本發(fā)明涉及表面處理技術領域，尤其涉及一種碳纖維復合材料界面層的制備方法。

背景技術：

碳纖維由于具有高比強度、高比模量以及一定的韌性而被作為復合材料增強體廣泛用于航空航天、土木建筑、汽車、體育休閑用品等領域。

對于復合材料而言，界面起到了傳遞載荷、損耗能量的關鍵作用。在制備碳纖維復合材料過程中，尤其對于陶瓷基復合材料，有報道采用在碳纖維表面引入熱解碳涂層(cvd法)或者碳納米管層，利用熱解碳涂層界面緩沖載荷而減少對碳纖維本身強度的損壞，利用碳納米管阻礙裂紋的擴展而達到界面增強的效果，同時碳納米管能增加裂紋的擴展路徑、吸收能量，從而實現(xiàn)界面增韌的目的。

目前，通常采用cvd法(chemicalvapordeposition，化學氣相沉積法)引入熱解碳涂層，采用cvd法或者epd(electrophoresisdeposition，電泳沉積法)法引入碳納米管。但是，這兩種方法都較復雜，尤其是cvd法還會對碳纖維本身性能產(chǎn)生一定的影響。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述技術現(xiàn)狀，本發(fā)明提供了一種碳纖維復合材料界面層的制備方法，該方法簡單易行，能夠在碳纖維表面制得包含碳納米管的熱解碳涂層，因而在碳纖維作為增強體的復合材料中起到界面增強增韌的效果。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種碳纖維復合材料界面層的制備方法，所述的碳纖維復合材料以碳纖維為增強體；其特征是：采用上漿劑上漿碳纖維表面，固化后進行高溫熱處理，得到包含碳納米管的熱解碳涂層；

所述的上漿劑包括碳納米管、酚醛樹脂、固化劑與溶劑，其中碳納米管的質(zhì)量占上漿劑質(zhì)量的0.01～1％，酚醛樹脂的質(zhì)量占上漿劑質(zhì)量的0.1～2％。

碳纖維復合材料是指碳纖維為增強體的復合材料，該復合材料的基體不限，包括樹脂基、陶瓷基以及金屬基等復合材料，本發(fā)明所述的界面層是指基體與碳纖維之間的界面。

所述碳納米管的結構不限，包括單壁、雙壁或者多壁碳納米管。

所述碳納米管的尺寸不限，作為優(yōu)選，碳納米管的直徑為0.8-100nm，長度為0.5-50um。

所述碳納米管包括未經(jīng)功能改性的碳納米管，也包括功能改性的碳納米管，例如經(jīng)過羥基化、羧基化或胺化處理的碳納米管等。

所述酚醛樹脂不限，包括pfnh-200酚醛樹脂、3201酚醛樹脂、2123酚醛樹 脂、2122酚醛樹脂、2127酚醛樹脂、264酚醛樹脂、219酚醛樹脂、硼酚醛樹脂以及含磷酚醛樹脂等中的一種或者兩種以上的混合。

所述固化劑不限，包括六亞甲基四胺、甲醛等。

所述溶劑不限，包括甲醇、無水乙醇、去離子水、丙酮、nmp、dmf以及dmso等中的一種或幾種。

作為優(yōu)選，所述的酚醛樹脂與碳納米管的質(zhì)量比值為0.3～20。

作為優(yōu)選，所述的固化劑與酚醛樹脂的質(zhì)量比值為0.001～0.2，當酚醛樹脂為熱固性酚醛樹脂時，可以理解為該酚醛樹脂中包含固化劑，因此無需額外加入固化劑。

作為優(yōu)選，所述的上漿劑中還包括表面活性劑。所述表面活性劑不限，包括失水山梨醇硬脂酸酯、脫水山梨醇三硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐三油酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐單月桂酸酯、膽酸鈉、tnwdis、tnadis、naddbs、sds、tritonx-100、tritonx-305、ctat和ctab等中的任意一種或幾種。進一步優(yōu)選，所述表面活性劑與碳納米管的質(zhì)量比值為0.1～10。

作為優(yōu)選，所述的高溫處理溫度為600℃～800℃。

所述的上漿劑是將碳納米管、酚醛樹脂、固化劑以及溶劑混合，攪拌均勻即可得到。作為優(yōu)選，所述的上漿劑將碳納米管、酚醛樹脂、固化劑以及溶劑攪拌混合后水浴清洗超聲10～60min，然后再破碎超聲30～180min。進一步優(yōu)選，所述的破碎超聲儀頻率為20～80khz，功率為600～1200w。

作為優(yōu)選，所述上漿時間為10s～120s。

綜上所述，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)采用含碳納米管與酚醛樹脂的上漿劑上漿碳纖維材料，能夠?qū)⑻技{米管均勻且高密度地吸附在碳纖維表面，然后熱處理使碳纖維表面的酚醛樹脂固化進而熱裂解，從而一步實現(xiàn)在碳纖維表面(碳纖維復合材料界面)引入碳納米管和熱解碳層。該含碳納米管的熱解碳層能夠有效緩沖載荷而減少對碳纖維本身強度的損壞，并且能夠有效阻礙裂紋的擴展，達到界面增強的效果；同時，碳納米管能增加裂紋的擴展路徑、吸收能量，從而能夠?qū)崿F(xiàn)增韌的目的，因此能在碳纖維為增強體的復合材料中起到界面增強增韌的效果。

