本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域，特別是涉及一種碳纖維復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)功能一體化是航天航空領(lǐng)域、精密儀器、車輛結(jié)構(gòu)件或電子器件等領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。但是，碳纖維通常具有較高的石墨化程度，其表面呈化學(xué)惰性，導(dǎo)致纖維與樹脂基體之間的界面潤(rùn)濕性和相容性較差，影響了復(fù)合材料的界面結(jié)合。此外，由于碳纖維與樹脂基體分子排列方式的差異，其主導(dǎo)聲子傳熱的振動(dòng)模式耦合程度較低，因而引發(fā)了界面熱阻的產(chǎn)生，降低了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。為了同步提升復(fù)合材料的界面和導(dǎo)熱性能，通常碳纖維表面引入碳納米粒子構(gòu)建導(dǎo)熱通路，文獻(xiàn)(composites?part?a，2018，106：1-10)在復(fù)合材料界面相引入石墨烯納米片，有效提升界面結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，兼顧了復(fù)合材料面外導(dǎo)熱系數(shù)的提高。但是碳納米粒子聲子傳熱的振動(dòng)模式與樹脂基體依舊存在顯著差異，導(dǎo)致了碳納米粒子與樹脂基體之間界面熱阻的產(chǎn)生；同時(shí)，碳納米粒子易于在復(fù)合材料界面處團(tuán)聚，造成更為嚴(yán)重的界面缺陷。

2、中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朿n202211270384.x基于芳稠環(huán)分子和石墨烯與碳纖維表面的π-π堆積作用，構(gòu)筑了復(fù)合材料界面組裝過(guò)渡層，提高了復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)，芳稠環(huán)分子的引入緩解了石墨烯在界面處的團(tuán)聚效應(yīng)，提升了界面導(dǎo)熱通路的聲子傳輸效率，提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。但是，界面相中交替引入的碳納米粒子和芳稠環(huán)分子之間因π-π共軛作用發(fā)生的組裝，仍會(huì)在碳纖維表面發(fā)生團(tuán)聚，進(jìn)而影響界面結(jié)合；同時(shí)，芳稠環(huán)分子的無(wú)定形結(jié)構(gòu)不利于抑制載流子聲子散射的發(fā)生，從而限制了復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提高。

3、因此，目前仍需開發(fā)合適的有機(jī)聚合物在碳纖維表面構(gòu)筑高性能導(dǎo)熱界面相，以克服上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的至少部分技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明將不同維度液晶聚合物組裝在碳纖維表面，以其微觀介晶域結(jié)構(gòu)和載荷下的高效重定向性增強(qiáng)了復(fù)合材料的界面性能，同時(shí)基于復(fù)合材料固化后液晶聚合物的高度取向性，建立聲子傳熱的多維度導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料界面和導(dǎo)熱性能的協(xié)同提升。具體地，本發(fā)明包括以下內(nèi)容。

2、本發(fā)明的第一方面，提供一種碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其包括以下步驟：

3、(1)將芳香族二酐與有機(jī)芳香胺溶解于第一溶劑中，在70-120℃反應(yīng)8-14h得到第一液晶聚合物，和/或?qū)⒎枷阕宥嘣优c有機(jī)鹵代烴溶解于第二溶劑中，調(diào)節(jié)ph值至堿性，在50-80℃反應(yīng)24-48h得到第二液晶聚合物，將所述第一液晶聚合物和/或所述第二液晶聚合物溶解于第三溶劑得到液晶聚合物組裝液；

4、(2)使所述液晶聚合物組裝液與未上漿碳纖維在60-120℃組裝1-3h，得到表面液晶聚合物改性的碳纖維；

5、(3)使所述改性的碳纖維與環(huán)氧樹脂/固化劑體系進(jìn)行加熱固化，得到所述碳纖維復(fù)合材料。

6、在某些實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其中，所述芳香族二酐包括均苯四甲酸二酐、萘四甲酸二酐和苝四甲酸二酐中的至少一種；所述有機(jī)芳香胺包括對(duì)氨基苯甲酸辛酯、對(duì)氨基苯甲酸異辛酯和對(duì)氨基苯甲酸己酯中的至少一種；所述芳香族多元酚包括羥基苯并蒽、羥基苯并苊、羥基苯并菲和羥基苯并蔻中的至少一種；所述有機(jī)鹵代烴包括1-溴辛烷、溴代異辛烷和1-溴己烷中的至少一種；所述第一溶劑包括甲醇、乙醇和乙腈中的至少一種；所述第二溶劑包括n,n-二甲基甲酰胺、丙醇和四氫呋喃中的至少一種；所述第三溶劑包括丙二醇、正丁醇和二氯甲烷中的至少一種。

7、在某些實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其中，所述芳香族二酐與所述有機(jī)芳香胺的摩爾比為1：(2-6)，所述芳香族多元酚與所述有機(jī)鹵代烴的摩爾比為1：(4-10)，所述液晶聚合物在所述液晶聚合物組裝液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5-5wt％。

8、在某些實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其中，所述第一液晶聚合物包括苯二酰亞胺、萘酰亞胺和苝酰亞胺中的至少一種，所述第二液晶聚合物包括烷氧基苯并蒽、烷氧基苯并苊、烷氧基苯并菲和烷氧基苯并蔻中的至少一種。

9、在某些實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其中，所述第一液晶聚合物為一維棒狀液晶聚合物，所述第二液晶聚合物為二維盤狀液晶聚合物。

