā)明制備的高質量石墨烯包覆層具有穩(wěn)定的物理化學性質從而可以進一步提高鍍銅鋼纖維在水泥材料中的耐蝕性，同時石墨烯包覆層作為增強纖維與水泥基體的界面過渡材料提高了界面穩(wěn)定性與界面結合力，從而能抑制水泥材料中微裂紋的產(chǎn)生與拓展。因此，水泥基材料的強度和韌性都得到了提高。
具體實施方式
a.鍍銅鋼纖維的清洗：
將鍍銅鋼纖維先用丙酮超聲清洗5-15min,然后用乙醇超聲清洗5-15min,再用去離子水超聲清洗10-20min，最后用氮氣將清洗完成的鍍銅鋼纖維吹干備用；
b.鍍銅鋼纖維表面石墨烯的制備：
將吹干備用的鍍銅鋼纖維懸空放入石英管中，打開真空泵使真空降至5-15pa再用氬氣回填至常壓。設定好加熱程序后開始加熱。加熱過程分為以下四個連續(xù)階段:
1)升溫階段的開始溫度為室溫,升溫速率為10℃/min,結束溫度為900-1050℃，氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm。
2)退火階段的溫度為900-1050℃，時間為20-30min,氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm。
3)生長階段的溫度為900-1050℃，時間為10-20min,氬氣、氫氣、甲烷的流量分別為200-300sccm、40-100sccm、4-10sccm。
4)降溫過程的降溫速率為20℃/min，氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm。
降溫過程結束后取出制備完成的鍍銅鋼纖維，完成整個制備過程。
實施方案1：
1)將鍍銅鋼纖維放入盛有5-20ml的丙酮燒杯中超聲清洗5-15min,之后將鍍銅鋼纖維從丙酮中撈起放入乙醇中超聲清洗5-15min，將鍍銅鋼纖維撈起放入去離子水中超聲清洗10-20min，最后用氮氣吹干備用。
2)將吹干的鍍銅鋼纖維放入石英舟中,之后將鍍銅鋼纖維和石英舟裝載進氣相沉積系統(tǒng)的石英管中，之后用法蘭密封石英管，之后打開真空泵將石英管中的真空抽到5-15pa，最后使用氬氣將石英管回填至常壓。
3)石英管回填至常壓后開始加熱過程。首先，以10℃/min的加熱速度將石英管加熱到900℃，保持此過程中氬氣和氫氣的流量分別為100sccm、20sccm.
4)溫度達到900℃后開始退火過程，保持20min完成退火過程，以去除鍍銅鋼纖維表面的氧化物,退火過程中氬氣和氫氣的流量分別為100sccm、20sccm。
5)退火過程結束后開始生長過程，生長過程中溫度保持900℃不變，生長時間為10min,生長過程中氬氣、氫氣、甲烷的氣體流量分別為200sccm、40sccm、4sccm。
6)生長過程結束后，石英管以20℃/min的速率降溫至室溫，降溫過程中的氬氣和氫氣的流量分別為100sccm、20sccm。降溫結束后從石英管中取出鍍銅鋼纖維完成其表面石墨烯的制備。
實施方案2：
1).同于實施方案1的步驟1)。
2).同于實施方案1的步驟2)。
3).石英管回填至常壓后開始加熱過程。首先，以10℃/min的加熱速度將石英管加熱到1000℃，保持此過程中氬氣和氫氣的流量分別為150sccm、30sccm.
4).溫度達到1000℃后開始退火過程，保持24min完成退火過程，以去除鍍銅鋼纖維表面的氧化物,退火過程中氬氣和氫氣的流量分別為150sccm、30sccm。
5).退火過程結束后開始生長過程。生長過程中溫度保持1000℃不變，生長時間為14min,生長過程中氬氣、氫氣、甲烷的氣體流量分別為240sccm、50sccm、5sccm。
6).生長過程結束后，加熱結束，石英管以20℃/min的速率降溫至室溫，降溫過程中的氬氣和氫氣的流量分別為150sccm、30sccm。降溫結束后從石英管中取出鍍銅鋼纖維完成其表面石墨烯的制備。
實施方案3：
1).同于實施方案1的步驟1)。
2).同于實施方案1的步驟2)。
3).石英管回填至常壓后開始加熱過程。首先，以10℃/min的加熱速度將石英管加熱到1020℃，保持此過程中氬氣和氫氣的流量分別為180sccm、40sccm.
4).溫度達到1020℃后開始退火過程，保持28min完成退火過程，以去除鍍銅鋼纖維表面的氧化物,退火過程中氬氣和氫氣的流量分別為180sccm、40sccm。
5).退火過程結束后開始生長過程。生長過程中溫度保持1020℃不變，生長時間為18min,生長過程中氬氣、氫氣、甲烷的氣體流量分別為280sccm、80sccm、8sccm。
6).生長過程結束后，加熱結束，石英管以20℃/min的速率降溫至室溫，降溫過程中的氬氣和氫氣的流量分別為180sccm、40sccm。降溫結束后從石英管中取出鍍銅鋼纖維完成其表面石墨烯的制備。
實施方案4：
1).同于實施方案1的步驟1)。
2).同于實施方案1的步驟2)。
3).石英管回填至常壓后開始加熱過程。首先，以10℃/min的加熱速度將石英管加熱到1050℃，保持此過程中氬氣和氫氣的流量分別為200sccm、50sccm.
4).溫度達到1050℃后開始退火過程，保持30min完成退火過程，以去除鍍銅鋼纖維表面的氧化物,退火過程中氬氣和氫氣的流量分別為200sccm、50sccm。
5).退火過程結束后開始生長過程。生長過程中溫度保持1050℃不變，生長時間為20min,生長過程中氬氣、氫氣、甲烷的氣體流量分別為300sccm、100sccm、10sccm。
6).生長過程結束后，加熱結束，石英管以20℃/min的速率降溫至室溫，降溫過程中的氬氣和氫氣的流量分別為200sccm、50sccm。降溫結束后從石英管中取出鍍銅鋼纖維完成其表面石墨烯的制備。