CN112280299A - 基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法 - Google Patents

基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112280299A
CN112280299A CN202011198568.0A CN202011198568A CN112280299A CN 112280299 A CN112280299 A CN 112280299A CN 202011198568 A CN202011198568 A CN 202011198568A CN 112280299 A CN112280299 A CN 112280299A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber
composite material
basalt
polyimide
fiber bundles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011198568.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112280299B (zh
Inventor
赵佳乐
魏延鹏
庄健
陆云
田宏丽
王筱庚
郭明卓
吴思阳
李巍
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN202011198568.0A priority Critical patent/CN112280299B/zh
Publication of CN112280299A publication Critical patent/CN112280299A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112280299B publication Critical patent/CN112280299B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L79/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon only, not provided for in groups C08L61/00 - C08L77/00
    • C08L79/04—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain; Polyhydrazides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • C08L79/08—Polyimides; Polyester-imides; Polyamide-imides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20—Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22—Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2227—Oxides; Hydroxides of metals of aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法，通过其特殊的仿鱼骨结构的设计，使其具有更高的强度，相比传统的复合材料能发挥更加优异的承载效果，利用玄武岩纤维和聚酰亚胺纤维本身的优异性能可以有效的提升复合材料的性能，特别是增加了纳米二氧化硅以及纳米氧化铝颗粒并且采用仿鱼骨方式排列后，减小了树脂的使用含量，复合材料的性能以及强度得到了进一步提升，使复合材料具有强度高、耐腐蚀、耐高低温等特性。

