CN104356600A - 一种高层间剪切性能碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高层间剪切性能碳纤维复合材料及其制备方法，该复合材料包括碳纤维、环氧树脂基体材料和取向地分散于该环氧树脂基体材料中的微纳米材料；微纳米材料是指表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯。本发明采用磁场取向磁性颗粒修饰的氧化石墨烯来增强碳纤维复合材料的层间剪切性能，在增强基体树脂的同时，使基体树脂与碳纤维的界面结合得更加牢固，从而使制备的复合材料具有优异的层间剪切性能。

Description

一种高层间剪切性能碳纤维复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于聚合物基复合材料的制备领域，具体地说是涉及一种高层间剪切性能碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维/环氧复合材料具有比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀，结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成型的独特优点，而被广泛应用于航空航天、体育器材、汽车等国民经济各个领域。但是碳纤维复合材料中相当多的产品是层合板结构，由于碳纤维层与层之间完全依赖于树脂的粘接，因此，碳纤维复合材料的层间剪切性能相对较差，造成材料在使用过程中出现层与层之间开裂的现象。而复合材料的层间剪切性能主要取决于基体树脂的性能和基体树脂与碳纤维的界面结合情况。

要提高碳纤维复合材料的层间剪切性能，一方面需要对碳纤维进行表面处理：Han等采用酸对碳纤维进行表面处理，使其表面具有反应性基团以提高碳纤维和环氧树脂间的界面结合强度；刘魁等采用超临界二氧化碳处理碳纤维，提高碳纤维表面的粗糙度，使环氧树脂易于浸润碳纤维表面，通过机械锚定作用改善其与环氧树脂的界面粘接效果；刘占清等在碳纤维表面涂覆涂层，在碳纤维与环氧树脂的界面上引入使其性能更匹配的中间层，释放界面应力，减小应力集中，从而达到改善界面性能的目的。另外一方面需要提高树脂基体本身的性能(包括本身的力学性能和对碳纤维的浸润性)：目前，传统手段是在环氧树脂中引入聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚醚醚酮、酚醛树脂等，使之在环氧树脂的交联网络中以“海岛”结构存在，形成互穿或半互穿网络结构以耗散应力；也可引入带有柔性链段的活性官能团，使之与环氧树脂发生反应而提高网链分子的柔顺性。近年来，采用纳米材料来改性环氧树脂引起了越来越多研究学者的关注。利用纳米材料的表面活性基团和小尺寸效应，可与环氧树脂发生物理或化学结合，使纳米材料在碳纤维和环氧树脂的界面区形成贯穿缠结，在碳纤维和环氧基体之间起到桥接作用，从而达到提高界面粘接力和改善界面性能的目的。目前较为常用的纳米材料有纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米粘土、碳纳米管等。

石墨烯是当前最受瞩目的新型材料，它具有优异的力学性能(强度、模量)、电学性能及导热性能，因而成为近期人们研究的热点。有科研人员对石墨烯改善环氧树脂的力学性能进行了报道，研究表明少量石墨烯的加入可以有效改善环氧树脂的强度、韧性。Rafiee等的研究表明，石墨烯在改善环氧树脂的力学性能方面要优于碳纳米管，主要是由于石墨烯具有更高的比表面积及石墨烯粗糙表面与环氧基体互相啮合导致更强的界面结合。由于氧化石墨烯表面含有羟基、羧基、环氧等基团，更容易在树脂基体中均匀分散，并且这些基团可能与树脂基体反应形成化学键，因此，氧化石墨烯与这些树脂基体会有更好的界面结合。近期，也有研究人员采用无序的氧化石墨烯改进碳纤维复合材料的层间剪切性能，获得了良好的效果。由于氧化石墨烯具有优异的力学性能，并且具有很大的比表面积，所以它的引入可以有效地传递应力并阻止微裂纹的扩张；另外一方面，氧化石墨烯改性后的环氧树脂与碳纤维的界面结合的更好。从而可以提高碳纤维复合材料的层间剪切性能。

采用磁场导向磁性颗粒修饰的氧化石墨烯来增强碳纤维复合材料的层间剪切性能的研究尚未见公开报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高层间剪切性能碳纤维复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的高层间剪切性能碳纤维复合材料包括碳纤维、环氧树脂基体材料和取向地分散于该环氧树脂基体材料中的微纳米材料，所述微纳米材料为表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯，所述微纳米材料相对于基体材料的质量百分含量为0.01-10％。

本发明提供的高层间剪切性能碳纤维复合材料是用表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯为填料，以环氧树脂为聚合物基体，然后通过溶液共混法先把表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯填料和环氧树脂混合，再把混合好的树脂基体通过真空辅助树脂传递模塑法与碳纤维复合到一起，与此同时，采用永磁铁或者电磁铁施加磁场使表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯取向地分布在复合材料之中，最后固化得到复合材料制品。

本发明提供的高层间剪切性能碳纤维复合材料的制备方法，其步骤如下：

1)将表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为0.01-20g/L的溶液，然后，再用功率为300-1000W的超声设备对所述溶液进行超声处理0.5-5小时，得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入环氧树脂使其浓度为200g/L，得到混合液，并且用搅拌器搅拌混合液5-30分钟，然后再用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理0.5-5小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘10-48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌10-20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)通过真空辅助树脂传递模塑的方法把步骤4)所得的混合物，与碳纤维复合到一起，与此同时，通过永磁铁或者电磁铁施加磁场，使得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯取向地分布在复合材料之中，最后固化得到复合材料制品。

