本發(fā)明屬于纖維增強復(fù)合材料制備方法，涉及一種高強高導(dǎo)電復(fù)合纖維增強復(fù)合材料的制備方法，具體涉及將碳纖維與碳納米管纖維纏繞形成復(fù)合纖維，在復(fù)合纖維預(yù)制體上制備陶瓷或樹脂基體，從而制備結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：

碳纖維具有耐高溫、輕質(zhì)、高強度和高模量等特點，具有優(yōu)異的增強增韌效果，被廣泛用于制備樹脂或陶瓷基復(fù)合材料。碳纖維增強復(fù)合材料在眾多輕量化材料中具有較高的比強度、比剛性，輕量化效果十分明顯，在航空航天、軍工產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。目前，復(fù)合材料發(fā)展的趨勢是結(jié)構(gòu)功能一體化，碳纖維增強復(fù)合材料在力學(xué)性能上表現(xiàn)優(yōu)異，而功能性能上表現(xiàn)一般。

碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，將碳納米管加入到碳纖維增強復(fù)合材料中不僅能有效提高復(fù)合材料力學(xué)性能，更能提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性、電磁屏蔽與導(dǎo)熱等功能性能。文獻(xiàn)“H.Mei,D.Y.Han,S.S.Xiao,et al.Improvement of the electromagnetic shielding properties of C/SiC composites by electrophoretic deposition of carbon nanotube on carbon fibers[J].Carbon,2016,109:149-153.”公開了一種CNTs/C/SiC復(fù)合材料的制備方法，通過電泳沉積的方法將CNTs沉積到C碳纖維表面，再通過CVI方法沉積SiC陶瓷基體，所制備的復(fù)合材料電磁屏蔽性能相比C/SiC復(fù)合材料提高了56％。中國專利CN201610280043.9公開了一種陣列碳納米管/碳纖維/碳化硅導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備方法，通過化學(xué)氣相沉積法在C纖維織物表面生長了碳納米管，再通過聚合物浸漬裂解制備CNTs/C/SiC復(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。中國專利CN201210424541.8公開了一種冷凍干燥輔助制備碳纖維/碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備方法，通過將碳纖維預(yù)制體浸入到碳納米管溶液中后冷凍干燥得到碳纖維與碳納米管的復(fù)合預(yù)制體，通過真空輔助RTM工藝制備環(huán)氧樹脂基體得到碳纖維/碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。通過上述方法均能制備碳纖維與碳納米管復(fù)合預(yù)制體，但由于碳納米管引入量有限，因此復(fù)合材料功能性能提高也有限。

碳納米管纖維是碳納米管的宏觀集合體，其繼承了單根碳管優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，將碳納米管纖維與碳纖維纏繞形成復(fù)合纖維。復(fù)合纖維同時繼承了碳纖維優(yōu)異的力學(xué)性能以及碳納米管纖維優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，且碳納米管含量高、可控，以此復(fù)合纖維為預(yù)制體制備復(fù)合材料可實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)——功能一體化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種高強高導(dǎo)電復(fù)合纖維增強復(fù)合材料的制備方法，將碳纖維與碳納米管纖維纏繞形成復(fù)合纖維，結(jié)合兩種纖維的優(yōu)點，克服了單一碳纖維增強復(fù)合材料力學(xué)性能良好而功能性能不足的缺點。

技術(shù)方案

一種高強高導(dǎo)電復(fù)合纖維增強復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將碳纖維與碳納米管纖維相互纏繞形成復(fù)合纖維，復(fù)合纖維直徑0.5～0.8mm；

步驟2：將繞線完成后的復(fù)合纖維放置于化學(xué)沉積爐中沉積PyC界面層，沉積溫度960℃，壓力0.2KPa，丙烯流量500ml/min，Ar氣流量300ml/min，沉積時間6h；

步驟3：將沉積完界面層的復(fù)合纖維放入化學(xué)沉積爐中沉積SiC基體，氫氣為載氣和稀釋氣，流量分別為250ml/min和350ml/min，三氯甲基硅烷為反應(yīng)氣體，其與氫氣的摩爾比為10:1，沉積溫度1060℃，沉積時間40h得到一維碳纖維/碳納米管纖維/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料；