10、在某些實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其中，通過(guò)堿性溶液調(diào)節(jié)所述ph值，所述堿性溶液包括氫氧化鉀溶液、氫氧化鈉溶液、碳酸鉀溶液和三乙胺溶液中的至少一種。

11、在某些實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其中，進(jìn)一步包括對(duì)所述第二液晶聚合物進(jìn)行純化的步驟。

12、在某些實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其中，所述純化使用的試劑包括碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液和乙酸乙酯中的至少一種。

13、在某些實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其中，所述改性的碳纖維中，液晶聚合物與未上漿碳纖維的質(zhì)量比為1：(20-200)。

14、在某些實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其中，所述未上漿碳纖維包括高強(qiáng)碳纖維、高強(qiáng)中模碳纖維和高強(qiáng)高模碳纖維中的至少一種；所述環(huán)氧樹脂包括氫化雙酚a型環(huán)氧樹脂、脂肪族縮水甘油醚環(huán)氧樹脂、環(huán)氧化烯烴類環(huán)氧樹脂和脂環(huán)族環(huán)氧樹脂中的至少一種；所述固化劑包括脂肪族多元胺和脂環(huán)族多元胺中的至少一種。

15、本發(fā)明的第二方面，提供碳纖維復(fù)合材料，其根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的制備方法制備得到。

16、本發(fā)明的第三方面，提供根據(jù)本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料在航天航空材料、精密儀器、車輛結(jié)構(gòu)件或電子器件材料中的應(yīng)用。

17、本發(fā)明基于不同維度的液晶聚合物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在碳纖維表面構(gòu)建了液晶聚合物分子組裝層，改善了碳纖維表面的粗糙度和表面活性；同時(shí)，液晶聚合物以其微觀介晶域結(jié)構(gòu)和載荷下的高效重定向性，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料界面性能的提升。此外，本發(fā)明基于不同維度液晶聚合物分子組裝層的高度取向結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了復(fù)合材料界面相多維度導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，有效耦合了碳纖維與樹脂基體在聲子傳熱過(guò)程中的主導(dǎo)振動(dòng)模式，減小了界面處載流子聲子散射的可能性，大大降低界面熱阻，從而提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

技術(shù)特征：

1.一種碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述芳香族二酐包括均苯四甲酸二酐、萘四甲酸二酐和苝四甲酸二酐中的至少一種；所述有機(jī)芳香胺包括對(duì)氨基苯甲酸辛酯、對(duì)氨基苯甲酸異辛酯和對(duì)氨基苯甲酸己酯中的至少一種；所述芳香族多元酚包括羥基苯并蒽、羥基苯并苊、羥基苯并菲和羥基苯并蔻中的至少一種；所述有機(jī)鹵代烴包括1-溴辛烷、溴代異辛烷和1-溴己烷中的至少一種；所述第一溶劑包括甲醇、乙醇和乙腈中的至少一種；所述第二溶劑包括n,n-二甲基甲酰胺、丙醇和四氫呋喃中的至少一種；所述第三溶劑包括丙二醇、正丁醇和二氯甲烷中的至少一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述芳香族二酐與所述有機(jī)芳香胺的摩爾比為1：(2-6)，所述芳香族多元酚與所述有機(jī)鹵代烴的摩爾比為1：(4-10)，所述液晶聚合物在所述液晶聚合物組裝液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5-5wt％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述第一液晶聚合物包括苯二酰亞胺、萘酰亞胺和苝酰亞胺中的至少一種，所述第二液晶聚合物包括烷氧基苯并蒽、烷氧基苯并苊、烷氧基苯并菲和烷氧基苯并蔻中的至少一種；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，通過(guò)堿性溶液調(diào)節(jié)所述ph值，所述堿性溶液包括氫氧化鉀溶液、氫氧化鈉溶液、碳酸鉀溶液和三乙胺溶液中的至少一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，進(jìn)一步包括對(duì)所述第二液晶聚合物進(jìn)行純化的步驟；

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述改性的碳纖維中，液晶聚合物與未上漿碳纖維的質(zhì)量比為1：(20-200)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述未上漿碳纖維包括高強(qiáng)碳纖維、高強(qiáng)中模碳纖維和高強(qiáng)高模碳纖維中的至少一種；所述環(huán)氧樹脂包括氫化雙酚a型環(huán)氧樹脂、脂肪族縮水甘油醚環(huán)氧樹脂、環(huán)氧化烯烴類環(huán)氧樹脂和脂環(huán)族環(huán)氧樹脂中的至少一種；所述固化劑包括脂肪族多元胺和脂環(huán)族多元胺中的至少一種。

9.碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，其根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的碳纖維復(fù)合材料在航天航空材料、精密儀器、車輛結(jié)構(gòu)件或電子器件中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種碳纖維復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明基于不同維度的液晶聚合物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在碳纖維表面構(gòu)建了液晶聚合物分子組裝層，改善了碳纖維表面的粗糙度和表面活性，同時(shí)，液晶聚合物以其微觀介晶域結(jié)構(gòu)和載荷下的高效重定向性，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料界面性能的提升。此外，本發(fā)明基于復(fù)合材料界面相中液晶聚合物的高度取向性，構(gòu)建了多維度導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，有效耦合了碳纖維與樹脂基體在聲子傳熱過(guò)程中的主導(dǎo)振動(dòng)模式，減小了界面處載流子聲子散射的可能性，大大降低了界面熱阻，從而提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

技術(shù)研發(fā)人員：李剛,楊沛文,楊小平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京化工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2