[發明專利]具有界面自修復性能的碳纖維/金納米粒子/聚醚砜復合材料的制備及自修復方法

無效

• 申請號: 201310079929.3
• 申請日: 2013-03-13
• 公開（公告）號: CN103113745A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 王榮國;曹振興;劉文博;郝立峰;王琪;矯維成;楊帆;徐忠海;張劍光;赫曉東
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C08L81/06
• 分類號: C08L81/06;C08K7/06;C08K3/04;C08K3/08
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術領域

本發明涉及碳纖維/金納米粒子/聚醚砜復合材料的制備及自修復方法。

背景技術

金納米粒子具有所有納米微粒都具有的小尺寸效應、表面效應和量子尺寸效應，但金納米粒子最引人關注的性質是局域表面等離子體子共振效應（LSPR）。金納米粒子具有高度活躍的外層電子，當光（電磁）波輻射到粒徑遠小于其激發波長的金屬納米粒子時，產生的表面等離子體波被限定在納米結構的附近，當入射光頻率與自由電子集體振蕩頻率相當時則產生共振，被稱為LSPR。可以將金納米粒子看成是由帶正電的原子核和帶負電的自由電子組成的，當金納米粒子表面受到入射光電磁波的作用時，原子核向正電區域移動，而電子云向負電區域移動，導致局部區域電子分布不均勻。而當電子云遠離核時，電子與核之間會產生庫侖引力，使電子向相反的方向移動，從而導致電子在入射光電磁波的作用下產生縱向震蕩。當電子的振蕩頻率與電磁波的振蕩頻率相等時，金納米粒子會對光產生強烈的LSPR吸收，這種能量會使金屬粒子表面升溫至幾百攝氏度乃至上千度，升溫狀況與粒子的尺寸，光源的頻率以及強度有直接關系并可以計算得出，并且納米粒子周圍的基體升溫情況也可以計算得出。

碳纖維增強樹脂基復合材料在航空、航天、軍事、建筑等領域發揮著重要的作用。碳纖維增強樹脂基復合材料是由增強體碳纖維、聚合物基體以及由這兩相所形成的數量及面積龐大的界面相組成。界面是復合材料特有的、極其重要的組成部分，對材料的性能起著重要的、甚至是決定性的作用，界面問題是復合材料學科發展的基礎和共性研究課題，對整個學科的發展起著舉足輕重的作用，諸多性能的提高都有賴于對界面認識的進一步深入。界面是復合材料特有的組成部分，是影響復合材料最終使用性能的重要因素，它直接關系到材料內部應力的傳遞和均勻分散，以及內部損傷和裂紋的傳播過程，決定著復合材料的強度、韌性、耐熱性以及化學穩定性。

碳纖維復合材料在外界載荷環境作用下，其界面結構容易發生變化，產生不同尺寸的微裂紋，這些界面微裂紋的擴展和匯合將導致材料的機械性能降低，并最終造成復合材料內部分層等形式的破壞而失去承載能力。界面微裂紋作為材料性能損傷的導火索，其在材料內部的擴展將導致材料宏觀開裂，從而使得材料的力學性能包括強度、硬度等大幅度降低。因此，如何修復復合材料的內部損傷成為科研工作者們廣泛關注的問題，特別是對復合材料界面微損傷的修復。截止到目前，現代常用的分析手段來檢測復合材料的內部開裂和分層的方法有超聲波掃描顯微鏡、射線照相等無損檢測。但是其檢測的微觀范圍是極其有限的，對于一些肉眼能觀測到的分層或開裂，我們可以通過手工進行修復，但是對于界面上的裂紋則很難通過現有的手段檢測并在一個給定區域內精準的修復。復合材料界面的微裂紋如果不能及時檢測并修補，不但會影響材料的使用壽命，而且這些界面微裂紋的擴展將會導致材料形成宏觀裂紋，并使得材料失去正常功能，造成經濟損失。因此，聚合物基復合材料的界面自修復，對于結構復合材料和高新技術領域具有極其重要的意義。

發明內容

本發明是要解決傳統的碳纖維復合材料易產生裂紋，降低材料的機械性能，并難以修復的問題，而提供的具有界面自修復性能的碳纖維/金納米粒子/聚醚砜復合材料的制備及自修復方法。

具有界面自修復性能的碳纖維/金納米粒子/聚醚砜復合材料的制備方法，具體是按照以下步驟制備的：

一、采用電泳沉積法制備碳纖維/金納米粒子纖維：將質量分數為0.01%-0.1%的金溶膠懸浮液倒入電泳槽中，在0～30V之間調整電壓，當電流達到3mA-7mA時，停止升壓，當電流穩定后，持續通電3min-9min，取出碳纖維，再將碳纖維放入溫度為120℃-200℃的烘箱中，保持15min～45min，制得碳纖維/金納米粒子復合材料；其中，電極間距為1cm-5cm，陽極為碳纖維；

二、將聚醚砜粒料分為等質量的兩部分，將一部分聚醚砜粒料放入模具中，然后將步驟一制得的碳纖維/金納米粒子復合材料平鋪在聚醚砜粒料上，再在碳纖維/金納米粒子復合材料上加入另一部分聚醚砜粒料，再將模具放在平板硫化機上進行壓制成型，制得具有界面自修復性能的碳纖維/金納米粒子/聚醚砜復合材料。

具有界面自修復性能的碳纖維/金納米粒子/聚醚砜復合材料的自修復方法，按以下步驟進行：將受損后的具有界面自修復性能的碳纖維/金納米粒子/聚醚砜復合材料采用波長為520nm～550nm、光強為5W/cm²～50W/cm²的光源照射1min～5min，完成受損碳纖維/金納米粒子/聚醚砜復合材料的自修復。

本發明的有益效果是：