(2)該方法簡單易行，與現(xiàn)有的cvd與epd相比，成本低，工藝復雜度大大降低，并且工藝條件易于控制，另外，利用該方法制備表面層的過程中對碳纖維本身不產(chǎn)生損傷，能夠降低對碳纖維本身性能的影響。

(3)可以根據(jù)實際表面層的厚度需求，通過重復多次上漿、固化、高溫處理過程而提高表面層的厚度，使其達到所需厚度。因此，厚度可調(diào)整，并且易于控制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1中處理后的碳纖維的掃描電鏡圖；

圖2是本發(fā)明實施例2中處理后的碳纖維的掃描電鏡圖；

圖3是本發(fā)明實施例3中處理后的碳纖維的掃描電鏡圖；

圖4是本發(fā)明實施例4中處理后的碳纖維的掃描電鏡圖；

圖5是本發(fā)明實施例5中處理后的碳纖維的掃描電鏡圖；

圖6是本發(fā)明實施例6中處理后的碳纖維的掃描電鏡圖；

圖7是本發(fā)明實施例7中處理后的碳纖維的掃描電鏡圖；

圖8是本發(fā)明實施例8中處理后的碳纖維的掃描電鏡圖。

具體實施方式

以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式。

實施例1：

本實施例中，在碳纖維材料表面制備表面層，具體如下：

(1)將酸化碳納米管、pfnh-200酚醛樹脂、固化劑六亞甲基四胺以及dmf混合，攪拌均勻后水浴超聲30min，600w破碎超聲90min，得到上漿劑，其中酸化碳納米管的濃度為0.5mg/ml，pfnh-200酚醛樹脂的濃度為5mg/ml，固化劑六亞甲基四胺的濃度0.5mg/ml。

(2)利用步驟(1)中的上漿劑上漿碳纖維表面，上漿時間為30s；然后將上漿后的碳纖維烘干固化。

上述處理后的碳纖維的掃描電鏡圖如圖1所示，可以看出碳纖維基體表面均勻分布著碳納米管，且表面有樹脂的痕跡。

實施例2：

本實施例中，碳纖維材料與實施例1中的完全相同，在該碳纖維表面制備表面層，制備方法與實施例1基本相同，所不同的是：用乙醇代替dmf作為上漿劑中的溶劑。

處理后的碳纖維的掃描電鏡圖如圖2所示，可以看出碳纖維基體表面較均勻地分布著碳納米管，且其表面明顯地附著樹脂。

實施例3：

本實施例中，碳纖維材料與實施例1中的完全相同，在該碳纖維表面制備表面層，制備方法與實施例1基本相同，所不同的是：上漿劑中酚醛樹脂的濃度為10mg/ml，固化劑的濃度為1mg/ml。

處理后的碳纖維的掃描電鏡圖如圖3所示，可以看出碳纖維表面均勻吸附著碳納米管，且整個碳纖維表面附著一層樹脂。

實施例4：

本實施例中，碳纖維材料與實施例1中的完全相同，在該碳纖維材料表面制備表面層，制備方法與實施例1基本相同，所不同的是：上漿劑中碳納米管的濃度為2mg/ml。

處理后的碳纖維的掃描電鏡圖如圖4所示，可以看出碳纖維表面密集且均勻地吸附著碳納米管，且其表面附著一層樹脂。

實施例5：

本實施例中，碳纖維材料與實施例1中的完全相同，在該碳纖維表面制備表面層，制備方法與實施例1基本相同，所不同的是：上漿劑中碳納米管的濃度為0.1mg/ml，酚醛樹脂的濃度為10mg/ml，固化劑的濃度1mg/ml的上漿劑。

處理后的碳纖維的掃描電鏡圖如圖5所示，可以看出碳纖維表面均勻地附著碳納米管與一層薄薄的樹脂層。

實施例6：

本實施例中，碳纖維材料與實施例1中的完全相同，在該碳纖維表面制備表面層，制備方法與實施例1基本相同，所不同的是：用nmp代替dmf作為上漿劑中的溶劑，且酸化碳納米管換成了原始碳納米管。

處理后的碳纖維的掃描電鏡圖如圖6所示，可以看出碳纖維表面密集且均勻地附著碳納米管，且表面有樹脂的痕跡。

實施例7：

本實施例中，碳纖維材料與實施例1中的完全相同，在該碳纖維表面制備表面層，制備方法與實施例1基本相同，所不同的是：上漿劑中溶劑為乙醇，酚醛樹脂的濃度為0.15mg/ml，無額外固化劑，并且碳納米管為原始碳納米管，上漿劑中包含表面活性劑tnadis，其濃度為0.15mg/ml。

處理后的碳纖維的掃描電鏡圖如圖7所示，可以看出碳纖維表面均勻且高密度地吸附著碳納米管，且表面有樹脂的痕跡。

實施例8：

本實施例中，碳纖維材料與實施例7中的完全相同，在該碳纖維表面制備表面層，制備方法與實施例7基本相同，所不同的是：

上漿后的碳纖維烘干固化后在700℃的管式爐中真空熱處理30min，在碳纖維表面得到含碳納米管的熱解碳層。

上述處理后的碳纖維的掃描電鏡圖如圖8所示，可以看出碳纖維表面吸附著含碳納米管的熱解碳層。

將上述實施例1-6中上漿后的碳纖維分別烘干固化，然后在700℃的管式爐中真空熱處理30min，各碳纖維表面均得到含碳納米管的熱解碳層，其掃描電鏡圖顯示碳纖維表面吸附著含碳納米管的熱解碳層。

以上所述的實施例對本發(fā)明的技術方案進行了詳細的說明，應理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補充或類似方式替代等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。