[發(fā)明專利]具有高柔性及力學(xué)性能的復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010832154.2
• 申請日: 2020-08-18
• 公開（公告）號: CN111923554B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史振宇;段寧民;王繼來;張成鵬;王兆輝;襲建人;楊曉濤
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: B32B27/40
• 分類號: B32B27/40;B32B27/12;B32B9/00;B32B9/04;B32B33/00;B29D7/01;D06M11/74;D06M13/513;D06M101/40
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 宋海海

本發(fā)明提供一種具有高柔性及力學(xué)性能的復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。本發(fā)明復(fù)合材料通過碳纖維布的表面改性，氧化石墨烯對碳纖維布的噴涂處理，碳纖維布與TPU板的層層堆疊制備而成。本發(fā)明利用硅烷偶聯(lián)劑和氧化石墨烯分子對碳纖維表面進(jìn)行處理，能更有效的提升碳纖維布與TPU樹脂的結(jié)合，進(jìn)而增強(qiáng)其力學(xué)性能。制備出的碳纖維布/氧化石墨烯/TPU復(fù)合材料具有很好的柔韌性，在經(jīng)過多次彎曲、折疊等操作后依舊能夠恢復(fù)原狀，具有很好的柔韌性。本發(fā)明制備方法具有操作簡單、綠色環(huán)保、價(jià)格成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有高柔性及力學(xué)性能的復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

公開該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、比強(qiáng)度高等一系列突出的性能，在航空航天、軍工產(chǎn)品、汽車工業(yè)等得到廣泛的運(yùn)用。例如，中國自行研制的直-9型直升飛機(jī)所使用的的碳纖維復(fù)合材料已占到約60％。航空飛機(jī)上的方向舵、升降舵機(jī)翼后緣、壓力艙壁板、貨艙地板夾層結(jié)構(gòu)面板和機(jī)翼整流罩等某些小且簡單的結(jié)構(gòu)件方面均涉及到復(fù)合材料的運(yùn)用。

目前常見的碳纖維復(fù)合材料的制備方法有：(1)將短切碳纖維與樹脂進(jìn)行結(jié)合，制備出碳纖維復(fù)合材料。(2)將短切碳纖維進(jìn)行物理、化學(xué)處理，使其表面進(jìn)行改性，然后與樹脂結(jié)合制備出具有復(fù)合特性的碳纖維復(fù)合材料。這兩種方法通常是通過熔融共混的方法進(jìn)行制備復(fù)合材料。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，熔融共混的方法會(huì)面臨兩個(gè)問題，一是碳纖維含量較少的情況會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的性能得不到明顯的改善；二是碳纖維含量較多的情況會(huì)導(dǎo)致碳纖維在樹脂內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)而使得復(fù)合材料的性能變差。

氧化石墨烯作為石墨烯基材料一類重要的衍生物，盡管氧化過程破壞了石墨烯高度共軛結(jié)構(gòu)，但是仍保持著特殊的表面性能與層狀結(jié)構(gòu)。含氧基團(tuán)的引入不僅使得氧化石墨烯具有化學(xué)穩(wěn)定性，而且為合成石墨烯基/氧化石墨烯基材料提供表面修飾活性位置和較大的比表面積。氧化石墨烯作為合成石墨烯基復(fù)合材料的前驅(qū)物與支撐載體，易功能化與可控性高。在與金屬，金屬氧化物，高分子聚合物等材料復(fù)合過程中，可以提供大的比表面積有效分散附著材料，防止團(tuán)聚。氧化石墨烯也顯示出自身優(yōu)異的物理、化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)，并且由于石墨烯片層骨架的基面和邊緣上有多種含氧官能團(tuán)共存的結(jié)構(gòu)，使得氧化石墨烯可以通過調(diào)控所含含氧官能團(tuán)的種類及數(shù)量，來調(diào)制其導(dǎo)電性和帶隙，在光電領(lǐng)域、太陽能電池及生物領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述問題，本發(fā)明提供了一種具有高柔性及力學(xué)性能的復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明通過硅烷偶聯(lián)劑對碳纖維布進(jìn)行表面改性處理，使得碳纖維布表面存在大量的活躍基團(tuán)，然后通過噴涂處理的方法將氧化石墨烯沉積在改性后的碳纖維布上面，最后將TPU(熱塑性聚氨脂)板與氧化石墨烯沉積后的碳纖維布通過層層堆疊的方式在高溫下制備，獲得具有高柔性及力學(xué)性能的多層碳纖維布/氧化石墨烯/TPU復(fù)合材料。本發(fā)明具有綠色環(huán)保、通用性高及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)制備的復(fù)合材料具有良好的柔性以及優(yōu)異的力學(xué)性能，因此具有良好的實(shí)際推廣應(yīng)用之價(jià)值。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供一種具有高柔性及力學(xué)性能的多層碳纖維布/氧化石墨烯/TPU復(fù)合材料，所述復(fù)合材料由碳纖維布和TPU板層層堆疊制成，且所述復(fù)合材料上表面層和下表面層均為TPU板。

其中，所述碳纖維布經(jīng)偶聯(lián)劑和氧化石墨烯分子進(jìn)行改性處理獲得，通過上述改性處理，從而能夠更有效的提升碳纖維布與TPU樹脂的結(jié)合，進(jìn)而增強(qiáng)其力學(xué)性能。

需要說明的是，所述碳纖維布和TPU板堆疊層數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，因此，本發(fā)明的復(fù)合材料其可以含有一層、兩層、三層等任意層數(shù)的碳纖維布。