CN101613944A - 一种用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法。其是将少量碳纳米管分散于环氧树脂体系中，然后将含有碳纳米管的环氧树脂体系与碳纤维织物复合成型。本发明提供的用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法是利用碳纳米管优异的力学性能来阻止树脂基体的分层和裂纹的扩展，同时利用碳纳米管作为增强体，由此可使树脂基碳纤维复合材料在不降低其它力学性能的情况下显著提高抗冲击性能，实验证明利用本发明方法对树脂基碳纤维复合材料进行处理后该复合材料的抗冲击强度比未掺入碳纳米管的复合材料提高了20％左右。另外，该方法还具有操作方便，因此便于规模化处理等优点。
Description
技术领域
本发明属于复合材料树脂基体改性技术领域，特别是涉及一种通过在环氧树脂中掺入少量碳纳米管以提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法。
背景技术
随着航空航天和现代武器装备的不断发展，对所用材料提出了更高的要求。例如在设计导弹、人造卫星、飞机的承载构件时，越来越需要比强度和比模量高的材料，于是轻质、高强的先进树脂基碳纤维复合材料在高科技领域和国防建设中占有越来越重要的位置。这种树脂基碳纤维复合材料通常由增强纤维和树脂基体组成，其性能主要取决于纤维的力学性能、基体的性能以及纤维与基体之间的界面。然而未经处理的树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能较差，因此使用范围受到很大的限制。
影响树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的因素很多，相应的改进措施也很多。主要方法包括橡胶增韧、树脂改性、添加刚性无机颗粒、纤维混杂和采用织物增强体等。但上述这些方法均不同程度地存在提高了抗冲击性能的同时降低了其它力学性能的缺点，比如抗弯曲性能、抗拉伸和抗压缩性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够在保持材料其它力学性能不变的情况下大幅度提高抗冲击性能的方法，用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能。
为了达到上述目的，本发明提供的用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)将碳纳米管和丙酮以0.1-10mg∶1ml的比例混合均匀，然后对上述混合物进行超声振荡处理，之后静置2小时；
2)将上述含有碳纳米管的丙酮溶液与环氧树脂混合均匀，其中碳纳米管与环氧树脂的重量比为0.5-10∶100，然后按照上述超声振荡方法进行处理，同时辅以机械搅拌，待上述混合物颜色变为黑色时停止搅拌和超声振荡；
3)在60℃的温度下真空除去上述经过搅拌和超声振荡的混合物中的丙酮溶剂，以获得含有碳纳米管的环氧树脂；
4)将上述含有碳纳米管的环氧树脂与固化剂以10∶7的重量比混合均匀，然后采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型方法在60℃的温度下利用上述加有固化剂和碳纳米管的环氧树脂对碳纤维织物进行浸润，然后在150℃的温度下固化3个小时，所制备出的含碳纳米管的树脂基碳纤维复合材料中碳纤维质量分数为50％～65％。
所述的步骤1)中的振荡功率为100～600瓦，处理温度为0℃，振荡时间为1～2小时。
所述的固化剂为四氢邻苯二甲酸酐。
本发明提供的用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法是利用碳纳米管优异的力学性能来阻止树脂基体的分层和裂纹的扩展，同时利用碳纳米管作为增强体，由此可使树脂基碳纤维复合材料在不降低其它力学性能的情况下显著提高抗冲击性能，实验证明利用本发明方法对树脂基碳纤维复合材料进行处理后该复合材料的抗冲击强度比未掺入碳纳米管的复合材料提高了20％左右。另外，该方法还具有操作方便，因此便于规模化处理等优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明提供的用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法进行详细说明。
实施例1：
