CN114932724B - 一种高强度的电磁屏蔽纤维复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种高强度的电磁屏蔽纤维复合材料及其制备方法与应用。其制备方法为，通过电流体动力雾化沉积的方法分别将四氧化三铁纳米粒子和氧化石墨烯纳米粒子沉积在碳纤维布表面获得改性碳纤维布，将改性碳纤维布与树脂复合获得复合改性碳纤维布，将至少两块复合改性碳纤维布堆叠放置并压制成型，即得。本发明提供的高强度的电磁屏蔽纤维复合材料具有力学强度高、电磁屏蔽性能好等优点。

Description

一种高强度的电磁屏蔽纤维复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种高强度的电磁屏蔽纤维复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
据发明人研究了解，目前，常见的电磁屏蔽材料很多都是通过熔融共混制备而成，例如，短切的碳纤维与树脂在双螺杆挤出机里共混成型，得到样品。这种制备方法得到的复合材料通常性能较差。一方面，由于短切的碳纤维在共混的过程中，难以形成稳定的、连续的导电网络，从而导致共混得到的复合材料的电磁屏蔽性能受到影响。另一方面，短切的碳纤维与树脂的结合强度较差，所以其能够承受的外力作用不大，导致其强度降低。因此，传统方法很难制备具有高强度的电磁屏蔽材料。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高强度的电磁屏蔽纤维复合材料及其制备方法与应用，本发明提供的电磁屏蔽纤维复合材料具有力学强度高、电磁屏蔽性能好等优点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种高强度的电磁屏蔽纤维复合材料的制备方法，通过电流体动力雾化沉积的方法分别将四氧化三铁纳米粒子和氧化石墨烯纳米粒子沉积在碳纤维布表面获得改性碳纤维布，将改性碳纤维布与树脂复合获得复合改性碳纤维布，将至少两块复合改性碳纤维布堆叠放置并压制成型，即得。
另一方面，一种高强度的电磁屏蔽纤维复合材料，由上述制备方法获得。
第三方面，一种上述高强度的电磁屏蔽纤维复合材料在航空航天领域中的应用。
本发明的有益效果为：
(1)本发明利用四氧化三铁纳米粒子和氧化石墨烯纳米粒子通过电流体动力雾化沉积可以对碳纤维布表面进行改性，提升碳纤维布与树脂的结合强度，制备得到复合材料的拉伸强度最大可达565.1MPa。
(2)本发明所制备出的复合材料具有优良的电磁屏蔽性能，其中二层复合材料在8.2-12.4GHz可达到32.9dB，能够完美的满足商用电磁屏蔽20dB的标准。
(3)本发明利用的材料是四氧化三铁纳米粒子、氧化石墨烯纳米粒子、碳纤维布和环氧树脂，所采用的原材料质量都很轻，故制备出来的复合材料能够具有轻量化的特点。
(4)本申请采用的方法较为简便，而且对人员的操作水平要求低，易于实现大规模生产。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的电流体动力雾化沉积的示意图。
图2为本发明实施例1的碳纤维表面的傅里叶红外变换光谱图。
图3为本发明实施例1的四氧化三铁/氧化石墨烯/碳纤维布/环氧树脂复合材料的X射线光电子能谱图。
图4为本发明实施例1～3的四氧化三铁/氧化石墨烯/碳纤维布/环氧树脂复合材料的拉伸强度。
图5为本发明实施例1～3的四氧化三铁/氧化石墨烯/碳纤维布/环氧树脂复合材料的电磁屏蔽性能曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在难以制备高强度电磁屏蔽材料的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种电磁屏蔽纤维复合材料及其制备方法与应用。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种高强度的电磁屏蔽纤维复合材料的制备方法，通过电流体动力雾化沉积的方法分别将四氧化三铁纳米粒子和氧化石墨烯纳米粒子沉积在碳纤维布表面获得改性碳纤维布，将改性碳纤维布与树脂复合获得复合改性碳纤维布，将至少两块复合改性碳纤维布堆叠放置并压制成型，即得。
本发明通过电流体动力雾化沉积将四氧化三铁纳米粒子和氧化石墨烯纳米粒子对碳纤维布进行改性，能够提升碳纤维布与树脂的结合强度，从而提高材料的力学性能；同时，将至少两块复合改性碳纤维布堆叠放置并压制成型，不仅能进一步提高材料的离心性能，而且能够使材料具有优良的电磁屏蔽性能。
在一些实施例中，将四氧化三铁纳米粒子沉积在碳纤维布的上表面，将氧化石墨烯纳米粒子沉积在碳纤维布的下表面。本发明所述的上、下仅为相对位置的表述。该方式能够进一步提高复合材料的力学性能，并提高电磁屏蔽性能。
在一些实施例中，先在碳纤维布的上表面沉积四氧化三铁纳米粒子，干燥后，然后在碳纤维布的下表面沉积氧化石墨烯纳米粒子。该方式能够更进一步提高复合材料的力学性能，并进一步提高电磁屏蔽性能。
在一些实施例中，沉积四氧化三铁纳米粒子过程中，喷嘴与碳纤维布之间的距离为14～16cm，喷嘴移动速度为4～6cm/s，温度为25～35℃。
在一些实施例中，沉积氧化石墨烯纳米粒子过程中，喷嘴与碳纤维布之间的距离为12～14cm，喷嘴移动速度为4～6cm/s，温度为25～35℃。
在一些实施例中，所述树脂为环氧树脂。该树脂能够更好的与改性碳纤维布复合，从而增加复合材料的力学性能。
在一些实施例中，将树脂与固化剂混合后，再与改性碳纤维布进行复合。固化剂的添加有利于压制成型。树脂与固化剂的质量比为3.5～4.5：1。该条件下的固化效果更好。
在一些实施例中，压制成型的温度为50～70℃，压制成型的压强(压力)为7～9MPa。
本发明优选的步骤如下：
第一步，将碳纤维布进行超声波清洗，以去除碳纤维表面可能存在的杂质等。
第二步，将碳纤维放置在基底上，然后在通电的状态下，四氧化三铁纳米粒子的分散液通过喷嘴喷出液滴沉积在基底上的碳纤维布的上表面，喷嘴与样品之间的距离为15cm，喷嘴的移动速度为5cm/s，温度为30℃；
第三步，将四氧化三铁纳米粒子分散液喷涂处理后的碳纤维布放在真空干燥箱中第一次干燥8小时。温度为60℃；
第四步，将干燥后的碳纤维布放置在基底上，然后在通电的状态下，氧化石墨烯纳米粒子的分散液通过喷嘴喷出液滴沉积在基底上的碳纤维布的下表面，喷嘴与样品之间的距离为13cm，喷嘴的移动速度为5cm/s，温度为30℃；
第五步，将氧化石墨烯纳米粒子分散液喷涂处理后的碳纤维布放在真空干燥箱中第二次干燥8小时，温度为60℃；
第六步，将环氧树脂与固化剂以4:1的比例进行混合，然后将环氧树脂均匀的涂覆在第二次干燥后碳纤维布的两个表面；
第七步，将至少两块环氧树脂涂覆过后的碳纤维布进行层层堆叠放置，然后将它们整体放在平板硫化机上进行压制成型。温度设置为60℃，压力为8MPa，持续时间为8小时。
本发明的另一种实施方式，提供了一种高强度的电磁屏蔽纤维复合材料，由上述制备方法获得。
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述高强度的电磁屏蔽纤维复合材料在航空航天领域的应用，如隐形战斗机机身等。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
第一步，将碳纤维布进行超声波清洗，以去除碳纤维表面可能存在的杂质等。
第二步，将碳纤维放置在基底上，然后在通电的状态下，四氧化三铁纳米粒子的分散液通过喷嘴喷出液滴沉积在基底上的碳纤维布的上表面，喷嘴与样品之间的距离为15cm，喷嘴的移动速度为5cm/s，温度为30℃，处理后四氧化三铁的质量百分比为2wt％。
第三步，将质量分数为2％的四氧化三铁纳米粒子分散液喷涂处理后的碳纤维布放在真空干燥箱中第一次干燥8小时。温度为60℃，处理后氧化石墨烯的质量百分比为1wt％。
第四步，将干燥后的碳纤维布放置在基底上，然后在通电的状态下，氧化石墨烯纳米粒子的分散液通过喷嘴喷出液滴沉积在基底上的碳纤维布的下表面，喷嘴与样品之间的距离为13cm，喷嘴的移动速度为5cm/s，温度为30℃。
第五步，将氧化石墨烯纳米粒子分散液喷涂处理后的碳纤维布放在真空干燥箱中第二次干燥8小时。温度为60℃，如图2所示。
第六步，将环氧树脂与脂肪族胺类固化剂(脂肪族胺类固化剂)以4:1的比例进行混合，然后将环氧树脂均匀的涂覆在第二次干燥后碳纤维布的两个表面。
第七步，将两块环氧树脂涂覆过后的碳纤维布进行层层堆叠放置，然后将它们整体放在平板硫化机上进行压制成型。温度设置为60℃，压力为8MPa，持续时间为8小时，如图3所示。
实施例2
第一步，将碳纤维布进行超声波清洗，以去除碳纤维表面可能存在的杂质等。
第二步，将碳纤维放置在基底上，然后在通电的状态下，四氧化三铁纳米粒子的分散液通过喷嘴喷出液滴沉积在基底上的碳纤维布的上表面，喷嘴与样品之间的距离为15cm，喷嘴的移动速度为5cm/s，温度为30℃，处理后四氧化三铁的质量百分比为4wt％。