Description

基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，特别涉及一种基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法。
技术背景
在大自然中，各种生物为了适应自身生存的环境，在经历了长期的进化之后，形成了具有各自特色的生物结构和优良的性能。近年来，科学家们从自然界中的生物复合材料得到了启发，在材料设计时引入了“仿生设计”和“纤维形态设计”的概念。目前，国内复合材料的研究方向大多向增强纤维本身特性以及偶联剂的方向发展，纤维的一些力学特征仍有较大发展空间。鱼骨结构相比普通的直纤维结构具有更好的界面结合力与承载力，将仿鱼骨结构应用到纤维束的编织中，可以有效提升仿生纤维复合材料的力学性能。
聚酰亚胺纤维与目前市场的芳纶纤维、高分子量聚乙烯纤维和等有机纤维相比，聚酰亚胺纤维能够弥补芳纶纤维吸水率高和耐热性差等缺点，弥补高分子量聚乙烯纤维的耐热性差、抗蠕变性差和树脂界面粘结性低等缺点，作为一种特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。上世纪60年代，各国都在将聚酰亚胺的研究、开发及利用列入21世纪最有希望的工程塑料之一。玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成。玄武岩连续纤维不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能。此外，玄武岩纤维的生产工艺决定了产生的废弃物少，对环境污染小，是一种名副其实的绿色、环保材料。我国已把玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维，实现了工业化生产。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法，通过其特殊的仿鱼骨结构的设计，使其具有更高的强度，相比传统的复合材料能发挥更加优异的承载效果。
基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法，包括以下几个步骤：
第一步：制备静电吸附材料
按质量百分比取纳米二氧化硅颗粒30％-40％、纳米氧化铝颗粒30％-40％和超细环氧树脂粉末25％-40％，采用搅拌的方式将三者混合均匀，纳米二氧化硅颗粒颗粒、纳米氧化铝颗粒和超细环氧树脂粉末三者采用机械搅拌的方式搅拌20min-60min，搅拌速率为50r/min-210r/min；
第二步：静电吸附
将混合均匀的粉末材料通过静电吸附设备吸附在碳纤维表面，通过静电涂覆设备均匀的涂覆在聚酰亚胺纤维以及玄武岩纤维表面，其中涂覆速度为0.05-0.15m/s，涂覆厚度为0.2-1mm；
第三步：纤维缠绕
将由100-400根碳纤维单丝组成的碳纤维束、玄武岩纤维以及聚酰亚胺纤维按照1：5-10：30-70的数量比进行缠绕，其中玄武岩纤维与聚酰亚胺纤维的缠绕角度为：30°-60°，其中，玄武岩纤维的直径范围为18μm-8μm，经过涂覆后的聚酰亚胺纤维直径范围为300nm-120nm，并且保持下一段玄武岩纤维缠绕时较前一段玄武岩纤维的轴向间距范围为200μm-120μm，在缠绕的同时对纤维束进行扭转增强，其中旋转速度为0.02rad/s-0.1rad/s，旋转角度为0°-360°；
第四步：获得仿鱼骨结构
因为玄武岩纤维以及聚酰亚胺纤维长度较短，碳纤维长度较长，使得最终碳纤维束、聚酰亚胺纤维以及玄武岩纤维以仿鱼骨结构进行排布，最终制得长度为200-1000mm的仿生纤维束；
第五步：获得复合材料
复合材料是由多层仿生纤维束堆叠压制而成，其中第一层是将获得的仿鱼骨复合纤维束按照首尾交错的布局方式均匀铺在热压机模具中，相邻的纤维束间隔为1-3mm，待完成该层纤维束布局摆放后进行下一层纤维束布局摆放，并始终保持相邻层与层纤维束进行交错摆放，交错角度为30°-150°，重复此步骤，直至得到实验所需的复合材料厚度，随后进行压制和固化，其中固化阶段以5℃/min-15℃/min的升温速率将固化温度从室温升至120°-200°，并保温60min-110min，待温度达到设定值时，施加25MPa-35MPa的压力，持续保压并随热压机冷却至室温。
本发明的有益效果：
本发明的一种基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料，利用玄武岩纤维和聚酰亚胺纤维本身的优异性能可以有效的提升复合材料的性能，特别是增加了纳米二氧化硅以及纳米氧化铝颗粒并且采用仿鱼骨方式排列后，减小了树脂的使用含量，复合材料的性能以及强度得到了进一步提升，使复合材料具有强度高、耐腐蚀、耐高低温等特性。
附图说明
图1是本发明仿鱼骨结构的结构示意图。
具体实施方式
基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法，其具体实施方式步骤如下：
一、在纤维缠绕前，按质量百分比取纳米二氧化硅颗粒30％、纳米氧化铝颗粒30％和超细环氧树脂粉末40％，采用搅拌的方式将三者混合均匀，纳米二氧化硅颗粒颗粒、纳米氧化铝颗粒和超细环氧树脂粉末三者采用机械搅拌的方式搅拌40min，搅拌速率为100r/min。然后将混合均匀的粉末通过静电涂覆设备均匀的涂覆在聚酰亚胺纤维2、碳纤维以及玄武岩纤维3表面。
二：将由200根碳纤维单丝组成的碳纤维束1、玄武岩纤维3以及聚酰亚胺纤维2按照1：7：30的数量比进行缠绕，其中玄武岩纤维3与聚酰亚胺纤维2的缠绕角度为：45°，其中，玄武岩纤维3的直径为12μm，经过涂覆后的聚酰亚胺纤维2直径范围为180nm，并且保持下一段玄武岩纤维3缠绕时较前一段玄武岩纤维3的轴向间距范围为200μm，在缠绕的同时对纤维束进行扭转增强，其中旋转速度为0.1rad/s，旋转角度为120°；
三：因为玄武岩纤维3以及聚酰亚胺纤维2长度较短，碳纤维长度较长，使得最终碳纤维束1、聚酰亚胺纤维2以及玄武岩纤维3以仿鱼骨结构进行排布，最终制得长度为700mm的仿生纤维束；
四：由于复合材料是由多层仿生纤维束堆叠压制而成，第一层将获得的仿鱼骨复合纤维束按照首尾交错的布局方式均匀铺在热压机模具中，相邻的纤维束间隔为2mm，待完成该层纤维束布局摆放后进行下一层纤维束布局摆放，并始终保持相邻层与层纤维束进行交错摆放，交错角度为90°，重复此步骤，直至得到实验所需的复合材料厚度，随后进行压制和固化，其中固化阶段以10℃/min的升温速率将固化温度从室温升至160°，并保温90min，待温度达到设定值时，施加30MPa的压力，持续保压并随热压机冷却至室温；
本实例对压制成型的复合材料样件进行了拉伸试验，结果显示：复合材料的拉伸强度为3000Mpa，且在不同角度对复合材料进行拉伸试验得到的数据波动幅度不足5％；而普通碳纤维复合材料的抗拉强度为2000-2400Mpa，但在不同角度对其进行拉伸试验时，其得到的数据波动幅度较大，其中最小的数值发生在复合材料的切向，得到的拉伸强度数值仅为500MP，所得实验结果表明本发明涉及到的一种基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料，其在多方向受力均优于普通碳纤维复合材料。