或以酒精為溶劑，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)25％的酚醛樹脂溶液；將復(fù)合纖維浸入樹脂溶液中，浸泡1h后取出，置于空氣中12h待溶劑揮發(fā)完全后放入200℃烘箱中固化2h得到一維碳纖維/碳納米管纖維/酚醛樹脂基復(fù)合材料。

在步驟2之前，將繞線完成后的復(fù)合纖維進(jìn)行二維編織形成纖維布，然后進(jìn)行步驟3和步驟4，得到三維碳纖維/碳納米管纖維/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料或三維碳纖維/碳納米管纖維/酚醛樹脂基復(fù)合材料。

所述碳纖維的單根直徑5～10μm，碳纖維束K數(shù)為1～10。

所述碳纖維為：聚丙烯晴基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維或氣相生長碳纖維。

所述碳納米管纖維為：溶液紡絲纖維、陣列抽絲纖維、浮動CVD直接紡絲纖維或膜捻纖維。

所述碳納米管纖維直徑0.1～0.8mm。

所述將碳纖維與碳納米管纖維相互纏繞形成復(fù)合纖維的方法是：將一束碳纖維與碳納米管纖維的一端分別固定在繞線裝置轉(zhuǎn)盤上，將碳纖維與碳納米管纖維的另一端固定在繞線裝置的定點上；驅(qū)動繞線裝置轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動過程中帶動兩種纖維一端轉(zhuǎn)動，由于另一端固定，使得兩種纖維將纏繞在一起形成復(fù)合纖維。

所述繞線裝置轉(zhuǎn)盤直徑0.5～2cm，轉(zhuǎn)速10～120r/min。

有益效果

本發(fā)明提出的一種高強高導(dǎo)電復(fù)合纖維增強復(fù)合材料的制備方法，首先通過繞線設(shè)備將碳纖維與碳納米管纖維纏繞在一起形成復(fù)合纖維，該復(fù)合纖維結(jié)合了碳纖維的高強度與碳納米管纖維的高導(dǎo)電性，同時保持了很好的可編織性能。在該復(fù)合纖維上制備陶瓷或樹脂基體即可制備一維碳納米管纖維與碳纖維協(xié)同增強復(fù)合材料。對復(fù)合纖維進(jìn)行多維編織可制備二維、三維預(yù)制體，在預(yù)制體上制備陶瓷或樹脂基體可制備多維復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，同時由于碳納米管纖維的加入而相較碳纖維增強復(fù)合材料具有更好的導(dǎo)電性能與電磁屏蔽性能。該方法開辟了結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料制備的新途徑。

本發(fā)明將碳纖維與碳納米管纖維纏繞形成復(fù)合纖維，結(jié)合兩種纖維的優(yōu)點，同時復(fù)合纖維可編織性能良好。通過對復(fù)合纖維進(jìn)行編織得到預(yù)制體，在預(yù)制體中制備陶瓷或樹脂基體得到結(jié)構(gòu)——功能一體化復(fù)合材料。

