一種界面處引入碳納米管提高碳纖維復(fù)合材料抗疲勞性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種通過(guò)界面處引入碳納米管來(lái)提高碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料抗疲勞性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度、高比模量、尺寸穩(wěn)定、密度小等一系列優(yōu)異性能，已在航空航天、風(fēng)力發(fā)電、交通運(yùn)輸、體育娛樂(lè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。纖維增強(qiáng)體與樹(shù)脂基體之間的界面被稱(chēng)為復(fù)合材料的“心臟”，是外加載荷在增強(qiáng)體與基體之間傳遞的紐帶，直接影響著復(fù)合材料的層間剪切、斷裂、抗沖擊等性能。此外，界面微區(qū)的結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的疲勞行為也至關(guān)重要，直接控制著疲勞裂紋擴(kuò)展方向和斷裂方式。但由于碳纖維表面平滑、缺少活性官能團(tuán)、呈現(xiàn)化學(xué)惰性，使得纖維和樹(shù)脂在反復(fù)作用的受力過(guò)程中很容易脫粘。界面及疲勞性能直接影響到復(fù)合材料部件的安全性和可靠性，極大的限制了碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用。因此，通過(guò)對(duì)復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)獲得理想的界面結(jié)合力從而提高材料的抗疲勞特性，已成為復(fù)合材料研究的關(guān)鍵技術(shù)之
O
[0003]自從1991年日本的Iiiima發(fā)現(xiàn)碳納米管(CNTs)以來(lái)，碳納米管作為一種新型的功能材料受到了人們的關(guān)注。碳納米管是一種納米級(jí)的管狀材料，因具有比表面積大，力學(xué)性能優(yōu)異，與聚合物相容性好等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于增強(qiáng)復(fù)合材料。目前使用碳納米管來(lái)改善復(fù)合材料抗疲勞性能，主要采用的制備方法是將碳納米管和樹(shù)脂基體共混后，利用樹(shù)脂傳遞模塑成型法或真空袋法浸潤(rùn)纖維，制備復(fù)合材料試樣。然而，碳納米管加入后往往會(huì)增大樹(shù)脂的粘性，不利于樹(shù)脂對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)；而且在成型過(guò)程中，碳纖維會(huì)對(duì)樹(shù)脂中的碳納米管產(chǎn)生過(guò)濾效應(yīng)，導(dǎo)致碳納米管分布不均，這直接引起復(fù)合材料力學(xué)性能提高不明顯。本發(fā)明提出的方法是先制備碳納米管-碳纖維雜化增強(qiáng)體，再與樹(shù)脂復(fù)合成型，來(lái)改善復(fù)合材料的疲勞性能。在疲勞加載過(guò)程中，碳納米管增強(qiáng)纖維周?chē)鷺?shù)脂形成的界面“屏蔽層”，可以減少界面處應(yīng)力集中，阻止在基體中產(chǎn)生的裂紋直接進(jìn)攻纖維。界面微區(qū)中的碳納米管還可以誘導(dǎo)產(chǎn)生許多細(xì)小裂紋，這可以有效地吸收、稀釋能量，提高復(fù)合材料的疲勞壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]1、本發(fā)明涉及一種界面處引入碳納米管提高碳纖維復(fù)合材料抗疲勞性能的方法，其特征在將少量的碳納米管引入到纖維-樹(shù)脂界面微區(qū)，在改善復(fù)合材料界面性能的同時(shí)，在界面處構(gòu)筑抵抗疲勞裂紋形成及擴(kuò)展的“屏障”，稀釋和吸收能量，延緩裂紋進(jìn)攻纖維，提高復(fù)合材料的疲勞壽命。本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0005](I)對(duì)碳納米管進(jìn)行功能化處理，使其表面帶有羧基或胺基等基團(tuán)，提高其在水等極性溶液中的分散性，再將碳納米管均勻地引入到碳纖維表面；