Claims (1)

1.基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法，包括以下几个步骤：
第一步：制备静电吸附材料
按质量百分比取纳米二氧化硅颗粒30％-40％、纳米氧化铝颗粒30％-40％和超细环氧树脂粉末25％-40％，采用搅拌的方式将三者混合均匀，纳米二氧化硅颗粒颗粒、纳米氧化铝颗粒和超细环氧树脂粉末三者采用机械搅拌的方式搅拌20min-60min，搅拌速率为50r/min-210r/min；
第二步：静电吸附
将混合均匀的粉末材料通过静电吸附设备吸附在碳纤维表面，通过静电涂覆设备均匀的涂覆在聚酰亚胺纤维(2)以及玄武岩纤维(3)表面，其中涂覆速度为0.05-0.15m/s，涂覆厚度为0.2-1mm；
第三步：纤维缠绕
将由100-400根碳纤维单丝组成的碳纤维束(1)、玄武岩纤维(3)以及聚酰亚胺纤维(2)按照1：5-10：30-70的数量比进行缠绕，其中玄武岩纤维(3)与聚酰亚胺纤维(2)的缠绕角度为：30°-60°，其中，玄武岩纤维(3)的直径范围为18μm-8μm，经过涂覆后的聚酰亚胺纤维(2)直径范围为300nm-120nm，并且保持下一段玄武岩纤维(3)缠绕时较前一段玄武岩纤维(3)的轴向间距范围为200μm-120μm，在缠绕的同时对纤维束进行扭转增强，其中旋转速度为0.02rad/s-0.1rad/s，旋转角度为0°-360°；
第四步：获得仿鱼骨结构
因为玄武岩纤维(3)以及聚酰亚胺纤维(2)长度较短，碳纤维长度较长，使得最终碳纤维束(1)、聚酰亚胺纤维(2)以及玄武岩纤维(3)以仿鱼骨结构进行排布，最终制得长度为200-1000mm的仿生纤维束；
第五步：获得复合材料
复合材料是由多层仿生纤维束堆叠压制而成，其中第一层是将获得的仿鱼骨复合纤维束按照首尾交错的布局方式均匀铺在热压机模具中，相邻的纤维束间隔为1-3mm，待完成该层纤维束布局摆放后进行下一层纤维束布局摆放，并始终保持相邻层与层纤维束进行交错摆放，交错角度为30°-150°，重复此步骤，直至得到实验所需的复合材料厚度，随后进行压制和固化，其中固化阶段以5℃/min-15℃/min的升温速率将固化温度从室温升至120°-200°，并保温60min-110min，待温度达到设定值时，施加25MPa-35MPa的压力，持续保压并随热压机冷却至室温。
CN202011198568.0A 2020-10-31 2020-10-31 基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法 Active CN112280299B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011198568.0A CN112280299B (zh) 2020-10-31 2020-10-31 基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011198568.0A CN112280299B (zh) 2020-10-31 2020-10-31 基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112280299A true CN112280299A (zh) 2021-01-29
CN112280299B CN112280299B (zh) 2021-08-06

