CN116987982A - 层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料及制备方法 - Google Patents

层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料及制备方法 Download PDF

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CN116987982A CN202310608713.5A CN202310608713A CN116987982A CN 116987982 A CN116987982 A CN 116987982A CN 202310608713 A CN202310608713 A CN 202310608713A CN 116987982 A CN116987982 A CN 116987982A
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Abstract

本发明一种层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料及制备方法，属于复合材料技术领域；复合材料包括嵌入碳纤维层与金属基体层间的厚度可调的三维网络结构碳纳米管过渡层；按体积百分数计，包括0.5％～5％碳纳米管，20％～70％碳纤维和30％～80％金属基体。制备方法根据碳纳米管的物化特性和锚定效应，提出在纤维层与基体层间嵌入厚度可调的三维网络结构碳纳米管过渡层，并利用真空吸渗液固挤压法制备碳纤维增强铝基多层级复合材料。本发明解决了碳纤维增强铝基复合材料因热膨胀失配引起的尺寸稳定性差、纤维/基体界面易开裂等问题，提出一种结合三维网络碳纳米管层修饰的多尺度碳纤维增强体制备技术，制备抑层间增韧阻裂型碳纤维增强铝基多层级复合材料。

Description

层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料及制备方法。
背景技术
碳纤维增强铝基复合材料因高(比)强度、高模量、高导热、低热膨胀系数等突出优势，成为空间飞行器的首选材料。太空环境中，复合材料结构件通常在高低温交变环境下服役，循环温差约为300℃，再结合碳纤维与铝基体间热膨胀系数差异等因素，热循环产生的温度变化导致纤维/基体界面产生巨大的热应力。当热应力达到基体屈服强度极限时，导致纤维/基体界面容易发生开裂或脱粘，严重影响复合材料的尺寸稳定性和力学性能。尤其是碳纤维与铝基体间较差的润湿性，由于曲率半径的存在，金属液体在实际的纤维排列状态下不可能完全润湿纤维间的微小缝隙，形成的缺陷也会加剧界面开裂。此外，铝基体与纤维间发生化学反应，在界面形成碳化铝脆性化合物，这不仅弱化了界面的载荷传递效率，更损伤了纤维的固有性能导致复合材料性能下降。综上所述，为高质量制备和充分发挥碳纤维增强铝基复合材料性能优势，亟需一种能够集抑制界面开裂、改善载荷传递效率和避免纤维反应受损的策略。
碳纳米管具有优异的热力学性能和低热膨胀率，且碳纳米管网络结构由弱的范德华力相互搭接，该三维网格结构能够局部增强增韧，抑制损伤和破坏的发生。因此，通过在纤维/基体界面处引入三维网络结构的碳纳米管过渡层有可能抑制界面开裂。一方面，多尺度界面结构带来的多样化能量耗散，使得碳纤维可以表现出多尺度结构特征具备的动态力学特性，实现界面破坏机制由微/微尺度下的脆性失效转移至纳/微尺度下的渐进失效，复合材料强韧性能得到同步提高。另一方面，零膨胀碳纳米管与基体合金构建的界面过渡层，实现了复合材料热膨胀系数的可控调节，解决了热膨胀系数失配诱导界面开裂的问题。
