[發明專利]一種SiC納米線改性的CF/PI復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201410399995.3
• 申請日: 2014-08-14
• 公開（公告）號: CN104212168B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 李垚;寇玉潔;趙九蓬;張盼盼;王月敏;白瑞
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C08L79/08
• 分類號: C08L79/08;C08K7/06;C08K3/04;C08K7/10;C08G73/10
• 代理公司: 北京瑞思知識產權代理事務所(普通合伙)11341
• 代理人: 李濤

技術領域

本發明涉及一種碳化硅(SiC)納米線的改性碳纖維增強聚酰亞胺(CF/PI)復合材料的制備方法。

背景技術

隨著航空航天的發展，人們對材料的高溫性能和力學性能的要求越來越高，傳統金屬材料已難以滿足航天航空領域對材料的輕質高強性質的要求，而復合材料尤其是碳纖維增強基先進復合材料因其高比強度、高比模量、可設計性，耐高溫等優點，成為航天航空優選材料。

相比于其他多聚物基體，聚酰亞胺(PI)具有優異的熱穩定性、耐熱性、耐腐蝕性等，可以滿足現有衛星、飛機等對材料越來越高的要求并保持長期的結構穩定性，運行過程中產生的熱解產物對于環境污染小。因此，碳纖維增強聚酰亞胺基復合材料在航天航空、軍事領域有很大的應用價值。但是，聚酰亞胺的加工性能較差，加之碳纖維表面呈惰性，因此兩者復合形成的界面較弱，這對碳纖維增強聚酰亞胺復合材料的性能和應用造成很大的限制。

為了提高碳纖維和聚酰亞胺基體界面結合強度，需要對碳纖維進行改性。目前國內外對碳纖維表面改性的研究很多，SiC材料因其耐高溫、耐輻射、熱膨脹系數低、化學穩定性能好、機械性能高等許多優良的特性，被廣泛用來改性碳纖維。研究表明,單根SiC納米線或納米棒的彈性和強度遠遠大于大塊SiC晶體的強度.近年來,SiC納米線(棒)的力學性能和在復合材料中的應用再次引起科學家的重視。Lieber研究組利用原子力顯微鏡對制備的SiC納米棒進行了力學性能測定,發現單根SiC納米棒的楊氏模量為610一660GPa,接近理論預測值(約600GPa),SiC納米棒的最大彎曲強度53.4GPa,是微米晶須的兩倍。王中林等人也測得不同直徑SiO2/SiC共軸納米結構SiC的楊氏模量,并在掃描電鏡下直接觀察到SiC納米線的超塑性.

目前已經有關于碳化硅納米線在柔性襯底碳纖維上生長的專利,如CN102951919A公開了一種SiC納米線在C/SiC復合材料中生長的方法,該方法是將碳纖維織物放于聚碳硅烷溶液中真空浸漬,然后高溫裂解得到原位生長SiC納米線的陶瓷基復合材料,該方法會導致碳纖維織物浸漬不夠充分,最終致使復合材料孔隙率高，影響其力學性能。CN102828249A公布了一種能在柔性襯底上大規模生長高質量單晶碳化硅納米線陣列的方法，碳纖維作為碳源和襯底，硅粉作為硅源，設備簡單，成本低，但是制備的碳化硅納米線降低了碳纖維的機械性能。

本發明首先利用提拉法，采用膨脹石墨的分散液浸漬的碳纖維作為碳源，然后用硅粉蒸發法制備SiC納米線改性聚酰胺酸，最后通過模壓成型法制備CF/PI復合材料。本發明的方法原料來源豐富，成本較低，可操作性強，所獲得的CF/PI不但具有改進的耐熱性和力學性能，還具有改善的CF/PI的界面結合情況。

發明內容

在第一方面，本發明提供了一種耐熱性、抗輻射、力學性能均優異的SiC納米線改性的CF/PI復合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：

1)利用提拉法浸漬碳纖維的步驟，所述步驟為：將膨脹石墨分散于有機溶劑中，超聲制備成分散均勻的石墨懸浮液，利用提拉涂膜機使得所述分散均勻的石墨懸濁液浸漬在碳纖維布的表面，隨后在真空烘箱中對浸漬后的所述碳纖維布加熱處理，獲得提拉后的碳纖維布；

2)硅粉蒸發法制備SiC納米線的步驟，所述步驟為：將SiO粉末放入氧化鋁坩堝，然后用步驟1)獲得的所述提拉后的碳纖維布蓋上,碳纖維布上面再用蓋子壓住；將該反應裝置放入管式爐，在氬氣環境下加熱至1200℃-1600℃，保溫2h-6h，自然冷卻至室溫；

3)制備預浸料的步驟，所述步驟為：將干燥的二胺溶于N,N-二甲基乙酰胺溶劑中，并在反應容器中通氮氣，進行機械攪拌至二胺全部溶解后，在反應容器中加入二酐，攪拌至完全溶解，獲得棕黃色的聚酰胺酸溶液，利用所述聚酰胺酸溶液對步驟2)的產物進行浸漬，制成預浸料；

4)模壓成型法獲得SiC納米線改性的碳纖維增強聚酰亞胺復合材料的步驟，所述步驟為：將步驟3)獲得的預浸料放置在電熱烘箱內預熱，使其中的溶劑揮發，預熱溫度為80℃，時間為5-10h；然后將其放入涂有脫模劑的模具內，模具放入平板壓機板中，調整壓力為0.5-2MPa，依次加熱到100℃、140℃、180℃和220℃，并且各個階段保溫1-3h；保溫完成后，停止加熱，自然冷卻，直至溫度降到室溫，獲得SiC納米線改性的碳纖維增強聚酰亞胺復合材料。

在第二方面，本發明提供了由第一方面的方法制備的SiC納米線改性的碳纖維增強聚酰亞胺復合材料。

有益效果