将1g碳纳米管与500ml丙酮置于烧杯中，然后将烧杯置于冰水中进行超声振荡处理，振荡功率为200瓦，振荡时间为2小时，每隔20分钟加一次冰块，振荡完毕后静置2小时。将上述含有碳纳米管的丙酮溶液与200g环氧树脂混合，在进行超声振荡的同时并辅以机械搅拌，振荡方法同前，当超声振荡和搅拌进行约1个小时后混合物已变为黑色，停止搅拌和超声振荡。将含有丙酮和碳纳米管的环氧树脂置于60℃的真空烘箱中以将丙酮溶剂去除，然后加入140g作为固化剂的四氢邻苯二甲酸酐并混合均匀后，之后采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型方法在60℃的温度下利用上述加有固化剂和碳纳米管的环氧树脂对碳纤维织物进行浸润，最后在150℃的温度下固化3个小时，所制备出的含碳纳米管的环氧树脂基碳纤维复合材料中碳纤维的质量含量为65％，复合材料的抗冲击强度比未掺入碳纳米管的复合材料提高了23％。
实施例2：
将3g碳纳米管与500ml丙酮置于烧杯中，然后将烧杯置于冰水中进行超声振荡处理，振荡功率为300瓦，振荡时间为2小时，每隔20分钟加一次冰块，振荡完毕后静置2小时。将上述含有碳纳米管的丙酮溶液与200g环氧树脂混合，在进行超声振荡的同时并辅以机械搅拌，振荡方法同前，当超声振荡和搅拌进行约1个小时后混合物已变为黑色，停止搅拌和超声振荡。将含有丙酮和碳纳米管的环氧树脂置于60℃的真空烘箱中以将丙酮溶剂去除，然后加入140g作为固化剂的四氢邻苯二甲酸酐并混合均匀后，之后采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型方法在60℃的温度下利用上述加有固化剂和碳纳米管的环氧树脂对碳纤维织物进行浸润，最后在150℃的温度下固化3个小时，所制备出的含碳纳米管的环氧树脂基碳纤维复合材料中碳纤维的质量含量为60％，复合材料的抗冲击强度比未掺入碳纳米管的复合材料提高了16％。
实施例3：
将2g碳纳米管与500ml丙酮置于烧杯中，然后将烧杯置于冰水中进行超声振荡处理，振荡功率为150瓦，振荡时间为2小时，每隔20分钟加一次冰块，振荡完毕后静置2小时。将上述含有碳纳米管的丙酮溶液与200g环氧树脂混合，在进行超声振荡的同时并辅以机械搅拌，振荡方法同前，当超声振荡和搅拌进行约1个小时后混合物已变为黑色，停止搅拌和超声振荡。将含有丙酮和碳纳米管的环氧树脂置于60℃的真空烘箱中以将丙酮溶剂去除，然后加入140g作为固化剂的四氢邻苯二甲酸酐并混合均匀后，之后采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型方法在60℃的温度下利用上述加有固化剂和碳纳米管的环氧树脂对碳纤维织物进行浸润，最后在150℃的温度下固化3个小时，所制备出的含碳纳米管的环氧树脂基碳纤维复合材料中碳纤维的质量含量为63％，复合材料的抗冲击强度比未掺入碳纳米管的复合材料提高了18％。
Claims (3)
1、一种用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法，其特征在于：所述的用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)将碳纳米管和丙酮以0.1-10mg∶1ml的比例混合均匀，然后对上述混合物进行超声振荡处理，之后静置2小时；
2)将上述含有碳纳米管的丙酮溶液与环氧树脂混合均匀，其中碳纳米管与环氧树脂的重量比为0.5-10∶100，然后按照上述超声振荡方法进行处理，同时辅以机械搅拌，待上述混合物颜色变为黑色时停止搅拌和超声振荡；
3)在60℃的温度下真空除去上述经过搅拌和超声振荡的混合物中的丙酮溶剂，以获得含有碳纳米管的环氧树脂；
4)将上述含有碳纳米管的环氧树脂与固化剂以10∶7的重量比混合均匀，然后采用真空辅助树脂传递模塑成型方法在60℃的温度下利用上述加有固化剂和碳纳米管的环氧树脂对碳纤维织物进行浸润，然后在150℃的温度下固化3个小时，所制备出的含碳纳米管树脂基碳纤维复合材料中碳纤维质量分数为50％～65％。
2、根据权利要求1所述的用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法，其特征在于：所述的步骤1)中的振荡功率为100～600瓦，处理温度为0℃，振荡时间为1～2小时。
3、根据权利要求1所述的用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法，其特征在于：所述的固化剂为四氢邻苯二甲酸酐。
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