一種高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料包括碳纖維、環(huán)氧樹脂基體材料和取向地分散于該環(huán)氧樹脂基體材料中的微納米材料；微納米材料是指表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯。本發(fā)明采用磁場(chǎng)取向磁性顆粒修飾的氧化石墨烯來(lái)增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的層間剪切性能，在增強(qiáng)基體樹脂的同時(shí)，使基體樹脂與碳纖維的界面結(jié)合得更加牢固，從而使制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的層間剪切性能。
【專利說(shuō)明】一種高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聚合物基復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，具體地說(shuō)是涉及一種高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成型的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于航空航天、體育器材、汽車等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。但是碳纖維復(fù)合材料中相當(dāng)多的產(chǎn)品是層合板結(jié)構(gòu)，由于碳纖維層與層之間完全依賴于樹脂的粘接，因此，碳纖維復(fù)合材料的層間剪切性能相對(duì)較差，造成材料在使用過(guò)程中出現(xiàn)層與層之間開(kāi)裂的現(xiàn)象。而復(fù)合材料的層間剪切性能主要取決于基體樹脂的性能和基體樹脂與碳纖維的界面結(jié)合情況。
[0003]要提高碳纖維復(fù)合材料的層間剪切性能，一方面需要對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理:Han等采用酸對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，使其表面具有反應(yīng)性基團(tuán)以提高碳纖維和環(huán)氧樹脂間的界面結(jié)合強(qiáng)度；劉魁等采用超臨界二氧化碳處理碳纖維，提高碳纖維表面的粗糙度，使環(huán)氧樹脂易于浸潤(rùn)碳纖維表面，通過(guò)機(jī)械錨定作用改善其與環(huán)氧樹脂的界面粘接效果；劉占清等在碳纖維表面涂覆涂層，在碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面上引入使其性能更匹配的中間層，釋放界面應(yīng)力，減小應(yīng)力集中，從而達(dá)到改善界面性能的目的。另外一方面需要提高樹脂基體本身的性能(包括本身的力學(xué)性能和對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)性):目前，傳統(tǒng)手段是在環(huán)氧樹脂中引入聚酰亞胺、聚碳酸酯、聚醚醚酮、酚醛樹脂等，使之在環(huán)氧樹脂的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中以“海島”結(jié)構(gòu)存在，形成互穿或半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以耗散應(yīng)力；也可引入帶有柔性鏈段的活性官能團(tuán)，使之與環(huán)氧樹脂發(fā)生反應(yīng)而提高網(wǎng)鏈分子的柔順性。近年來(lái)，采用納米材料來(lái)改性環(huán)氧樹脂引起了越來(lái)越多研究學(xué)者的關(guān)注。利用納米材料的表面活性基團(tuán)和小尺寸效應(yīng)，可與環(huán)氧樹脂發(fā)生物理或化學(xué)結(jié)合，使納米材料在碳纖維和環(huán)氧樹脂的界面區(qū)形成貫穿纏結(jié)，在碳纖維和環(huán)氧基體之間起到橋接作用，從而達(dá)到提高界面粘接力和改善界面性能的目的。目前較為常用的納米材料有納米二氧化硅、納米二氧化鈦、納米粘土、碳納米管等。
[0004]石墨烯是當(dāng)前最受矚目的新型材料，它具有優(yōu)異的力學(xué)性能(強(qiáng)度、模量)、電學(xué)性能及導(dǎo)熱性能，因而成為近期人們研究的熱點(diǎn)。有科研人員對(duì)石墨烯改善環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能進(jìn)行了報(bào)道，研究表明少量石墨烯的加入可以有效改善環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度、韌性。Rafiee等的研究表明，石墨烯在改善環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能方面要優(yōu)于碳納米管，主要是由于石墨烯具有更高的比表面積及石墨烯粗糙表面與環(huán)氧基體互相嚙合導(dǎo)致更強(qiáng)的界面結(jié)合。由于氧化石墨烯表面含有羥基、羧基、環(huán)氧等基團(tuán)，更容易在樹脂基體中均勻分散，并且這些基團(tuán)可能與樹脂基體反應(yīng)形成化學(xué)鍵，因此，氧化石墨烯與這些樹脂基體會(huì)有更好的界面結(jié)合。近期，也有研究人員采用無(wú)序的氧化石墨烯改進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的層間剪切性能，獲得了良好的效果。由于氧化石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能，并且具有很大的比表面積，所以它的引入可以有效地傳遞應(yīng)力并阻止微裂紋的擴(kuò)張；另外一方面，氧化石墨烯改性后的環(huán)氧樹脂與碳纖維的界面結(jié)合的更好。從而可以提高碳纖維復(fù)合材料的層間剪切性能。
[0005]采用磁場(chǎng)導(dǎo)向磁性顆粒修飾的氧化石墨烯來(lái)增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的層間剪切性能的研究尚未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]本發(fā)明提供的高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料包括碳纖維、環(huán)氧樹脂基體材料和取向地分散于該環(huán)氧樹脂基體材料中的微納米材料，所述微納米材料為表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯，所述微納米材料相對(duì)于基體材料的質(zhì)量百分含量為0.01-10%。
[0009]本發(fā)明提供的高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料是用表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯為填料，以環(huán)氧樹脂為聚合物基體，然后通過(guò)溶液共混法先把表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯填料和環(huán)氧樹脂混合，再把混合好的樹脂基體通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑法與碳纖維復(fù)合到一起，與此同時(shí)，采用永磁鐵或者電磁鐵施加磁場(chǎng)使表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯取向地分布在復(fù)合材料之中，最后固化得到復(fù)合材料制品。
[0010]本發(fā)明提供的高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其步驟如下:
[0011]I)將表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為
0.01-20g/L的溶液，然后，再用功率為300-1000W的超聲設(shè)備對(duì)所述溶液進(jìn)行超聲處理
0.5-5小時(shí)，得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液；