Family

ID=74353259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011198568.0A Active CN112280299B (zh) 2020-10-31 2020-10-31 基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112280299B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103194173A (zh) * 2013-04-09 2013-07-10 吉林大学 仿生制动摩擦材料及其制备方法
CN109648943A (zh) * 2018-12-28 2019-04-19 吉林大学 一种仿生复合材料及其制备方法
CN110982205A (zh) * 2019-12-19 2020-04-10 湖南大学 一种假人用仿骨骼高分子复合材料的制备方法及应用
EP3650587A1 (en) * 2017-07-01 2020-05-13 China Petroleum&Chemical Corporation Spider-silk-like polymer fiber, preparation method therefor and use thereof
CN111516280A (zh) * 2020-03-31 2020-08-11 吉林大学 一种纤维增强仿生复合材料及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103194173A (zh) * 2013-04-09 2013-07-10 吉林大学 仿生制动摩擦材料及其制备方法
EP3650587A1 (en) * 2017-07-01 2020-05-13 China Petroleum&Chemical Corporation Spider-silk-like polymer fiber, preparation method therefor and use thereof
CN109648943A (zh) * 2018-12-28 2019-04-19 吉林大学 一种仿生复合材料及其制备方法
CN110982205A (zh) * 2019-12-19 2020-04-10 湖南大学 一种假人用仿骨骼高分子复合材料的制备方法及应用
CN111516280A (zh) * 2020-03-31 2020-08-11 吉林大学 一种纤维增强仿生复合材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112280299B (zh) 2021-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105131529B (zh) 纤维表面涂覆纤维素纳米晶用于多尺度增强复合材料的制备方法
CN102602083B (zh) 一种纤维增强复合材料芯及其制备方法
CN102290146B (zh) 一种复合材料电缆增强芯的制造方法
CN102345236A (zh) 一种多芯绞合型纤维加强芯材湿法生产工艺
CN103540104A (zh) 一种氧化石墨烯增强乙烯基酯复合材料及其制备方法
CN104312105A (zh) 一种碳材改性树脂/纤维复合材料及其制备方法
CN101307856A (zh) 一种钢质管道的防腐蚀加固方法
CN103883076A (zh) 基于压电陶瓷的智能混杂复合frp预应力筋及其制备方法
CN102604328A (zh) 架空导线用树脂基纤维增强复合芯棒的基体树脂组合物及其使用方法
WO2020057408A1 (zh) 一种玄武岩纤维缠绕包覆结构型钢纤维芯柱的微筋
CN104086924A (zh) 一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料及其制备方法
CN106633649A (zh) 一种适用于微波固化树脂基体及制备方法
CN112341647B (zh) 一种扭转纤维增强仿生复合材料及其制备方法
CN106976284B (zh) 一种耐磨玻璃钢板材
CN102514197A (zh) 以碳纤维为增强层的硅橡胶包布胶管及其制造工艺
CN102514169B (zh) 以碳纤维为增强层的硅橡胶挤出胶管及其制造工艺
CN112280299B (zh) 基于弥散强化仿生纤维束的多向承载复合材料的制备方法
CN102537538A (zh) 以碳纤维为增强层的氟橡胶包布胶管及其制造工艺
CN110305450A (zh) 一种架空线路纤维增强树脂基复合芯及其制备方法
CN1597774A (zh) 稀土改性碳纤维/环氧树脂复合材料制备方法
CN102555223A (zh) 以碳纤维为增强层的氟硅橡胶挤出胶管及其制造工艺
CN112151205B (zh) 一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒
CN102774021A (zh) 浅色导静电玻璃钢的生产工艺
Guo et al. Research progress of new methods for toughening epoxy resin
CN104059336A (zh) 一种玄武岩纤维复合筋及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant