CN114164647B - 一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料，属于碳纤维表面处理与复合材料制备方法技术领域。本发明是通过层层自组装的方法将改性处理的无机纳米粒子氧化石墨烯和碳纳米管与有机基质聚醚胺结合组装在碳纤维表面，在碳纤维表面设计了一种具有多组分多层次的仿生层级结构。本发明通过将层级结构碳纤维与环氧树脂结合，制备了一种具有高导热、高强度、高耗能和延迟性灾难破坏的多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料。本发明所制备的多组分仿生层级结构碳纤维具有鱼鳞层级结构。与未处理的碳纤维环氧树脂复合材料相比，本发明所制备的多组分仿生层级结构碳纤维环氧树脂复合材料具有更高的导热性能和机械强度。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维表面处理与复合材料制备方法技术领域，涉及一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料。
背景技术
众所周知，碳纤维作为一种由碳元素组成的特种纤维，具有耐高温、抗摩擦、耐腐蚀、导电和导热等优异性能，同时是一种高强度，低密度，高模量比的纤维增强材料，已经成为高端领域的重要增强材料。随着航空航天、交通运输、医疗器械等领域的迅猛发展，各行各业对高性能复合材料的要求也在不断提高，碳纤维复合材料的发展脚步需要与时俱进。对于碳纤维环氧树脂复合材料而言，良好的界面结合性是材料发挥其优异特性的必要前提，碳纤维复合材料的机械性能不仅取决于碳纤维和树脂基体的本身性能，同时也取决于碳纤维与基体之间的界面粘结性。尽管碳纤维本身具有优异的力学性能，但是由于碳纤维在生产中需要经过预氧化以及碳化的过程，经加工后的碳纤维表面化学惰性、光滑且活性基团较少，在与树脂基体复合的过程中，很难实现良好的浸润性和界面结合，以至于难以充分发挥出碳纤维的增强作用，而作为纤维与树脂基体之间的连接“纽带”，界面的粘结性以及微观结构在复合材料的整体性能中十分重要。研究表明，与传统的碳纤维表面改性方法上浆、涂层、化学接枝、氧化处理、等离子体处理、高能辐射和电化学沉积等方法相比，在碳纤维表面构造多组分仿生层级微结构，其微结构可显著增强材料的机械性能，包括强度、刚度、柔韧性、断裂韧性、耐磨性和能量吸收。受生物机体天然无机矿物和有机基质优异结合的启发，通过在碳纤维表面构造氧化石墨烯、聚醚胺和碳纳米管多组分仿生层级结构，同时运用碳纤维增强要素构成各种各样的有序结构，以实现其材料性能的增强和有序调控，制备具有高强度、高导电、高耗能与延迟性灾难破坏的多组分仿生层级碳纤维环氧树脂复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料，该方法通过层层自组装在碳纤维表面设计一种多组分仿生层级结构，将制备得到的多组分仿生层级结构的碳纤维与环氧树脂结合，制备一种具有高强度、高导电、高耗能与延迟性灾难破坏的多组分仿生层级碳纤维环氧树脂复合材料。
本发明首先提供一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：将氧化石墨烯和羧基化的碳纳米管分别进行改性，得到改性氧化石墨烯和碳纳米管；
步骤二：将步骤一得到的改性氧化石墨烯和碳纳米管分别加入到去离子水中并进行超声处理，得到分散均匀的氧化石墨烯和碳纳米管分散液；
步骤三：将碳纤维脱浆，得到去浆碳纤维；
步骤四：将步骤三得到的去浆碳纤维浸入聚乙烯亚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到胺基活化的碳纤维；
步骤五：将步骤四得到的胺基活化的碳纤维加入到步骤二得到的分散均匀的氧化石墨烯中浸泡处理后真空干燥，得到氧化石墨烯处理的碳纤维；
步骤六：将步骤五得到的氧化石墨烯处理的碳纤维加入到聚醚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到聚醚胺处理的碳纤维；
步骤七：将步骤六得到的聚醚胺处理的碳纤维加入到步骤二得到的分散均匀的碳纳米管分散液中浸泡处理后真空干燥，得到组装一次的多组分仿生层级结构的碳纤维；
步骤八：将步骤七组装一次的多组分仿生层级结构的碳纤维再次加入聚醚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到聚醚胺处理的碳纤维；
步骤九：循环步骤五至步骤七多次，得到多组分仿生层级结构的碳纤维。
优选的是，所述步骤一的改性为通过硅烷偶联剂对氧化石墨烯和羧基化的碳纳米管进行改性。
优选的是，所述的硅烷偶联剂为γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)。
优选的是，所述的步骤一中硅烷偶联剂与氧化石墨烯的摩尔比为1:10，硅烷偶联剂与羧基化的碳纳米管的摩尔比为1:10。
优选的是，所述的步骤二中氧化石墨烯和碳纳米管分散液的浓度分别为0.5-1.5g/L，超声处理时间为1-4h。
优选的是，所述的步骤四中聚乙烯亚胺水溶液的浓度为1-3g/L，处理温度为40-60℃，处理时间为3-5h。
优选的是，所述的步骤六中聚醚胺水溶液的浓度为0.5-1.5g/L，处理温度为40-60℃，处理时间为10-20min。
优选的是，所述的步骤八中聚醚胺水溶液的浓度为0.5-1.5g/L，处理温度为40-60℃，处理时间为10-20min。
本发明还提供上述制备方法得到的多组分仿生层级结构的碳纤维，所述的仿生层级结构为仿生鱼鳞层级结构。
本发明还提供一种多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料，包括上述多组分仿生层级结构碳纤维。
本发明的有益效果
本发明提供了一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料，本发明是通过层层自组装的方法将改性处理的无机纳米粒子氧化石墨烯和碳纳米管与有机基质聚醚胺结合组装在碳纤维表面，在碳纤维表面设计了一种具有多组分多层次的仿生层级结构。本方法制备得到的多组分仿生层级结构碳纤维通过利用改性氧化石墨烯和碳纳米管无机纳米粒子以及有机基质聚醚胺有序组装，实现了无机纳米粒子与有机基质结合，可促进材料强度和韧性的协同提高。所有的制备过程以水为溶剂，清洁且无毒无害，环境友好，通过层层组装的方法，操作简便，可对组成和结构进行纳米级控制。
本发明通过将层级结构碳纤维与环氧树脂结合，制备了一种具有高导热、高强度、高耗能和延迟性灾难破坏的多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料。本发明所制备的多组分仿生层级结构碳纤维具有鱼鳞层级结构。该复合材料中的氧化石墨烯/碳纳米管具有优异的导热性能，通过处理氧化石墨烯和碳纳米管处理的层级碳纤维形成连续的导热路径，致使复合材料具有优异的导热性能。通过层层自组装后的碳纤维能够与环氧树脂有效结合，使得复合材料具有良好的界面结合性能，从而有效提高了复合材料的机械性能。与未处理的碳纤维环氧树脂复合材料相比，本发明所制备的多组分仿生层级结构碳纤维环氧树脂复合材料具有更高的导热性能和机械强度。
附图说明
图1为本发明一种多组分仿生层级结构的碳纤维的制备过程示意图。
图2为本发明一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料热导率图。
图3为本发明一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料弯曲强度和层间剪切强度图。
具体实施方式
本发明首先提供一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤一：将氧化石墨烯和羧基化的碳纳米管分别进行改性，得到改性氧化石墨烯和碳纳米管，所述的改性优选为通过硅烷偶联剂对氧化石墨烯和羧基化的碳纳米管分别进行改性，所述的过程优选为：首先将硅烷偶联剂加入水/乙醇混合物中加热，水/乙醇混合物容量优选为400-600mL，反应温度优选为40-60℃，搅拌时间优选为1-3h，再加入氧化石墨烯或羧基化的碳纳米管，加热持续机械搅拌，加热温度优选为40-60℃，搅拌时间优选为3-5h，随后将反应物过滤并使用水/乙醇混合液洗涤多次，除去未反应的硅烷偶联剂，最后真空干燥后收集备用，所述干燥温度优选为60-80℃，干燥时间优选为10-13h。所述的硅烷偶联剂和氧化石墨烯的摩尔比优选为1:10，硅烷偶联剂和羧基化的碳纳米管的摩尔比优选为1:10，硅烷偶联剂优选为γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)；所述的氧化石墨烯和羧基化的碳纳米管的来源为商购，优选为南京先丰纳米材料有限公司生产。
步骤二：将步骤一得到的改性氧化石墨烯和碳纳米管分别加入到去离子水中并进行超声处理，得到分散均匀的氧化石墨烯和碳纳米管分散液。所述的氧化石墨烯和碳纳米管分散液的浓度优选为0.5-1.5g/L,超声处理时间优选为1-4h；
步骤三：将碳纤维脱浆，得到去浆碳纤维，所述过程优选为：将碳纤维放入丙酮中加热处理，除去碳纤维表面的上浆剂，所述的加热处理温度优选为70-90℃，时间优选为24-48h；
步骤四：将步骤三得到的去浆碳纤维浸入聚乙烯亚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到胺基活化的碳纤维。所述的聚乙烯亚胺水溶液浓度优选为1-3g/L，处理温度优选为40-60℃，处理时间优选为3-5h，干燥温度优选为60-80℃，干燥时间0.5-1h；
步骤五：将步骤四得到的胺基活化的碳纤维加入到步骤二得到的分散均匀的氧化石墨烯中浸泡处理后真空干燥，使氧化石墨烯组装在碳纤维表面，得到氧化石墨烯处理的碳纤维。所述的浸泡处理时间优化为10-20min，干燥温度优选为60-80℃，干燥时间为0.5-1h；
步骤六：将步骤五得到的氧化石墨烯处理的碳纤维加入到聚醚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，使聚醚胺组装到碳纤维表面，得到聚醚胺处理的碳纤维。所述的聚醚胺水溶液的浓度优选0.5-1.5g/L，处理温度优选为40-60℃，处理时间优选为10-20min，干燥温度优选为60-80℃，干燥时间为0.5-1h；
步骤七：将步骤六得到的聚醚胺处理碳纤维加入到步骤二得到的分散均匀的碳纳米管分散液中浸泡处理后真空干燥，使碳纳米管组装到碳纤维表面，得到组装一次的多组分仿生层级结构的碳纤维。所述的处理时间优选为10-20min，干燥温度优选为60-80℃，干燥时间为0.5-1h；
步骤八：将步骤七组装一次的多组分碳纤维加入聚醚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到聚醚胺处理的碳纤维，以进行步骤五至步骤七循环组装，所述的聚醚胺水溶液的浓度优选为0.5-1.5g/L，处理温度优选为40-60℃，处理时间优选为10-20min，干燥温度优选为60-80℃，干燥时间为0.5-1h；
步骤九：通过不断循环步骤五至步骤七，得到多组分仿生仿生层级结构的碳纤维，所述的循环组装次数优选为1-6次，更优选为1-2次。
本发明还提供上述制备方法得到的多组分仿生层级结构的碳纤维，所述的仿生层级结构为仿生鱼鳞层级结构。
本发明还提供一种多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料，包括上述多组分仿生层级结构碳纤维。
本发明还提供上述一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂碳纤维复合材料的制备方法，包括将上述制备得到的多组分仿生层级结构碳纤维与环氧树脂结合，通过固化剂进行固化，得到多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料。所述过程优选为：将上述制备得到的多组分仿生层级结构碳纤维优选为碳纤维布，尺寸裁剪优选为80×80mm，然后放入模具后加入环氧树脂和固化剂，得到一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料。所采用的环氧树脂导入方法优选为真空辅助树脂灌注成型技术和机械热压成型技术，所述固化剂优选为二乙烯三胺或三乙烯四胺，固化温度优选为100-120℃，固化时间优选为1-3h，所述的环氧树脂和固化剂的质量比优选为100:10.8-12.8。
下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述，实施例仅用于阐述本发明而不用于限定本发明的范围，本领域的技术人员根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进，仍属于本发明保护范围。
对比例1
(1)将去浆未处理的碳纤维布裁制成尺寸为80×80mm的小块备用。
(2)取九层碳纤维布铺好放入模具中，将环氧树脂和固化剂二乙烯三胺(质量比为100:10.8)排除气泡后在真空注入模具中，100℃固化2h，120℃固化2h，得到碳纤维复合材料。
将对比例1得到的复合材料进行测试，测得复合材料热导率、弯曲强度分别为1.359W/mK，562.2MPa和44.54MPa，如图2和3所示。
实施例1
(1)硅烷偶联剂改性氧化石墨烯：首先将1g KH560加入到500mL水/乙醇(水与乙醇的容量比为1:3)混合物中，在50℃下搅拌2h，随后加入10g氧化石墨烯，50℃下持续搅拌4h，随后将反应物过滤并使用水/乙醇混合液洗涤多次，除去未反应的KH560，最后在60℃下真空干燥12h后收集备用。
(2)硅烷偶联剂改性羧基化的碳纳米管：首先将1g KH560加入到500mL水/乙醇(水与乙醇的容量比为1:3)混合物中，在50℃下搅拌2h，随后加入10g羧基化的碳纳米管，50℃下持续搅拌4h，随后将反应物过滤并使用水/乙醇混合液洗涤多次，除去未反应的KH560，最后在60℃下真空干燥12h后收集备用。
(3)氧化石墨和碳纳米管均匀分散液的制备：取1g改性氧化石墨烯和碳纳米管分别加入到2L去离子水中并超声处理4h，得到浓度为0.5g/L分散均匀的氧化石墨烯和碳纳米管分散液备用。
(4)将碳纤维布裁制成大小为80×80mm，放入丙酮中80℃下浸泡48h后用水反复清洗，除去多余的丙酮60℃真空干燥备用。
(5)将去浆碳纤维放入浓度为2g/L聚乙烯亚胺水溶液中50℃下浸泡处理4h后用去离子清洗，除去多余的聚乙烯亚胺后在80℃下干燥1h，然后放入浓度为0.5g/L分散均匀的改性氧化石墨烯分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的氧化石墨烯，80℃下干燥30min，然后加入浓度为1g/L的聚醚胺水溶液中在50℃下浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的聚醚胺，80℃下干燥30min，然后放入浓度为0.5g/L的改性碳纳米管分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的碳纳米管，80℃下干燥30min，得到氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管组装一次的多组分仿生层级碳纤维。
(6)取9层氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管处理一次的多组分仿生层级碳纤维布铺好放入模具中，将环氧树脂和固化剂二乙烯三胺(质量比为100:10.8)排除气泡后在真空注入模具中，100℃固化2h，120℃固化2h，得到复合材料。
将实施例1得到复合材料进行测试，测得的复合材料导热率、弯曲强度和层间剪切强度分别为2.064Wm/K，672MPa，54.44MPa，如图2和3所示。
实施例2
(1)硅烷偶联剂改性氧化石墨烯：首先将1g KH560加入到500mL水/乙醇(水与乙醇的容量比为1:3)混合物中，在50℃下搅拌2h，随后加入10g氧化石墨烯，50℃下持续搅拌4h，随后将反应物过滤并使用水/乙醇混合液洗涤多次，除去未反应的KH560，最后在60℃下真空干燥12h后收集备用。
(2)硅烷偶联剂改性羧基化的碳纳米管：首先将1g KH560加入到500mL水/乙醇(水与乙醇的容量比为1:3)混合物中，在50℃下搅拌2h，随后加入10g羧基化的碳纳米管，50℃下持续搅拌4h，随后将反应物过滤并使用水/乙醇混合液洗涤多次，除去未反应的KH560，最后在60℃下真空干燥12h后收集备用。
(3)氧化石墨和碳纳米管均匀分散液的制备：取1g改性氧化石墨烯和碳纳米管分别加入到2L去离子水中并超声处理4h，得到浓度为0.5g/L分散均匀的氧化石墨烯和碳纳米管分散液备用。
(4)将碳纤维布裁制成大小为80×80mm，放入丙酮中80℃下浸泡48h后用水反复清洗，除去多余的丙酮60℃真空干燥备用。
(5)将去浆碳纤维放入浓度为2g/L聚乙烯亚胺水溶液中50℃下浸泡处理4h后用去离子水清洗，除去多余的聚乙烯亚胺后在80℃下干燥1h，然后放入浓度为0.5g/L分散均匀的改性氧化石墨烯分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的氧化石墨烯，80℃下干燥30min，然后加入浓度为1g/L的聚醚胺水溶液中50℃下浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的聚醚胺，80℃下干燥30min，然后放入浓度为0.5g/L的改性碳纳米管分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的碳纳米管，80℃下干燥30min，得到氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管组装一次的多组分仿生层级碳纤维。接着加入浓度为1g/L的聚醚胺水溶液中50℃下浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的聚醚胺，80℃下干燥30min，然后放入浓度为0.5g/L分散均匀的改性氧化石墨烯分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的氧化石墨烯，80℃下干燥30min，然后加入浓度为1g/L的聚醚胺水溶液中50℃下浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的聚醚胺，80℃下干燥30min，然后放入浓度为0.5g/L的改性碳纳米管分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的碳纳米管，80℃下干燥30min，得到氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管组装两次的多组分仿生层级碳纤维。
(6)取9层氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管处理两次的多组分仿生层级碳纤维布铺好放入模具中，将环氧树脂和固化剂二乙烯三胺(质量比为100:10.8)排除气泡后在真空注入模具中，100℃固化2h，120℃固化2h，得到复合材料。
将实施例2得到复合材料进行测试，测得的复合材料导热率、弯曲强度和层间剪切强度分别为2.802Wm/K，749.6MPa，67.78MPa，如图2和3所示。
实施例3
(1)硅烷偶联剂改性氧化石墨烯：首先将1g KH560加入到500mL水/乙醇(水与乙醇的容量比为1:3)混合物中，在50℃下搅拌2h，随后加入10g氧化石墨烯，50℃下持续搅拌4h，随后将反应物过滤并使用水/乙醇混合液洗涤多次，除去未反应的KH560，最后在60℃下真空干燥12h后收集备用。
(2)硅烷偶联剂改性羧基化的碳纳米管：首先将1g KH560加入到500mL水/乙醇(水与乙醇的容量比为1:3)混合物中，在50℃下搅拌2h，随后加入10g羧基化的碳纳米管，50℃下持续搅拌4h，随后将反应物过滤并使用水/乙醇混合液洗涤多次，除去未反应的KH560，最后在60℃下真空干燥12h后收集备用。
(3)氧化石墨和碳纳米管均匀分散液的制备：取1g改性氧化石墨烯和碳纳米管分别加入到2L去离子水中并超声处理4h，得到浓度为0.5g/L分散均匀的氧化石墨烯和碳纳米管分散液备用。
(4)将碳纤维布裁制成大小为80×80mm，放入丙酮中80℃下浸泡48h后用水反复清洗，除去多余的丙酮60℃真空干燥备用。
(5)将去浆碳纤维放入浓度为2g/L聚乙烯亚胺水溶液中50℃下浸泡处理4h后用去离子水清洗，除去多余的聚乙烯亚胺后在80℃下干燥1h，然后放入浓度为0.5g/L分散均匀的改性氧化石墨烯分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的氧化石墨烯，80℃下干燥30min，然后加入浓度为1g/L的聚醚胺水溶液中50℃下浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的聚醚胺，80℃下干燥30min，然后放入浓度为0.5g/L的改性碳纳米管分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的碳纳米管，80℃下干燥30min，得到氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管组装一次的多组分仿生层级碳纤维。接着加入浓度为1g/L的聚醚胺水溶液中50℃下浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的聚醚胺，80℃下干燥30min，然后放入浓度为0.5g/L分散均匀的改性氧化石墨烯分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的氧化石墨烯，80℃下干燥30min，然后加入浓度为1g/L的聚醚胺水溶液中50℃下浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的聚醚胺，80℃下干燥30min，然后放入浓度为0.5g/L的改性碳纳米管分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的碳纳米管，80℃下干燥30min，得到氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管组装两次的多组分仿生层级碳纤维，接着加入浓度为1g/L的聚醚胺水溶液中50℃下浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的聚醚胺，80℃下干燥30min，然后放入浓度为0.5g/L分散均匀的改性氧化石墨烯分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的氧化石墨烯，80℃下干燥30min，然后加入浓度为1g/L的聚醚胺水溶液中50℃下浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的聚醚胺，80℃下干燥30min，然后放入浓度为0.5g/L的改性碳纳米管分散液中浸泡处理15min后用去离子水洗去多余的碳纳米管，80℃下干燥30min，得到氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管组装三次的多组分仿生层级碳纤维，
