[發明專利]一種具有多尺度耐高溫界面結構的碳纖維復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010461156.5
• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN111534050B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 賈曉龍;齊鵬飛;史可;馬文麗;孟柳;還獻華;楊小平
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08K9/02;C08K9/04;C08K7/06;C08G59/42;C08J5/06
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

本發明涉及一種具有多尺度耐高溫界面結構的碳纖維復合材料及其制備方法。通過基于大電流電解原理的一步法陽極氧化快速處理提高碳纖維的表面活性，利用超聲輔助恒壓定向電泳沉積快捷高效的將納米粒子沉積在陽極氧化碳纖維表面，在此基礎上進一步對碳纖維表面涂覆耐高溫聚合物層，構筑了基于納米粒子/耐高溫聚合物復合的“沙子?水泥”特征多尺度耐高溫界面。通過納米粒子與耐高溫聚合物的協同作用，有效提高了界面區域的機械結合與化學鍵合能力，顯著提升了碳纖維復合材料界面的耐溫等級，從而改善了復合材料整體的耐高溫性能，可用于航空航天、軌道交通等高性能復合材料的應用領域。

技術領域

本發明涉及碳纖維樹脂基復合材料領域，主要涉及一種具有多尺度耐高溫界面結構的碳纖維復合材料及其制備方法。

背景技術

隨著航空航天、風能和汽車行業的發展，碳纖維增強聚合物基復合材料在極端條件下的應用成為繼追求輕質高強要求后又一追求目標。在航空航天等許多方面均有高溫應用場景的例子：如先進的風扇箱結構、液體燃料殼體、發動機排氣結構、發動機短艙等，這些材料往往由于熱機械應力載荷和環境降解而導致壽命短暫，因此，對耐高溫碳纖維增強復合材料的需求與日俱增。目前樹脂基體和碳纖維增強體的耐高溫水平均可達到要求，但是由于碳纖維特有的表面惰性，使得未改性的商業碳纖維與樹脂基體結合較弱、耐溫等級低，導致碳纖維復合材料在高溫環境下具有較低的界面結合強度，限制了復合材料在高溫環境中的應用。

一般的，復合材料的力學性能影響因素包括基體、增強體以及基體與增強體之間形成的界面，其中復合材料的界面是樹脂與纖維之間應力傳遞的橋梁，對于復合材料的整體性能至關重要，在基體與增強都具有優異力學性能的情況下，高溫環境中復合材料的失效則主要由界面失效引起，對復合材料界面的耐高溫性能的研究就顯得尤為重要。由于未改性的商業碳纖維的表面惰性以及上漿劑的低耐熱水平，使得其與樹脂之間的界面結合較差、耐溫性能不佳，因此可以通過纖維表面改性來改善兩者之間的界面結合強度以及界面的耐溫性能，從而提高復合材料耐高溫性能。目前，大量的碳纖維表面改性研究主要集中在對碳纖維表面化學刻蝕和納米材料增強上，通過增加碳纖維表面與樹脂基體的共價鍵作用和阻礙界面裂紋拓展，以提高復合材料的界面剪切強度。目前，碳纖維表面改性的主要方法有涂敷法、化學接枝、化學氣相沉積、超分子自組裝和電化學沉積等。但是面對與日俱增的碳纖維批量化應用場景，化學接枝、氣相沉積、超分子自組裝等都存在難以規模化的缺陷。中國專利(CN105239357A)公開了一種碳纖維表面化學接枝氧化石墨烯的方法，引入官能團解決了碳纖維表面惰性的問題，提高了碳纖維/環氧樹脂界面剪切強度，然而濃酸氧化及表面氨化的碳纖維表面處理方法，對碳纖維本體性能損傷較大，而且由于大量使用強酸，不符合綠色化學的發展方向；中國專利(CN107629224A)公開了一種碳納米管上漿劑改性碳纖維增強環氧樹脂基復合材料的制備方法，碳納米管的引入能有效提高界面的“橋連”作用，但是碳納米管易于團聚，且未處理的碳管與樹脂基體界面作用差，易造成應力集中。近年來，眾多學者報道了關于超分子自組裝、化學氣相沉積等纖維改性的研究進展，但其結果僅停留于實驗室層面。

纖維表面電泳沉積納米粒子是一種高效的表面改性方式，但是在傳統的制備過程中，為了更多的在纖維表面沉積納米粒子，就需要延長電泳沉積時間，然而隨著時間的增大，水電解反應的熱效應也會加大，導致電解液溫度升高，從而影響納米粒子的分散。同時由于水的電解會在電極處產生氣泡，附著在纖維表面的氣泡會嚴重影響納米粒子在碳纖維上的均勻沉積。A.Hajizadeh等人(Hajizadeh A,Aliofkhazraei M,Hasanpoor M,etal.Comparison of Electrophoretic Deposition Kinetics of Graphene OxideNanosheets in Organic and Aqueous Solutions[J].Ceramics International,2018.)分析了碳纖維表面電泳沉積石墨烯的動力學問題，研究發現石墨烯與纖維之間的結合主要是靠電場驅動使石墨烯片層在纖維表面堆積，缺乏有效的化學結合。這主要是由于纖維表面的化學惰性所導致。