附圖說明

圖1：復(fù)合纖維制備方法示意圖

圖2：通過化學(xué)氣相沉積法制備的復(fù)合纖維陶瓷基復(fù)合材料宏觀照片和微結(jié)構(gòu)照片；

a,復(fù)合纖維SiC陶瓷基復(fù)合材料的數(shù)碼照片；

b,復(fù)合纖維SiC陶瓷基復(fù)合材料側(cè)面微結(jié)構(gòu)；

c,復(fù)合纖維SiC陶瓷基復(fù)合材料端面微結(jié)構(gòu)；

d，碳纖維為碳納米管纖維間結(jié)合結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

實施例1：

將碳納米管膜裁成5mm條，加捻形成碳納米管纖維，纖維直徑約0.4mm。碳纖維選擇T300纖維，K數(shù)3，纖維直徑7μm。采用圖1所示的簡易繞線設(shè)備，AB兩點間間距1cm，將碳纖維與碳納米管纖維的一端固定在圖中C點處，另一端分別固定在A點與B點處。啟動步進(jìn)電機，控制其轉(zhuǎn)速20r/min，對兩種纖維進(jìn)行繞線。將繞線完成后的復(fù)合纖維放置于化學(xué)沉積爐中沉積PyC界面層，沉積溫度960℃，壓力0.2KPa，丙烯流量500ml/min，Ar氣流量300ml/min，沉積時間6h。將沉積完界面層的復(fù)合纖維放入化學(xué)沉積爐中沉積SiC基體，氫氣為載氣和稀釋氣，流量分別為250ml/min和350ml/min，三氯甲基硅烷為反應(yīng)氣體，其與氫氣的摩爾比為10:1，沉積溫度1060℃，沉積時間40h得到一維碳纖維/碳納米管纖維/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料。

實施例2：

將碳納米管膜裁成5mm條，加捻形成碳納米管纖維，纖維直徑約0.4mm。碳纖維選擇T300纖維，K數(shù)3，纖維直徑7μm。采用圖1所示的簡易繞線設(shè)備，AB兩點間間距1cm，將碳纖維與碳納米管纖維的一端固定在圖中C點處，另一端分別固定在A點與B點處。啟動步進(jìn)電機，控制其轉(zhuǎn)速20r/min，對兩種纖維進(jìn)行繞線。以酒精為溶劑，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)25％的酚醛樹脂溶液。將復(fù)合纖維浸入樹脂溶液中，浸泡1h后取出，置于空氣中12h待溶劑揮發(fā)完全后放入200℃烘箱中固化2h得到一維碳纖維/碳納米管纖維/酚醛樹脂基復(fù)合材料。

實施例3：

將碳納米管膜裁成5mm條，加捻形成碳納米管纖維，纖維直徑約0.4mm。碳纖維選擇T300纖維，K數(shù)3，纖維直徑7μm。采用圖1所示的簡易繞線設(shè)備，AB兩點間間距1cm，將碳纖維與碳納米管纖維的一端固定在圖中C點處，另一端分別固定在A點與B點處。啟動步進(jìn)電機，控制其轉(zhuǎn)速20r/min，對兩種纖維進(jìn)行繞線。將繞線完成后的復(fù)合纖維進(jìn)行二維編織形成纖維布，將纖維布鋪層后放置于化學(xué)沉積爐中沉積PyC界面層，沉積溫度960℃，壓力0.2KPa，丙烯流量500ml/min，Ar氣流量300ml/min，沉積時間6h。將沉積完界面層的纖維布鋪層預(yù)制體放入化學(xué)沉積爐中沉積SiC基體，氫氣為載氣和稀釋氣，流量分別為250ml/min和350ml/min，三氯甲基硅烷為反應(yīng)氣體，其與氫氣的摩爾比為10:1，沉積溫度1060℃，沉積時間40h得到三維碳纖維/碳納米管纖維/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料。

實施例4：

將碳納米管膜裁成5mm條，加捻形成碳納米管纖維，纖維直徑約0.4mm。碳纖維選擇T300纖維，K數(shù)3，纖維直徑7μm。采用圖1所示的簡易繞線設(shè)備，AB兩點間間距1cm，將碳纖維與碳納米管纖維的一端固定在圖中C點處，另一端分別固定在A點與B點處。啟動步進(jìn)電機，控制其轉(zhuǎn)速20r/min，對兩種纖維進(jìn)行繞線，將繞線完成后的復(fù)合纖維進(jìn)行二維編織形成纖維布并鋪層。以酒精為溶劑，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)25％的酚醛樹脂溶液。將纖維布鋪層預(yù)制體浸入樹脂溶液中，浸泡1h后取出，置于空氣中12h待溶劑揮發(fā)完全后放入200℃烘箱中固化2h得到三維碳纖維/碳納米管纖維/酚醛樹脂基復(fù)合材料。