[0006](2)采用模壓、纖維纏繞、樹(shù)脂傳遞模塑或真空袋等成型方法，將混雜增強(qiáng)體與樹(shù)脂復(fù)合成型制備復(fù)合材料試樣。
[0007]上述步驟(I)中的碳納米管功能化方法包括混酸氧化法，等離子體處理法等易于實(shí)現(xiàn)的功能化方法。
[0008]上述步驟⑴中，碳納米管的分散濃度為0.1?2mg/ml。
[0009]上述步驟(2)中，在纖維表面引入碳納米管的方法包括電泳沉積法、上漿法和噴涂法。
[0010]有益效果
[0011 ] 相對(duì)于碳納米管與樹(shù)脂共混制備纖維復(fù)合材料的方法，本發(fā)明提供的方法具有以下優(yōu)點(diǎn):1)對(duì)樹(shù)脂粘性無(wú)影響，可采用多種方法復(fù)合成型，如樹(shù)脂傳遞模塑、真空袋、模壓、纖維纏繞等成型方法，適用于工業(yè)化生產(chǎn)；2)在纖維-樹(shù)脂界面中使用少量的碳納米管就能起到明顯的改善界面及抗疲勞性能的效果，減少了生產(chǎn)成本；3)通過(guò)控制碳納米管在纖維表面的均勻分布，減少團(tuán)聚，確保碳納米管的增強(qiáng)作用。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種界面處引入碳納米管提高碳纖維復(fù)合材料抗疲勞性能的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0013]實(shí)施例1:稱(chēng)取2g碳納米管，采用混酸氧化法，再加入160ml濃HNOjP濃H2SO4 (I: 3，v/v)的混酸中，70°C下水浴加熱8h，經(jīng)去離子水稀釋洗滌，微孔濾膜抽濾，反復(fù)洗滌多次至濾液為中性。將所得固體于真空干燥箱內(nèi)干燥24h，得到酸化的碳納米管。采用電泳沉積的方法將碳納米管引入纖維表面。首先在電泳沉積槽內(nèi)倒入0.3mg/ml的碳納米管水分散液，再將碳纖維束連接直流電源的正極，并放到兩個(gè)連接負(fù)極的電極板中間。開(kāi)通電源開(kāi)關(guān)，帶負(fù)電的碳納米管便沉積在碳纖維表面。直流電源電壓為20-40V，電極板距離為2-4cm，電泳沉積時(shí)間為lmin-5min。最后將處理后的碳纖維經(jīng)干燥后卷繞。
[0014]按質(zhì)量比100: 70: I混合環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑與促進(jìn)劑，60°C下恒溫30min，降低樹(shù)脂的粘度，以增加其流動(dòng)性。將處理后的碳纖維放入密封模具的槽內(nèi)，在借助真空栗使模具處于負(fù)壓狀態(tài)，同時(shí)將樹(shù)脂在0.1MPa下壓入模具，使樹(shù)脂對(duì)纖維充分浸潤(rùn)、填充。然后在900C /3h、120°C /3h、150°C /5h的條件下固化成型，所制備出的多尺度復(fù)合材料在彎-彎模式下的疲勞壽命比未引入碳納米管的復(fù)合材料提高了 3-5倍。
[0015]實(shí)施例2:采用微波等離子體儀器來(lái)修飾碳納米管，在其表面修飾上氨基。首先將碳納米管放在等離子體儀器中，封閉儀器后，通入氫氣作為載氣，把前驅(qū)體氨水氣流帶入到等離子體儀器中，打開(kāi)微波功率源，控制功率在30-40W之間浮動(dòng)，輝光照射產(chǎn)生活潑的氨基等離子體，可與碳納米管的表面相結(jié)合，這樣便可使碳納米管修飾上氨基。由于氨基的親水性，使得碳納米管在水中的溶解性增加。配制含碳納米管、水性環(huán)氧樹(shù)脂的上漿劑，濃度為0.5-2mg/ml，對(duì)碳纖維束進(jìn)行上漿處理?？啥啻翁幚硪栽黾犹技{米管在纖維表面分布的均勻性。
