[發(fā)明專利]一種輕量化強(qiáng)韌層狀復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010753721.5
• 申請(qǐng)日: 2020-07-30
• 公開（公告）號(hào): CN111960692B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王金榮;陳卓;王海龍;許強(qiáng);逯志強(qiáng);吳磊;柳桂琦;張琳博;李志陽
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司;河鋼股份有限公司唐山分公司
• 主分類號(hào): C03C17/34
• 分類號(hào): C03C17/34
• 代理公司: 石家莊冀科專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 13108
• 代理人: 趙幸

本發(fā)明公開一種輕量化強(qiáng)韌層狀復(fù)合材料，屬于新型輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。該層狀復(fù)合材料在厚度方向上具有類貝殼的有機(jī)、無機(jī)復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)，有機(jī)層狀結(jié)構(gòu)為A/B層，通過旋涂方法獲得；無機(jī)層狀結(jié)構(gòu)為Al₂O₃層，通過表面撈膜方法獲得，該層狀復(fù)合材料可以通過調(diào)整層層自組裝次數(shù)來定量的調(diào)整復(fù)合材料的厚度。本發(fā)明層狀復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為130?230MPa，模量為6.5?16.5Gpa，斷裂韌性為6.5?15.8MJ/m³，伸長率5?15%，可應(yīng)用于輕量化技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新型輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域， 具體涉及一種輕量化強(qiáng)韌層狀復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著環(huán)境問題的日益加重，國家政策的導(dǎo)向，可持續(xù)發(fā)展成為現(xiàn)階段強(qiáng)調(diào)的重中之重。在汽車行業(yè)，目前汽車輕量化成為順應(yīng)這一時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，汽車輕量化是在保證汽車安全性和強(qiáng)度的前提下，采用各種手段最大程度的降低車身重量以達(dá)到節(jié)能減排，減低環(huán)境污染的目的。目前，輕量化技術(shù)路徑主要從三個(gè)方面開展，一是從新工藝上實(shí)現(xiàn)輕量化，二是汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，第三個(gè)也是最重要的一個(gè)是開發(fā)新材料實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。對(duì)于實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的新材料領(lǐng)域，鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強(qiáng)鋼、工程塑料、甚至是碳纖維都是大家相對(duì)來說較為熟悉的。目前，石墨烯、碳納米管憑借優(yōu)異的物理化學(xué)性能在汽車輕量化領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景，但是相關(guān)研究尚處于初期階段。

石墨烯是目前強(qiáng)度最高、最薄的新型納米材料，固有拉伸強(qiáng)度高達(dá)130 GPa，彈性模量高達(dá)1.0 Tpa，目前石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料得到了廣泛的研究，在高分子材料中添加少量的石墨烯就會(huì)大大的提高材料的抗拉強(qiáng)度。碳納米管具有良好的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6；彈性模量可達(dá)1TPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的5倍。碳納米管若制成復(fù)合材料，有望給復(fù)合材料的性能帶來極大的改善。

但是石墨烯與碳納米管的復(fù)合材料在具有較高強(qiáng)度和模量的同時(shí)，往往伴隨著較差的韌性和較低的應(yīng)變能力，這會(huì)導(dǎo)致材料在應(yīng)用的過程中產(chǎn)生破壞性的斷裂現(xiàn)象。這主要是由于高分子鏈被納米尺寸的石墨烯限域，失去了原本的柔韌性。因此，開發(fā)一種高強(qiáng)度高韌性的輕量化材料是本領(lǐng)域長期探索的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種輕量化強(qiáng)韌層狀復(fù)合材料及其制備方法。該層狀復(fù)合材料通過旋涂和表面撈膜相結(jié)合的層層自組裝方法獲得，具有較高的強(qiáng)度和韌性，有望應(yīng)用到航空、車輛等需要強(qiáng)韌綜合性能、輕量化要求的相關(guān)領(lǐng)域。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種輕量化強(qiáng)韌層狀復(fù)合材料，所述層狀復(fù)合材料在厚度方向上具有類貝殼的有機(jī)、無機(jī)復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)；所述有機(jī)層狀結(jié)構(gòu)為A/B層，通過旋涂方法獲得，所述A為氧化石墨烯(GO)、碳納米管(CNT)中的任意一種，所述B為聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纖維素(CMC)中的任意一種；所述無機(jī)層狀結(jié)構(gòu)為Al₂O₃層，通過表面撈膜方法獲得，所述Al₂O₃為經(jīng)過3-氨丙基三乙氧基硅烷ATES修飾的Al₂O₃；所述A/B層以及Al₂O₃層通過層層自組裝方法，獲得輕量化強(qiáng)韌層狀復(fù)合材料；所述單層A/B層的厚度為3-5μm。

本發(fā)明所述A/B層中，原料氧化石墨烯厚度為0.6-0.7nm，直徑為200-600nm，原料碳納米管直徑1-2nm，長度5-30μm，原料聚乙烯醇的平均分子量為146000-186000，原料羧甲基纖維素的平均分子量為250000；所述Al₂O₃層，原料無機(jī)微米片Al₂O₃厚度為200-500nm，直徑為5-12μm。

本發(fā)明所述A/B層中A所占的比重是5%-10%。