第三步，将质量分数为4％的四氧化三铁纳米粒子分散液喷涂处理后的碳纤维布放在真空干燥箱中第一次干燥8小时。温度为60℃，处理后氧化石墨烯的质量百分比为1wt％。
第四步，将干燥后的碳纤维布放置在基底上，然后在通电的状态下，氧化石墨烯纳米粒子的分散液通过喷嘴喷出液滴沉积在基底上的碳纤维布的下表面，喷嘴与样品之间的距离为13cm，喷嘴的移动速度为5cm/s，温度为30℃。
第五步，将氧化石墨烯纳米粒子分散液喷涂处理后的碳纤维布放在真空干燥箱中第二次干燥8小时，温度为60℃。
第六步，将环氧树脂与固化剂以4:1的比例进行混合，然后将环氧树脂均匀的涂覆在第二次干燥后碳纤维布的两个表面。
第七步，将两块环氧树脂涂覆过后的碳纤维布进行层层堆叠放置，然后将它们整体放在平板硫化机上进行压制成型。温度设置为60℃，压力为8MPa，持续时间为8小时。
实施例3
第一步，将碳纤维布进行超声波清洗，以去除碳纤维表面可能存在的杂质等。
第二步，将碳纤维放置在基底上，然后在通电的状态下，四氧化三铁纳米粒子的分散液通过喷嘴喷出液滴沉积在基底上的碳纤维布的上表面，喷嘴与样品之间的距离为15cm，喷嘴的移动速度为5cm/s，温度为30℃，处理后四氧化三铁的质量百分比为8wt％。
第三步，将四氧化三铁纳米粒子分散液喷涂处理后的碳纤维布放在真空干燥箱中第一次干燥8小时。温度为60℃，处理后氧化石墨烯的质量百分比为1wt％。
第四步，将干燥后的碳纤维布放置在基底上，然后在通电的状态下，氧化石墨烯纳米粒子的分散液通过喷嘴喷出液滴沉积在基底上的碳纤维布的下表面，喷嘴与样品之间的距离为13cm，喷嘴的移动速度为5cm/s，温度为30℃。
第五步，将氧化石墨烯纳米粒子分散液喷涂处理后的碳纤维布放在真空干燥箱中第二次干燥8小时，温度为60℃。
第六步，将环氧树脂与固化剂以4:1的比例进行混合，然后将环氧树脂均匀的涂覆在第二次干燥后碳纤维布的两个表面。
第七步，将两块环氧树脂涂覆过后的碳纤维布进行层层堆叠放置，然后将它们整体放在平板硫化机上进行压制成型。温度设置为60℃，压力为8MPa，持续时间为8小时。
对实施例1～3制备的复合材料进行拉伸强度及电磁屏蔽性能测试，如图4～5所示，测试结果表明：四氧化三铁质量分数为2wt％的二层四氧化三铁/氧化石墨烯/碳纤维布/环氧树脂复合材料拉伸强度为475.4MPa，在8.2-12.4GHz电磁屏蔽性能可达23dB。四氧化三铁质量分数为4wt％的二层四氧化三铁/氧化石墨烯/碳纤维布/环氧树脂复合材料拉伸强度为565.1MPa，在8.2-12.4GHz电磁屏蔽性能可达26.5dB。四氧化三铁质量分数为8wt％的二层四氧化三铁/氧化石墨烯/碳纤维布/环氧树脂复合材料拉伸强度为497.5MPa，在8.2-12.4GHz电磁屏蔽性能可达32.9dB。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强度的电磁屏蔽纤维复合材料的制备方法，其特征是，通过电流体动力雾化沉积的方法将四氧化三铁纳米粒子沉积在碳纤维布的上表面，通过电流体动力雾化沉积的方法将氧化石墨烯纳米粒子沉积在碳纤维布的下表面，获得改性碳纤维布；将环氧树脂与固化剂混合后，再与改性碳纤维布进行复合；将至少两块复合改性碳纤维布堆叠放置，然后将它们整体放在平板硫化机上进行压制成型，即得。
2.如权利要求1所述的高强度的电磁屏蔽纤维复合材料的制备方法，其特征是，先在碳纤维布的上表面沉积四氧化三铁纳米粒子，干燥后，然后在碳纤维布的下表面沉积氧化石墨烯纳米粒子。
3.如权利要求1所述的高强度的电磁屏蔽纤维复合材料的制备方法，其特征是，沉积四氧化三铁纳米粒子过程中，喷嘴与碳纤维布之间的距离为14~16 cm，喷嘴移动速度为4~6cm/s，温度为25~35 ℃。
4.如权利要求1所述的高强度的电磁屏蔽纤维复合材料的制备方法，其特征是，沉积氧化石墨烯纳米粒子过程中，喷嘴与碳纤维布之间的距离为12~14 cm，喷嘴移动速度为4~6cm/s，温度为25~35 ℃。
5.如权利要求1所述的高强度的电磁屏蔽纤维复合材料的制备方法，其特征是，树脂与固化剂的质量比为3.5~4.5：1。
6.如权利要求1所述的高强度的电磁屏蔽纤维复合材料的制备方法，其特征是，压制成型的温度为50~70 ℃，压制成型的压强为7~9 MPa。
7.一种高强度的电磁屏蔽纤维复合材料，其特征是，由权利要求1~6任一所述的制备方法获得。
8.一种权利要求7所述的高强度的电磁屏蔽纤维复合材料在航空航天领域中的应用。
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