[發明專利]一種具有互穿網絡結構的復合增強材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201811324960.8
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN109505037B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 嚴玉蓉;李偉培;吳松平;黃楚云;林超;張申魁;陳焯文
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F9/17;D01F9/21;D01F9/24;D01F1/10;D01D5/34;D01D5/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 羅嘯秋

本發明屬于復合材料領域，公開了一種具有互穿網絡結構的復合增強材料及其制備方法。將聚丙烯腈溶解于有機溶劑中，然后加入金屬基材料攪拌混合均勻，得到皮層溶液；將水溶性高分子材料溶解于去離子水中，再加入陶瓷基材料攪拌混合均勻，得到芯層溶液；將皮層溶液和芯層溶液通過靜電紡絲，得到具有皮芯結構復合纖維材料；最后在惰性氣氛下經過預氧化和碳化處理，得到具有互穿網絡結構的復合增強材料。本發明通過水溶性高分子材料成型之后經過后續的高溫處理形成碳纖維，與聚丙烯腈基碳纖維形成互穿網絡結構，利于金屬基材料和陶瓷基材料的滲入，極大地提升了復合增強材料的力學性能。

技術領域

本發明屬于復合材料領域，具體涉及一種具有互穿網絡結構的復合增強材料及其制備方法。

背景技術

碳纖維(Carbon Fiber，Cf)是一種具有高比模和高比強的高性能纖維狀材料，并且具有耐摩擦、抗高溫、耐腐燭、低密度、導電性好、抗疲勞和傳熱性高、低熱膨脹系數、電磁屏蔽性等諸多性能，在高性能復合材料的增強體中占據非常重要的位置，被譽為“21世紀最有生命力的新型材料”。根據生產原料的不同，可以將碳纖維劃分為三大類：聚丙烯腈基(PAN-based)碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。

聚丙烯腈基碳纖維由于生產工藝簡單，而且產品性能優異，因而自20世紀60年代問世以來，得到了飛速的發展，成為當今碳纖維工業的主流纖維。碳化是制備PAN基碳纖維過程中的一個重要工藝過程，一般是在高純度惰性氣體保護下將PAN熱氧穩定化纖維加熱至1000℃以上，以去除纖維中的非碳原子，生成高含碳量的碳纖維。根據碳化溫度范圍的高低，可以將碳化具體分為低溫碳化與高溫碳化兩個階段。其中低溫碳化溫度范圍一般在450℃～950℃，而高溫碳化一般在1000℃～1800℃。

靜電紡絲技術就是在外加電場的作用下，當靜電力大于聚合物溶液(或熔體)的表面張力時，噴射出超細纖維的過程。相對于傳統紡絲過程的微米級直徑絲束，靜電紡絲能夠收集到纖維直徑在亞微米，甚至幾十納米。由于強電場力的高度拉伸和極大的比表面積，所得纖維微晶排列更加規整，內部溶劑揮發的更加徹底。

在PAN基碳纖維的制備過程中，由于前序紡絲階段的工藝最為復雜，聚集態結構變化也最為劇烈，同時也是各類聚集態結構缺陷最容易產生的階段。產生的結構缺陷如纖維表面溝槽、纖維表面損傷、晶格錯位、纖維內部孔洞與裂縫等，會“遺傳”給碳纖維，導致碳纖維性能降低。

發明內容

針對以上現有技術存在的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供一種具有互穿網絡結構的復合增強材料的制備方法。本發明方法在前序紡絲階段采用靜電紡絲，在前期減少各類聚集態結構缺陷，同時通過皮層加入的金屬基材料和芯層加入的陶瓷基材料，填補高溫熱處理后碳纖維的遺漏下來的結構缺陷，得到具有互穿網絡結構的復合增強材料。

本發明的另一目的在于提供一種通過上述方法制備得到的具有互穿網絡結構的復合增強材料。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種具有互穿網絡結構的復合增強材料的制備方法，包括如下制備步驟：

(1)皮層溶液的制備：將聚丙烯腈溶解于有機溶劑中，然后加入金屬基材料攪拌混合均勻，得到皮層溶液；

(2)芯層溶液的制備：將水溶性高分子材料溶解于去離子水中，再加入陶瓷基材料攪拌混合均勻，得到芯層溶液；

(3)將皮層溶液和芯層溶液通過靜電紡絲，得到具有皮芯結構復合纖維材料；

(4)將具有皮芯結構復合纖維材料在惰性氣氛下經過預氧化和碳化處理，得到具有互穿網絡結構的復合增強材料。

優選地，步驟(1)中所述有機溶劑為N，N二甲基甲酰胺。