[0016]將表面覆有碳納米管的碳纖維單向排列，并涂上配制好的環(huán)氧樹(shù)脂混合物，通過(guò)模壓的方法，成型固化得到單向復(fù)合材料制品。制備得到的復(fù)合材料在拉-拉模式下的疲勞壽命比未引入碳納米管的復(fù)合材料提高了 2-3倍。
[0017]實(shí)施例3:采用混酸氧化法制備氧化碳納米管，增加其在極性溶劑中的分散性。具體方法，參見(jiàn)實(shí)施例1。配制濃度為0.3mg/ml的碳納米管乙醇分散液，采用高壓噴槍的方法將碳納米管?chē)娡康教祭w維或碳纖維布表面，再放入真空干燥箱中干燥24h。采用樹(shù)脂傳遞模塑工藝對(duì)復(fù)合材料成型，在模具中對(duì)纖維束及纖維布鋪層，再在真空輔助下灌注樹(shù)脂，固化成型后得到復(fù)合材料制品。所制備出的多尺度復(fù)合材料在拉-拉模式下的疲勞壽命比未引入碳納米管的復(fù)合材料提高了 1-2倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.本發(fā)明涉及一種界面處引入碳納米管提高碳纖維復(fù)合材料抗疲勞性能的方法，其特征在于將少量的碳納米管引入到纖維-樹(shù)脂界面微區(qū)，在改善復(fù)合材料界面性能的同時(shí)，在界面處構(gòu)筑抵抗疲勞裂紋形成及擴(kuò)展的“屏障”，稀釋和吸收破壞能量，延緩裂紋進(jìn)攻纖維，延長(zhǎng)復(fù)合材料的疲勞壽命。2.本發(fā)明的提高碳纖維復(fù)合材料抗疲勞性能的方法，其特征在于將碳納米管引入到界面中來(lái)提高復(fù)合材料的疲勞壽命，具體包括以下步驟: (1)制備功能化的碳納米管，使其表面帶有羧基或胺基等基團(tuán)，并超聲分散到水等極性溶液中，再將碳納米管均勻地引入到碳纖維表面； (2)采用模壓、纖維纏繞、樹(shù)脂傳遞模塑或真空袋等成型方法，將碳納米管-碳纖維混雜增強(qiáng)體與樹(shù)脂復(fù)合，經(jīng)脫泡、固化，制備多尺度復(fù)合材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，碳納米管的功能化方法包括混酸氧化，等離子體處理等功能化方法。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，碳納米管在溶液中的濃度為0.l_2mg/ml05.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，在纖維表面引入碳納米管的方法包括電泳沉積法、上漿法和噴涂法。
【專(zhuān)利摘要】一種界面處引入碳納米管提高碳纖維復(fù)合材料抗疲勞性能的方法，具體是將功能化碳納米管引入碳纖維表面，然后復(fù)合成型制備碳納米管-碳纖維多尺度增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料。該方法充分利用碳納米管來(lái)強(qiáng)韌化界面微區(qū)的樹(shù)脂基體，在界面處構(gòu)筑抵抗疲勞裂紋形成及擴(kuò)展的“屏障”，延緩裂紋直接進(jìn)攻纖維，提高復(fù)合材料的疲勞壽命。相對(duì)于傳統(tǒng)的碳納米管與樹(shù)脂共混法制備纖維復(fù)合材料，該發(fā)明中碳納米管更易均勻分散、用量少，且適用的成型工藝范圍廣，具有成本低、適合工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類(lèi)】C08K7/06, C08K7/24, C08L63/00, C08K9/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105131532
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510644662
【發(fā)明人】姚紅偉, 倪亞, 吳騰飛, 徐志偉, 鄧輝
【申請(qǐng)人】天津工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年9月25日