[發明專利]一種高取向碳納米管復合預制體及其制備方法有效

申請號：	201410147758.8	申請日：	2014-04-14
公開（公告）號：	CN103921368A	公開（公告）日：	2014-07-16
發明（設計）人：	李敏;顧軼卓;王紹凱;劉千立;張佐光	申請（專利權）人：	北京航空航天大學
主分類號：	B29B11/00	分類號：	B29B11/00;C08L63/00;C08L79/04;C08L75/04;C08K7/00;C08K3/04
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種取向納米復合預制及其制備方法
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及一種碳納米管復合預制體的制備方法，尤其涉及一種高取向碳納米管復合預制體的制備方法。

背景技術

自1991年日本電鏡專家Iijima發現碳納米管(CNTs)以來，不同領域的專家們對這種獨特的一維石墨結構產生了濃厚的興趣。碳納米管具有極高的拉伸強度、彈性模量和彈性變形，其綜合性能高于任何已發現的傳統材料。例如單壁碳納米管的模量高達1TPa（約為鋼的5倍），其拉伸強度普遍分布于50～200GPa，并且單壁碳納米管的密度只有1.2g/cm³左右。因此，碳納米管復合材料較目前的高性能碳纖維復合材料更輕、更強。此外，碳納米管具有優異電、導熱和熱穩定性能，故碳納米管復合材料被認為是最具潛力替代碳纖維復合材料同時實現結構/功能一體化的下一代先進復合材料。

現有技術大多采用顆粒填充樹脂的形式來制備碳納米管復合材料，但受到碳納米管難分散和無規分布的影響其復合材料的性能遠低于預期水平。目前已經發展出許多碳納米管分散技術，如超聲、三輥研磨、球磨和螺桿擠出，然而利用這些技術很難制備分散良好的高碳納米管含量復合材料，并且隨著碳納米管含量的增加體系的粘度大幅度提高，對成型工藝產生影響。碳納米管取向排布可有效改善該類材料的力學性能，降低孔隙率，提高材料致密度。針對提高碳納米管的取向度，也發展出許多相關技術，如電場法、磁場法和流體法。然而，這些方法得到的碳納米管取向度較差，同時較低的碳納米管含量限制了碳納米管高性能的發揮。因此，迫切需要一種有效的簡便技術來制備兼具高取向和高含量的碳納米管材料。

發明內容

本發明的目的是提供一種有效的、操作簡便的方法來制備高取向碳納米管復合預制體。為了實現這一目的，本發明采用以下技術方案：

第一步，準備無規取向的碳納米管薄膜，該薄膜可以采用氣相沉積等方法進行制備；該薄膜由幾十至幾百層厚度不低于0.1μm的碳納米管薄層構成，碳納米管在薄膜面內二維分布，無規取向，不沿厚度分布；

第二步，將所述的無規取向的碳納米管薄膜與樹脂進行復合制備成碳納米管復合預制體；

第三步，對碳納米管復合預制體牽伸處理來提高碳納米管取向度，由于浸漬樹脂增加了碳納米管間的相互作用，其牽伸率可高達30%～45%，牽伸在溫度箱內進行，加熱溫度應低于樹脂凝膠溫度20℃以上。

根據取向度要求，可以對碳納米管復合預制體進行二次牽伸。如需進行二次牽伸獲得更高取向度，需先對一次牽伸后的碳納米管復合預制體進行熱壓處理，消除一次牽伸造成的孔隙等。熱壓處理的溫度應低于樹脂固化溫度20℃以上，壓力為0.5～2MPa，通過熱壓處理可以降低碳納米管薄膜的厚度，同時密實碳納米管復合預制體。所述二次牽伸的牽伸率低于第一次牽伸的牽伸率。一般二次牽伸的牽伸率為5～15%。

本發明的優點在于：

（1）本發明制備的碳納米管復合預制體具有優異的力學性能、導熱性能和導電性能，在結構材料、電子器件導熱和電磁屏蔽等領域具有非常廣闊的應用前景。

（2）本發明提供的碳納米管復合預制體，增加了碳納米管之間的相互作用，碳納米管復合預制體經過二次牽伸后，牽伸率可高達55%。

（3）本發明制備的碳納米管復合預制體具有高取向度，由極化拉曼光譜測定的取向度（I_G///I_G⊥）可達到9.8。

（4）本發明制備的碳納米管復合預制體具有高碳納米管含量，碳納米管質量百分含量40%～65%。

（5）本發明制備的高取向碳納米管復合預制體具有優異的力學性能，經過兩次牽伸處理后的碳納米管復合預制體的斷裂伸長率為3.7%，拉伸強度達到965MPa。

(6)本發明牽伸后的高取向碳納米管復合預制體可直接固化制備成復合材料薄膜，克服了高取向碳納米管膜孔隙尺寸極小，樹脂難于浸漬的問題。

附圖說明

圖1為初始無規取向的碳納米管薄膜表面形貌；

圖2為一次牽伸（牽伸率30%）后碳納米管復合預制體的表面形貌；

圖3為實施例中經過兩次牽伸后的碳納米管復合預制體表面形貌；

圖4為實施例中制備的高取向碳納米管環氧預制體應力-應變曲線。