本发明的优点和特点是：

采用采用磁场导向磁性颗粒修饰的氧化石墨烯来增强碳纤维复合材料的层间剪切性能，利用取向氧化石墨烯的优异性能既增强了基体树脂，也使基体树脂与碳纤维的界面结合得更加牢固。因此，所制备的复合材料具有优异的层间剪切性能。

具体实施方式

实施例1

1)将表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为0.01g/L的溶液，然后，再用功率为300W的超声设备对所述溶液进行超声处理0.5小时，得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入环氧树脂使其浓度为200g/L，得到混合液，并且用搅拌器搅拌混合液5分钟，然后再用功率为300W的超声设备对所述混合液进行超声处理0.5小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为80摄氏度的烘箱中，烘10小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌10分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)通过真空辅助树脂传递模塑的方法把步骤4)所得的混合物，与碳纤维复合到一起，与此同时，通过永磁铁或者电磁铁施加磁场，使得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯取向地分布在复合材料之中，最后固化得到复合材料制品。

实施例2

1)将表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为20g/L的溶液，然后，再用功率为1000W的超声设备对所述溶液进行超声处理5小时，得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入环氧树脂使其浓度为200g/L，得到混合液，并且用搅拌器搅拌混合液30分钟，然后再用功率为1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理5小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为80摄氏度的烘箱中，烘10小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)通过真空辅助树脂传递模塑的方法把步骤4)所得的混合物，与碳纤维复合到一起，与此同时，通过永磁铁或者电磁铁施加磁场，使得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯取向地分布在复合材料之中，最后固化得到复合材料制品。

实施例3

1)将表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为1g/L的溶液，然后，再用功率为500W的超声设备对所述溶液进行超声处理1小时，得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入环氧树脂使其浓度为200g/L，得到混合液，并且用搅拌器搅拌混合液10分钟，然后再用功率为500W的超声设备对所述混合液进行超声处理1小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为50摄氏度的烘箱中，烘48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌10分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)通过真空辅助树脂传递模塑的方法把步骤4)所得的混合物，与碳纤维复合到一起，与此同时，通过永磁铁或者电磁铁施加磁场，使得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯取向地分布在复合材料之中，最后固化得到复合材料制品。

实施例4

1)将表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为10g/L的溶液，然后，再用功率为800W的超声设备对所述溶液进行超声处理3小时，得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入环氧树脂使其浓度为200g/L，得到混合液，并且用搅拌器搅拌混合液20分钟，然后再用功率为800W的超声设备对所述混合液进行超声处理4小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为70摄氏度的烘箱中，烘36小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)通过真空辅助树脂传递模塑的方法把步骤4)所得的混合物，与碳纤维复合到一起，与此同时，通过永磁铁或者电磁铁施加磁场，使得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯取向地分布在复合材料之中，最后固化得到复合材料制品。

实施例5

1)将表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为5g/L的溶液，然后，再用功率为500W的超声设备对所述溶液进行超声处理1小时，得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入环氧树脂使其浓度为200g/L，得到混合液，并且用搅拌器搅拌混合液15分钟，然后再用功率为500W的超声设备对所述混合液进行超声处理1小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为80摄氏度的烘箱中，烘36小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌15分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)通过真空辅助树脂传递模塑的方法把步骤4)所得的混合物，与碳纤维复合到一起，与此同时，通过永磁铁或者电磁铁施加磁场，使得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯取向地分布在复合材料之中，最后固化得到复合材料制品。

实施例6

1)将表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为2g/L的溶液，然后，再用功率为600W的超声设备对所述溶液进行超声处理2小时，得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入环氧树脂使其浓度为200g/L，得到混合液，并且用搅拌器搅拌混合液10分钟，然后再用功率为400W的超声设备对所述混合液进行超声处理2小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为80摄氏度的烘箱中，烘48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)通过真空辅助树脂传递模塑的方法把步骤4)所得的混合物，与碳纤维复合到一起，与此同时，通过永磁铁或者电磁铁施加磁场，使得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯取向地分布在复合材料之中，最后固化得到复合材料制品。

Claims (4)

1.一种高层间剪切性能碳纤维复合材料，其特征在于，该复合材料包括碳纤维、环氧树脂基体材料和取向地分散于该环氧树脂基体材料中的微纳米材料，所述微纳米材料是指表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯。

2.根据权利要求1所述的高层间剪切性能碳纤维复合材料，其特征在于，所述微纳米材料相对于基体材料的质量百分含量为0.01-10％。

3.一种高层间剪切性能碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为0.01-20g/L的溶液，然后，用功率为300-1000W的超声设备对所述溶液进行超声处理0.5-5小时，得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯乙醇溶液中加入环氧树脂使其浓度为200g/L，得到混合液，并且用搅拌器搅拌混合液5-30分钟，然后，用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理0.5-5小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘10-48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌10-20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)通过真空辅助树脂传递模塑的方法把步骤4)所得的混合物，与碳纤维复合到一起，与此同时，通过永磁铁或者电磁铁施加磁场，使得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯取向地分布在复合材料之中，最后固化得到复合材料制品。

4.根据权利要求3所述的高层间剪切性能碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，先把表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯和环氧树脂混合到一起得到基体树脂，再把基体树脂与碳纤维复合，同时采用永磁铁或者电磁铁施加磁场，使得表面修饰有磁性纳米颗粒的氧化石墨烯取向地分布在复合材料之中，最后固化得到复合材料制品。