现有技术公开的一种表面经碳纳米材料改性的三维网状碳纤维复合材料，实现有效调控其热膨胀系数及热力学性能。但由于化学气相沉积改性纤维存在损伤纤维、覆盖量少且预制体内外沉积不均匀、难以大尺寸、规模化制备等特性，使得该材料的应用受到限制。现有技术公开的一种碳纤维-碳纳米管混杂增强金属基复合材料的制备方法，通过羟基与羧基间的键合使碳纳米管均匀分散于碳纤维表面，获得的混杂增强体可显著增强复合材料的力学性能和导电导热性能，但技术中并未涉及对于金属基材料性能的影响。
上述混杂复合材料制备技术虽然成功改善复合材料的热-力学性能，但对于在热循环过程中因热膨胀失配引起的纤维/基体界面开裂或脱粘问题尚未有效解决。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料及制备方法，将多尺度理念和多层级结构结合的设计策略运用于碳纤维增强铝基复合材料结构设计中，实现纤维层与基体层间碳纳米管三维网络结构层的可设计嵌入和复合材料的高品质制备。本发明的目的在于解决碳纤维增强铝基复合材料因热膨胀失配引起的尺寸稳定性差、纤维/基体界面易开裂等问题，提出一种结合三维网络碳纳米管层修饰的多尺度碳纤维增强体制备技术，制备抑层间增韧阻裂型碳纤维增强铝基多层级复合材料。
本发明的技术方案是：一种层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料，包括嵌入碳纤维层与金属基体层间的厚度可调的三维网络结构碳纳米管过渡层；所述复合材料按体积百分数计，包括0.5％～5％碳纳米管，20％～70％碳纤维和30％～80％金属基体。
本发明的进一步技术方案是：所述碳纳米管过渡层的层厚为0.2～5μm。
一种层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：将碳纤维布于丙酮溶液中浸泡24～48h去除胶质层，用去离子水清洗烘干后得到预处理的碳纤维布；
步骤2：首先将碳纳米管浆料超声分散于异丙醇溶液中，配置成稳定的碳纳米管分散液；然后向碳纳米管分散液中加入硝酸盐作为电解质，搅拌均匀，获得稳定的碳纳米管悬浮液；最后采用超声辅助电泳沉积技术，使碳纳米管在悬浮液中无序均匀分布，并在碳纤维布双表面沉积，形成厚度均匀的三维网络结构的碳纳米管层；
步骤3：将被三维网络结构的碳纳米管层包裹的碳纤维布，按设计的铺层角度叠层后，在均匀持续的面外压力下真空干燥，其中三维网络连接的碳纳米管层使得纤维层间结合良好，形成微-纳增强相互连的多尺度多层级结构的碳纤维预制体；
步骤4：碳纳米管层嵌入的碳纤维增强金属基体级复合材料的制备；
将步骤3中得到的碳纤维预制体放置于真空吸渗液固挤压工艺的模具之中，连同模具在氩气气氛中预热至500℃～700℃，同时高温熔炼纯铝或铝合金至760℃～950℃并保温20～60min；然后倾倒熔炼后的合金液于模具中，随后利用-0.1～0.15MPa的真空负压将定量熔融态金属液吸渗入模具中，再采用5～100MPa机械压力浸渗合金液至纤维预制体中；凝固期间给予大于3次强制压力进行补缩以减少缩孔缺陷，保压时间为8～15min，冷却后，获得三维网络结构碳纳米管层嵌入的碳纤维铝基多层级复合材料。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，碳纤维布选自单向碳纤维布、平纹碳纤维布、斜纹碳纤维布、缎纹碳纤维布中的一种或几种。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，碳纳米管浆料是20wt.％碳纳米管/异丙醇醇浆料，浆料与异丙醇的体积比为1～5:1000；所述浆料加入异丙醇中并在室温下超声的时间为0.5h。
