[發明專利]一種碳纖維增強高分子基復合材料的制備方法及應用

有效

• 申請號: 201610083838.0
• 申請日: 2016-02-06
• 公開（公告）號: CN105690807B
• 公開（公告）日: 2018-06-26
• 發明（設計）人: 黃劍鋒;李文斌
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: B29C70/50
• 分類號: B29C70/50;B29C70/54;B29C51/46
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種碳纖維增強高分子基復合材料的制備方法及應用，將無機化合物所需要的鹽溶液置于反應釜內，并在反應釜內放置用于感應交變磁場的基體材料，將反應釜密封后置于水熱感應加熱設備中，然后將反應釜冷卻至室溫，將負載有無機化合物的基體材料取出，清洗、干燥；最后對其進行熱壓成型，即可。本發明將水熱感應加熱技術應用于碳纖維的表面接枝，克服碳纖維的表面惰性帶來的不易與其他組分相結合的缺點。此外，在交變磁場的作用下，碳纖維的高溫促使多種納米材料在其表面的生長，為碳纖維和樹脂結合提供了更多的齒合位點，改善了它們之間的界面結合和復合材料的機械性能。

【技術領域】

本發明屬于復合材料的制備技術領域，涉及一種碳纖維增強高分子基復合材料的制備方法及應用。

【背景技術】

碳纖維因其優異的綜合性能(高的比模量和強重比、低熱膨脹、高電導率、高導熱、耐磨以及耐高溫等)而常被用作高分子基復合材料的增強材料[周曦亞編.復合材料.北京：化學工業出版社,2005.01.]。然而因碳纖維表面能小，與樹脂基體的浸潤性差、界面結合性能差等缺點，由其制備的復合材料的力學性能往往與理論值相差較大[Choi I,LeeDG.Surface modification of carbon fiber/epoxy composites with randomlyoriented aramid fiber felt for adhesion strength enhancement.Composites PartA:Applied Science and Manufacturing.2013；48:1-8.]。

因此，適當對碳纖維表面進行處理，能夠在很大程度上提高碳纖維與高分子基體的界面結合。國內外學者針對碳纖維表面的結構特點，提出了多種方法對碳纖維表面進行處理，主要可分為氧化法、等離子體處理法、涂層法以及納米顆粒改性法等[劉保英，王孝軍，楊杰，等.碳纖維表面改性研究進展[J].化學研究，2015，26(2)：111-120.]。氧化法主要包括液相氧化法、氣相氧化法和電化學氧化法等，主要機理為在氧化劑的作用下，碳纖維的暴露面產生許多具有親水性能的含氧極性官能團，其與高分子能夠發生很好地結合，但是碳纖維的強度會出現下降。等離子體處理的機理是利用等離子體發生器產生的等離子體轟擊碳纖維表面，從而增加纖維暴露面的粗糙程度和表面積，并在纖維表面產生含氧極性官能團，從而提高纖維和高分子基體相互之間的浸潤性[Ma K,Wang B,Chen P,et al.Plasmatreatment of carbon fibers:Non-equilibrium dynamic adsorption and its effecton the mechanical properties of RTM fabricated composites[J].Applied SurfaceScience,2011,257(9):3824-3830.]。由于碳纖維表面受到了損傷，因而其強度在一定程度上也會出現下降。涂層法是在碳纖維表面制備一種能夠與碳纖維和高分子發生物理化學反應的，具有一定厚度、結構和剪切強度的中間層，進而增強復合材料的界面強度，常見的處理方法有偶聯劑涂層法、溶膠凝膠法、上漿劑涂層法和氣相沉積法等，然而這些方法相對比較復雜。

由于納米顆粒的引入能夠大大地改善復合材料的各項性能(包括摩擦學性能和機械性能等)，納米顆粒獲得了復合材料領域研究者的廣泛關注。在復合材料領域，納米顆粒的引入主要可分為：機械共混法、纖維表面接枝和沉積法等。采用機械共混法和沉積法只能將已合成的納米顆粒通過物理手段引入到復合材料材料中，這易于導致納米顆粒發生團聚。此外，由于界面結合的提高主要是依靠納米尺寸效應來實現，因而這種結合是弱的。。

因此，尋找一種工藝簡單易控、在不損害碳纖維本身結構的前提下還能獲得優異界面結合的，并且能實現一步法在碳纖維表面生長納米顆粒的制備方法顯得非常有意義。

【發明內容】

本發明的目的在于提供一種碳纖維增強高分子基復合材料的制備方法及應用，這種方法工藝簡單易控，能夠一步實現納米材料在碳纖維上的合成和生長，并能夠有效改善復合材料中各組分之間的界面結合。