[發明專利]一種碳納米管巴基紙原位沉積碳纖維制備抗分層高導電聚合物基復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 202010962708.0
• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN114181494B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 吳亞東;吳立新;王睿;王號朋
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: C08L63/02
• 分類號: C08L63/02;C08L61/06;C08L67/06;C08L79/08;C08K7/04;C08K7/02;C08K7/00;C08K7/06;C08G59/50;D06M10/00;D06M11/55;D06M11/65;D06M15/61;D06M11/74
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 聶稻波

本發明提供了一種碳納米管巴基紙原位沉積碳纖維制備抗分層高導電聚合物基復合材料的制備方法，通過原位沉積法將碳納米管巴基紙沉積到碳纖維氈表面，形成碳纖維/碳納米管巴基紙復合結構，然后通過偶聯劑處理，將碳纖維/碳納米管巴基紙和碳纖維氈相連接，形成改性碳纖維/碳納米管巴基紙復合體，最后用聚合物基體對所述改性碳纖維/碳納米管巴基紙復合體進行浸漬和熱壓固化處理，制備復合材料。本發明制備的復合材料基體層形成了緊密堆積的3D碳納米管網絡，既充當了導電路徑，使得厚度方向和面內均呈現出較高的電導率，此外也增加了界面層的強度，使得抗層間剪切強度和韌性均得到大幅度提高。

技術領域

本發明涉及一種多尺度增強抗分層高導電聚合物基復合材料的制備方法，具體涉及一種碳納米管巴基紙原位沉積碳纖維制備抗分層高導電聚合物基復合材料的制備方法。

背景技術

與金屬和陶瓷材料相比，碳纖維增強聚合物(CFRP)復合材料以其高比強度、高比模量而廣泛應用于汽車、航空航天、體育器材等領域(Yao SS,Jin FL,Rhee KY,Hui D,ParkSJ.Compos Part B Eng,2018,142:241-250)。然而，由于碳纖維表面光滑以及化學惰性使得其與環氧基體界面結合較弱(Zhu Y,Bakis CE,Adair JH.Carbon 2012,50,1316-1331)，導致復合材料易分層。此外碳纖維氈間的基體層缺少纖維增強而強度較差，不利于層間抗剪切性能的提高從而導致容易分層。聚合物基體層本身絕緣也導致沿聚合物基復合材料厚度方向導電性能較差，因此為了拓寬碳纖維增強環氧樹脂基復合材料的應用范圍，復合材料的層間抗剪切性能以及厚度方向的導電性能仍需進一步提高。

碳納米管作為一種一維納米材料，一經發現便以其高比表面積、高長徑比以及優異的力學和導電性能吸引到眾多研究者的廣泛關注。其中多壁碳納米管其拉伸強度、拉伸模量以及電導率分別達到11-63GPa、0.27-0.95TPa和109A·cm^-2(Volder MFLD,TawfickSH,Baughman RH,Hart AJ.Science,2013,339,535-539)，而單壁碳納米管的拉伸強度、拉伸模量以及電導率更是分別達到10-52GPa、0.32-1.47TPa和10⁶S·m(Byrne MT,Gun’koYK.Adv Mater 2010,22,1672-1688)。

基于碳納米管的優越力學性能和導電性能，在CFRP復合材料中摻入碳納米管填料以構建多尺度增強材料是一種廣泛使用的方法(Schaefer JD,Guzman ME,Lim C-S,Rodriguez AJ,Minaie B.Compos Part B Eng 2013,55,41-47)。迄今為止，在CFRP復合材料的多尺度增強中開發了兩種主要方法：一、將碳納米管與樹脂混合物注入碳纖維織物中；二、通過CVD，電泳沉積等方法在碳纖維表面沉積碳納米管，然后進行樹脂基體浸漬。方法一雖然操作簡單、應用廣泛，然而碳納米管和樹脂混合物的粘度較大不利于碳納米管均勻分散，且容易導致聚合物基體中殘留氣泡。方法二中，金屬催化劑的存在和碳纖維結構的破壞是CVD方法的局限性(Yang Y,Zhang HP,Yan Ying.Compos Part B Eng 2019,160,369-383)，而難以獲得較厚的碳納米管層，以及電泳沉積法對碳纖維本身的電化學氧化也使得電泳沉積法的使用受到限制。

為了獲得高層間剪切性能以及高導電的CFRP復合材料，經常需要高含量的碳納米管填料，Khan等直接將碳納米管纖維制成巴基紙插入到CFRP復合材料層間，發現復合材料的層間性能有了顯著改善(Khan SU,Kim JK.Carbon,2012,50,5265-5277)。然而復合材料的層間仍存在高界面熱阻和電阻，使電導率降低，且碳纖維與碳納米管纖維巴基紙之間缺乏牢固的相互作用，例如機械互鎖和化學鍵合，使層間剪切強度和韌性降低。

發明內容