本发明的进一步技术方案是：所述碳纳米管为单壁和多壁碳纳米管中的一种或几种，碳纳米管尺寸参数为直径30-60nm，长度0.5-6μm。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中硝酸盐为硝酸铝，硝酸铝中的金属阳离子A13+牢固吸附在碳纳米管的表面，改善碳纳米管悬浮液的导电性，在电泳沉积过程中，在电场作用下金属阳离子A13+带动碳纳米管向作为阴极的纤维布定向运动，有利于实现碳纳米管管束三维搭接，并且预制体中附着的金属阳离子A13+在后续高温预热的过程中有利于三维网络构型的固结。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，超声频率、电泳电流、碳纳米管悬浮液浓度间的参数比例为20kHz：100mA：0.1mg/ml；
所述电泳沉积技术中电泳参数包括：阴阳极板距离1cm～5cm，电泳电流5～120mA，电泳电压5V～200V，电泳时间0.5～10min。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中，真空干燥温度为60～100℃，干燥时间为8～24h，面外压力20N～100N。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中，熔炼后的合金液与碳纤维预制体的质量比为11：2。
有益效果
本发明的有益效果在于：
(1)本发明中由三维网络结构碳纳米管层/基体合金在碳纤维层表面构建了“软刚性”的界面过渡层。一方面，碳纳米管作为碳纤维的“反应替代品”，避免了碳纤维与铝基体反应导致纤维过度损伤，显著降低了复合材料脆性断裂的可能。另一方面，三维网络结构提供有效的机械锚定作用，从而调控纤维与基体间的界面结合性能。同时，“软刚性”界面层，其模量介于纤维与基体之间，能够钝化裂纹尖端、偏转裂纹等，部分纳米管还可通过拔出、断裂等方式消耗能量，可有效改善复合材料的层间界面韧性。
(2)本发明提出一种嵌入三维网络碳纳米管层改性碳纤维增强铝基复合材料的策略，嵌入的低热膨胀纳米材料实现了复合材料热膨胀系数的可控调节，三维网络过渡层具备的动态力学特性解决了因热膨胀系数失配引起的界面热应力诱导开裂问题。
(3)本发明得到的碳纤维增强铝基复合材料具备多尺度的多层级结构，即碳纳米管管束搭接网络之间的纳米层级结构，相邻碳纤维层之间的微米层级结构，基体层之间的微米级层级结构，热力耦合作用下多尺度的层级结构能够有效改善复合材料热膨胀行为和层间失效模式。
(4)本发明采用电泳沉积技术，结合超声波分散特性，进一步通过调控超声频率、电泳电流、悬浮液浓度间的参数比例，使得碳纳米管在悬浮液中无序均匀分布，有效解决碳纳米管因分散性差导致三维网络结构层沉积厚度不均匀的难题，同时，碳纳米管相互搭接形成一种厚度均匀的三维网络互连结构，期间不添加任何分散剂，设计合理，易于实现。
(5)本发明通过超声波的空化效应使得悬浮液中的碳纳米管无序分布，结合电泳沉积技术将碳纳米管沉积至纤维层表面，碳纳米管管束相互搭接组装成三维网络结构的碳纳米管层，形成的复合材料具有多尺度多层级构型，即碳纳米管管束纳米尺度搭接网络及其形成的微米层级结构，相邻碳纤维层之间的微米层级结构，基体层之间的微米级层级结构，在多层级结构面外方向充分发挥了三维网络结构的碳纳米管过渡层在热力耦合作用下的动态力学特性，并避免了纤维层与铝基体的直接接触，应力集中得到缓解，有效抑制了多层级结构面外方向层间的热致开裂。
(6)本发明突破碳纳米管定向分布的常规设计思路，通过将无序分布的碳纳米管在纤维表面相互搭接成三维网络结构，形成的复合材料具有多尺度多层级结构，因碳纳米管管束相互搭接产生的多样化能量耗散，使得在失效过程中促进了复合材料偏转裂纹、抑制裂纹扩展和层间增韧等强韧化机制，且同步改善复合材料的力学性能和热膨胀系数，并降低了复合材料脆性断裂的风险，同时，嵌入的界面纳米结构层有助于抑制界面热膨胀系数失配引起的界面开裂等缺陷。
