[發明專利]一種微納米石墨薄片環氧樹脂基/改性碳纖維復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201811365488.2
• 申請日: 2018-11-16
• 公開（公告）號: CN109504036B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 黃軍同;侯小龍;劉明強;秦文貞;李喜寶;馮志軍
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08K7/24;C08K9/12;C08K7/06;C08K3/24
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所 36111
• 代理人: 劉凌峰

本發明提供一種微納米石墨薄片環氧樹脂基/改性碳纖維復合材料及其制備方法。該復合材料由膨脹石墨通過三輥研磨機剝離形成的微納米石墨薄片強化的環氧樹脂基體以及功能化的氧化物納米粒子改性的碳纖維增強體復合組成。其制備方法為首先將膨脹石墨加入到環氧樹脂中混合后通過三輥研磨機進行連續循環剝離得到微納米石墨薄片/環氧樹脂混合物；隨后將得到的微納米石墨薄片/環氧樹脂混合物與固化劑混合均勻，然后將其均勻涂覆在功能化氧化物納米粒子改性的碳纖維表面上進行鋪層，熱壓罐中固化后即得到該發明所制備的微納米石墨薄片環氧樹脂基/改性碳纖維復合材料。該技術制備的高性能、低成本復合材料能夠作為先進結構材料應用在航空工業領域。

技術領域

本發明涉及一種微納米石墨薄片環氧樹脂基/改性碳纖維復合材料及其制備方法，屬于復合材料領域。

背景技術

復合材料是由基體相、增強相和(或)界面相等多相結合性能協同互補從而具有獨特的高強度、低密度和耐疲勞性組合優異特性，作為關鍵材料在航空航天領域起到重要的支撐作用。碳纖維增強環氧樹脂基復合材料(EP/CF復合材料)，具有高的比強度、比模量和疲勞強度，而且具有熱膨脹系數小、耐腐蝕、結構尺寸穩定、材料性能可設計等一系列優異的性能。作為一種新型的先進復合材料，可以作為結構材料承載負荷滿足在重量、強度、剛度、疲勞特性等有嚴格要求的領域，特別是作為航空關鍵結構材料成為研究熱點并得到重要應用。

然而，還存在一些未能妥善解決的技術難題而使得EP/CF復合材料難以大規模商業化應用。EP/CF復合材料的增強相碳纖維表面光滑、活性官能團少、表面能低，與基體環氧樹脂的浸潤性較差；基體相環氧樹脂固化后交聯密度高，存在內應力大、質地硬脆、耐沖擊性能差等問題，這二者導致EP/CF復合材料的兩相界面粘結性差，層間剪切強度小，使得復合材料抗沖擊韌性差，大大地限制了環氧樹脂基/碳纖維復合材料在高科技領域的進一步應用。因此，改善碳纖維和環氧樹脂的界面結構和性質是提高其材料性能的關鍵。

國內外眾多企業/研究單位再改善碳纖維和環氧樹脂的界面性質以提高材料的整體性能方面開展了大量的研究工作，總結起來主要是在以下3個方面對EP/CF復合材料的界面進行改性。第一方面是對反應惰性較高的非極性碳纖維表面進行改性。主要技術就是通過氧化處理(氣相氧化、液相氧化、電化學氧化)、等離子表面處理碳纖維使得表面引入并提高含氧活性基團、增加表面粗糙度以及表面涂層處理技術形成一定厚度的過渡界面層來改善提高碳纖維與樹脂之間界面的粘結性能。第二方面是對固化后交聯密度高、內應力大、耐疲勞性差的環氧樹脂進行改性以提高復合材料強度和韌性。主要技術方法有橡膠彈性體、熱塑性樹脂和熱致液晶增強增韌，其中熱塑性樹脂增強增韌方法最為有效和實用，國內外開發出許多高韌性環氧/碳纖維復合材料，如北京航空材料研究院研制的T300/5228和T800/5228熱塑性樹脂增韌環氧樹脂復合材料的沖擊后壓縮強度(CAI)分別為190MPa、250MPa。目前，國內在環氧樹脂增韌、增強研究方面取得了較大進展，但仍存在一些問題。如：用反應性液態聚合物和熱塑性樹脂增韌環氧樹脂，可使沖擊強度成倍地提高，但模量、耐熱性能、拉伸性能均有所下降。第三方面是對EP/CF復合材料進行層間增韌。針對復合材料層間斷裂的失效模式張開型、滑移型和撕開式裂紋對其層間增韌的方法包括沉積增韌技術、薄膜增韌技術和納米材料增韌技術，這些技術都是為了改善碳纖維與環氧樹脂之間的界面結構/性質，以達到提高復合材料的層間剪切強度、界面粘結力和沖擊強度、彎曲強度等性能的目的。Bekyarova等人在碳纖維基布上沉積了0.025wt％的碳納米管和0.025wt％的納米碳纖維，和未沉積碳納米管的基布相比，EP/CF復合材料的韌性增加了51％。