[0012]2)在步驟I)所得的表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入環(huán)氧樹脂使其濃度為200g/L，得到混合液，并且用攪拌器攪拌混合液5-30分鐘，然后再用功率為300-1000W的超聲設(shè)備對(duì)所述混合液進(jìn)行超聲處理0.5-5小時(shí)；
[0013]3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為50-80攝氏度的烘箱中，烘10-48小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無(wú)氣泡止；
[0014]4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌10-20分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無(wú)氣泡止；
[0015]5)通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑的方法把步驟4)所得的混合物，與碳纖維復(fù)合到一起，與此同時(shí)，通過(guò)永磁鐵或者電磁鐵施加磁場(chǎng)，使得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯取向地分布在復(fù)合材料之中，最后固化得到復(fù)合材料制品。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是:
[0017]采用采用磁場(chǎng)導(dǎo)向磁性顆粒修飾的氧化石墨烯來(lái)增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的層間剪切性能，利用取向氧化石墨烯的優(yōu)異性能既增強(qiáng)了基體樹脂，也使基體樹脂與碳纖維的界面結(jié)合得更加牢固。因此，所制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的層間剪切性能。

【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1
[0019]I)將表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為0.01g/L的溶液，然后，再用功率為300W的超聲設(shè)備對(duì)所述溶液進(jìn)行超聲處理0.5小時(shí)，得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液；
[0020]2)在步驟I)所得的表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入環(huán)氧樹脂使其濃度為200g/L，得到混合液，并且用攪拌器攪拌混合液5分鐘，然后再用功率為300W的超聲設(shè)備對(duì)所述混合液進(jìn)行超聲處理0.5小時(shí)；
[0021]3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為80攝氏度的烘箱中，烘10小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無(wú)氣泡止；
[0022]4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌10分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無(wú)氣泡止；
[0023]5)通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑的方法把步驟4)所得的混合物，與碳纖維復(fù)合到一起，與此同時(shí)，通過(guò)永磁鐵或者電磁鐵施加磁場(chǎng)，使得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯取向地分布在復(fù)合材料之中，最后固化得到復(fù)合材料制品。
[0024]實(shí)施例2
[0025]I)將表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為20g/L的溶液，然后，再用功率為1000W的超聲設(shè)備對(duì)所述溶液進(jìn)行超聲處理5小時(shí)，得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液；
[0026]2)在步驟I)所得的表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入環(huán)氧樹脂使其濃度為200g/L，得到混合液，并且用攪拌器攪拌混合液30分鐘，然后再用功率為100ff的超聲設(shè)備對(duì)所述混合液進(jìn)行超聲處理5小時(shí)；
[0027]3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為80攝氏度的烘箱中，烘10小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無(wú)氣泡止；
[0028]4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌20分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無(wú)氣泡止；
[0029]5)通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑的方法把步驟4)所得的混合物，與碳纖維復(fù)合到一起，與此同時(shí)，通過(guò)永磁鐵或者電磁鐵施加磁場(chǎng)，使得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯取向地分布在復(fù)合材料之中，最后固化得到復(fù)合材料制品。
[0030]實(shí)施例3
[0031]I)將表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為lg/L的溶液，然后，再用功率為500W的超聲設(shè)備對(duì)所述溶液進(jìn)行超聲處理I小時(shí)，得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液；
[0032]2)在步驟I)所得的表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入環(huán)氧樹脂使其濃度為200g/L，得到混合液，并且用攪拌器攪拌混合液10分鐘，然后再用功率為500W的超聲設(shè)備對(duì)所述混合液進(jìn)行超聲處理I小時(shí)；
[0033]3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為50攝氏度的烘箱中，烘48小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無(wú)氣泡止；
[0034]4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌10分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無(wú)氣泡止；
[0035]5)通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑的方法把步驟4)所得的混合物，與碳纖維復(fù)合到一起，與此同時(shí)，通過(guò)永磁鐵或者電磁鐵施加磁場(chǎng)，使得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯取向地分布在復(fù)合材料之中，最后固化得到復(fù)合材料制品。
[0036]實(shí)施例4
[0037]I)將表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為10g/L的溶液，然后，再用功率為800W的超聲設(shè)備對(duì)所述溶液進(jìn)行超聲處理3小時(shí)，得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液；