(7)相比于传统层状复合材料常采用的同尺度堆叠方式，本发明采用微、纳尺度交替插层的多尺度特点，使得界面破坏机制由微/微尺度下的脆性失效转移至纳/微尺度下的渐进失效，复合材料层间断裂韧性得到提高。
附图说明
图1是碳纤维表面不同放大倍数的三维网络结构碳纳米管层微观形貌图；
图2是接枝碳纳米管的碳纤维增强铝基层级复合材料微观组织图，b为a图的局部放大图；
图3热循环后复合材料的纤维/基体层间状态对比图，a为不含碳纳米管层的复合材料，表现出层间开裂的严重缺陷，b为嵌入碳纳米管层的复合材料，热循环后复合材料层间没有发现开裂等缺陷。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明一种层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料及制备方法，根据碳纳米管的物化特性和锚定效应，提出在纤维层与基体层间嵌入厚度可调的三维网络结构碳纳米管过渡层，并利用真空吸渗液固挤压法制备碳纤维增强铝基多层级复合材料。本发明通过三维网络结构碳纳米管的层间增韧保证复合材料优异力学性能的同时，能够实现热膨胀系数的可控调节，有利于解决界面热应力诱导开裂的问题，本发明为碳纤维增强铝基复合材料应用所面临的高热循环等苛刻的服役环境提供技术支撑。
本发明的创新点在于：(1)通过构建微纳多尺度的多层级结构显著改善复合材料的热力学性能。(2)设计并制备碳纳米管搭接的具有高比表面积、与铝熔体较低润湿角、丰富三维网络孔道结构的的碳纳米管-碳纤维预制体，复合材料成形后实现了基体层与纤维层之间“软刚性”过渡结合。(3)嵌入的三维网络结构的碳纳米管层显著抑制了纤维层间界面处因热膨胀失配引起的界面开裂缺陷，为纤维复合材料所面临的高热循环等苛刻的服役环境提供技术支撑。
本发明提供了碳纤维增强铝基层级复合材料，按体积百分数计，包括0.5％～5％碳纳米管，20％～70％碳纤维和30％～80％金属基体。
所述一种层间增韧阻裂型碳纤维增强铝基多层级复合材料，包括嵌入碳纤维层与金属基体层间的厚度可调的三维网络结构碳纳米管过渡层，层厚为0.2～5μm。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种三维网络结构碳纳米管层嵌入的层间增韧阻裂型碳纤维增强铝基多层级复合材料制备方法，步骤如下：
步骤1：将碳纤维布于丙酮溶液中浸泡24～48h去除胶质层，用去离子水清洗烘干后得到预处理的碳纤维布；
步骤2：将碳纳米管浆料超声分散于异丙醇溶液中配置成稳定的分散液，然后向得到的碳纳米管分散液中加入硝酸盐作为电解质，搅拌均匀，获得稳定的碳纳米管悬浮液，采用超声辅助电泳沉积技术，通过控制超声频率、电泳电流、悬浮液浓度间的参数比例使得碳纳米管在悬浮液中无序均匀分布，得到在碳纤维布双表面形成一种厚度均匀的三维网络结构的碳纳米管层；
步骤3：将被三维网络结构的碳纳米管层包裹的碳纤维布按设计的铺层角度叠层后，在均匀持续的面外压力下真空干燥，其中三维网络连接的碳纳米管层使得纤维层间结合良好，形成微-纳增强相互连的多尺度多层级结构的碳纤维预制体；
步骤4：碳纳米管层嵌入的碳纤维增强铝基层级复合材料的制备；
将步骤3中得到的碳纤维预制体放置于真空吸渗液固挤压工艺的模具之中，连同模具在氩气气氛中预热至500℃～700℃，同时高温熔炼纯铝或铝合金至760℃～950℃并保温20～60min，然后倾倒熔炼后的合金液于模具中，随后利用-0.1～0.15MPa的真空负压将定量熔融态金属液吸渗入模具中，然后采用5～100MPa机械压力浸渗合金液至纤维预制体中，凝固期间给予大于3次强制压力进行补缩以减少缩孔等缺陷，保压时间为8～15min，冷却后，获得三维网络结构碳纳米管层嵌入的碳纤维增强多尺度铝基复合材料。