(6)取9层氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管处理三次的多组分仿生层级碳纤维布铺好放入模具中，将环氧树脂和固化剂二乙烯三胺(质量比为100:10.8)排除气泡后在真空注入模具中，100℃固化2h，120℃固化2h，得到复合材料。
将实施例3得到复合材料进行测试，测得的复合材料导热率、弯曲强度和层间剪切强度分别为2.291Wm/K，653MPa，549.2MPa，如图2和3所示。
从对比例1和实施例1-3的导热率和机械性能数据可以看出，本发明的多组分仿生层级结构的碳纤维可以显著提高复合材料的热导率和机械性能，通过处理氧化石墨烯和碳纳米管处理的层级碳纤维形成连续的导热路径，致使复合材料具有优异的导热性能。我们发现当组装次数在2次后达到最好效果，超过两次性能变差，这是由于随着组装次数的增加，氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管含量不断增加，在碳纤维表面开始出现团聚现象，致使与环氧树脂结合变差，从而导致复合材料的热导率和机械性能先升高后降低，而且所有的制备过程以水为溶剂，清洁且无毒无害，环境友好，通过层层组装的方法，操作简便，可对组成和结构进行纳米级控制。促进碳纤维能够与环氧树脂有效结合，使得复合材料具有良好的界面结合性能，从而有效提高了复合材料的机械性能。
本发明的应用和设计构思并不局限于上述举例，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：将氧化石墨烯和羧基化的碳纳米管分别进行改性，得到改性氧化石墨烯和碳纳米管；
步骤二：将步骤一得到的改性氧化石墨烯和碳纳米管分别加入到去离子水中并进行超声处理，得到分散均匀的氧化石墨烯和碳纳米管分散液；
步骤三：将碳纤维脱浆，得到去浆碳纤维；
步骤四：将步骤三得到的去浆碳纤维浸入聚乙烯亚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到胺基活化的碳纤维；
步骤五：将步骤四得到的胺基活化的碳纤维加入到步骤二得到的分散均匀的氧化石墨烯中浸泡处理后真空干燥，得到氧化石墨烯处理的碳纤维；
步骤六：将步骤五得到的氧化石墨烯处理的碳纤维加入到聚醚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到聚醚胺处理的碳纤维；
步骤七：将步骤六得到的聚醚胺处理的碳纤维加入到步骤二得到的分散均匀的碳纳米管分散液中浸泡处理后真空干燥，得到组装一次的多组分仿生层级结构的碳纤维；
步骤八：将步骤七组装一次的多组分仿生层级结构的碳纤维再次加入聚醚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到聚醚胺处理的碳纤维；
步骤九：循环步骤五至步骤七多次，得到多组分仿生层级结构的碳纤维；
所述步骤一的改性为通过硅烷偶联剂对氧化石墨烯和羧基化的碳纳米管进行改性。
2.根据权利要求1所述的一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
3.根据权利要求1所述的一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中硅烷偶联剂与氧化石墨烯的摩尔比为1:10，硅烷偶联剂与羧基化的碳纳米管的摩尔比为1:10。
4.根据权利要求1所述的一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中氧化石墨烯和碳纳米管分散液的浓度分别为0.5-1.5g/L，超声处理时间为1-4h。
5.根据权利要求1所述的一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤四中聚乙烯亚胺水溶液的浓度为1-3g/L，处理温度为40-60℃，处理时间为3-5h。
6.根据权利要求1所述的一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤六中聚醚胺水溶液的浓度为0.5-1.5g/L，处理温度为40-60℃，处理时间为10-20min。
7.根据权利要求1所述的一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤八中聚醚胺水溶液的浓度为0.5-1.5g/L，处理温度为40-60℃，处理时间为10-20min。
8.权利要求1-7任何一项所述的制备方法得到的多组分仿生层级结构的碳纤维，其特征在于，所述的仿生层级结构为仿生鱼鳞层级结构。
9.一种多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料，其特征在于，包括权利要求8所述的多组分仿生层级结构碳纤维。
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