[0038]2)在步驟I)所得的表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入環(huán)氧樹脂使其濃度為200g/L，得到混合液，并且用攪拌器攪拌混合液20分鐘，然后再用功率為800W的超聲設(shè)備對(duì)所述混合液進(jìn)行超聲處理4小時(shí)；
[0039]3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為70攝氏度的烘箱中，烘36小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無(wú)氣泡止；
[0040]4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌20分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無(wú)氣泡止；
[0041]5)通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑的方法把步驟4)所得的混合物，與碳纖維復(fù)合到一起，與此同時(shí)，通過(guò)永磁鐵或者電磁鐵施加磁場(chǎng)，使得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯取向地分布在復(fù)合材料之中，最后固化得到復(fù)合材料制品。
[0042]實(shí)施例5
[0043]I)將表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為5g/L的溶液，然后，再用功率為500W的超聲設(shè)備對(duì)所述溶液進(jìn)行超聲處理I小時(shí)，得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液；
[0044]2)在步驟I)所得的表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入環(huán)氧樹脂使其濃度為200g/L，得到混合液，并且用攪拌器攪拌混合液15分鐘，然后再用功率為500W的超聲設(shè)備對(duì)所述混合液進(jìn)行超聲處理I小時(shí)；
[0045]3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為80攝氏度的烘箱中，烘36小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無(wú)氣泡止；
[0046]4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌15分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無(wú)氣泡止；
[0047]5)通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑的方法把步驟4)所得的混合物，與碳纖維復(fù)合到一起，與此同時(shí)，通過(guò)永磁鐵或者電磁鐵施加磁場(chǎng)，使得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯取向地分布在復(fù)合材料之中，最后固化得到復(fù)合材料制品。
[0048]實(shí)施例6
[0049]I)將表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為2g/L的溶液，然后，再用功率為600W的超聲設(shè)備對(duì)所述溶液進(jìn)行超聲處理2小時(shí)，得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液；
[0050]2)在步驟I)所得的表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入環(huán)氧樹脂使其濃度為200g/L，得到混合液，并且用攪拌器攪拌混合液10分鐘，然后再用功率為400W的超聲設(shè)備對(duì)所述混合液進(jìn)行超聲處理2小時(shí)；
[0051]3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為80攝氏度的烘箱中，烘48小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無(wú)氣泡止；
[0052]4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌20分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無(wú)氣泡止；
[0053]5)通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑的方法把步驟4)所得的混合物，與碳纖維復(fù)合到一起，與此同時(shí)，通過(guò)永磁鐵或者電磁鐵施加磁場(chǎng)，使得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯取向地分布在復(fù)合材料之中，最后固化得到復(fù)合材料制品。
【權(quán)利要求】
1.一種高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，該復(fù)合材料包括碳纖維、環(huán)氧樹脂基體材料和取向地分散于該環(huán)氧樹脂基體材料中的微納米材料，所述微納米材料是指表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，所述微納米材料相對(duì)于基體材料的質(zhì)量百分含量為0.01-10%。
3.一種高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)將表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為0.01-20g/L的溶液，然后，用功率為300-1000W的超聲設(shè)備對(duì)所述溶液進(jìn)行超聲處理0.5-5小時(shí)，得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液； 2)在步驟I)所得的表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入環(huán)氧樹脂使其濃度為200g/L，得到混合液，并且用攪拌器攪拌混合液5-30分鐘，然后，用功率為300-1000W的超聲設(shè)備對(duì)所述混合液進(jìn)行超聲處理0.5-5小時(shí)； 3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為50-80攝氏度的烘箱中，烘10-48小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無(wú)氣泡止； 4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌10-20分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無(wú)氣泡止； 5)通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑的方法把步驟4)所得的混合物，與碳纖維復(fù)合到一起，與此同時(shí)，通過(guò)永磁鐵或者電磁鐵施加磁場(chǎng)，使得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯取向地分布在復(fù)合材料之中，最后固化得到復(fù)合材料制品。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高層間剪切性能碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，先把表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯和環(huán)氧樹脂混合到一起得到基體樹脂，再把基體樹脂與碳纖維復(fù)合，同時(shí)采用永磁鐵或者電磁鐵施加磁場(chǎng)，使得表面修飾有磁性納米顆粒的氧化石墨烯取向地分布在復(fù)合材料之中，最后固化得到復(fù)合材料制品。
【文檔編號(hào)】C09C1/46GK104356600SQ201410681316
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】沈小軍, 黨蕊瓊, 谷利, 蔣謙, 黨晨陽(yáng) 申請(qǐng)人:嘉興學(xué)院