所述步骤1中碳纤维布选自单向碳纤维布、平纹碳纤维布、斜纹碳纤维布、缎纹碳纤维布中的一种或几种；
所述步骤2中碳纳米管浆料指的是20wt.％碳纳米管/异丙醇醇浆料，浆料与异丙醇的体积比为1～5:1000；所述浆料加入异丙醇中并在室温下超声的时间为0.5h；该优选的超声分散的时间同时满足了碳纳米管均匀分散且不发生断裂的要求；该优选的碳纳米管浆料的体积与异丙醇溶液的体积之比保证了碳纳米管的均匀分散，有利于提高后续电泳沉积的效率。
所述步骤2中优选的硝酸铝中的金属阳离子A13+牢固吸附在碳纳米管的表面，改善碳纳米管悬浮液的导电性，在电泳沉积过程中，在电场作用下金属阳离子A13+带动碳纳米管向作为阴极的纤维布定向运动，有利于实现碳纳米管管束三维搭接，并且预制体中附着的金属阳离子A13+在后续高温预热的过程中有利于三维网络构型的固结。
所述步骤2中碳纳米管为单壁和多壁碳纳米管中的一种或几种，碳纳米管尺寸参数为直径30-60nm，长度0.5-6μm。
所述步骤2中超声频率、电泳电流、碳纳米管悬浮液浓度间的参数比例为20kHz：100mA：0.1mg/ml；该优选的参数比例保证了碳纳米管在悬浮液中无序均匀分布，有利于实现碳纤维布表面形成厚度均匀的三维网络结构的碳纳米管层。
所述步骤2中电泳沉积装置中电泳参数包括：阴阳极板距离1cm～5cm，电泳电流5～120mA，电泳电压5V～200V，电泳时间0.5～10min；该优选的电泳沉积的电压和电流有效调节碳纳米管的沉积速率及碳纳米管间三维搭接的连续性；该优选的电泳沉积的时间有效控制了三维网络结构碳纳米管层的沉积厚度，有利于实现微-纳尺度耦合的碳纳米管层的沉积。
所述步骤2中超声辅助电泳沉积中，其中超声频率为20kHz～100kHz，超声功率为100～1000W，碳纳米管电泳悬浮液浓度为0.1～2mg/ml。
所述步骤2中三维网络结构的碳纳米管层厚为0.2～5μm；该优选的碳纳米管层厚有效抑制因热膨胀失配引起的层间高应力造成的开裂，并且有利于缓解纤维与铝基体的界面反应。
所述步骤3中真空干燥温度为60～100℃，干燥时间为8～24h，面外压力20N～100N。
所述步骤3中碳纤维布叠层后无需缝合处理，仅依靠碳纳米管间的范德华力进行层间粘结，以避免缝合破坏纤维结构和在成形的复合材料内引入应力集中。
所述步骤4中熔炼后的合金液与碳纤维预制体的质量比为11：2。
所述碳纤维增强铝基复合材料按体积百分数计，包括0.5％～5％碳纳米管，20％～70％碳纤维和30％～80％金属基体。
实施例1
三维网络结构碳纳米管过渡层嵌入的层间增韧阻裂型碳纤维增强铝基多层级复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将T700-3K正交编织碳纤维布置于丙酮溶液中浸泡24h去除纤维表面胶质层，然后用去离子水中清洗30min，在80℃的干燥箱中处理6h，得到洁净碳纤维布，后续作为电泳装置阴极；
步骤2：将1mL碳纳米管/异丙醇醇浆料(20wt.％)分散于500mL异丙醇溶剂中，在频率为20kHz下超声处理30min，得到稀释后的碳纳米管分散液；其中浆料和异丙醇溶剂体积比为1：500；
步骤3：向得到的碳纳米管分散液中加入0.8g硝酸铝作为电解质，超声分散处理30min，超声频率为20kHz，获得稳定的碳纳米管悬浮液(0.1mg/ml)；其中，硝酸铝的添加用于提高悬浊液的导电性并保证干燥后的预制体具备一定强度；
步骤4：将步骤3中稳定的碳纳米管悬浊液作为电泳沉积液，并在超声频率为20kHz的参数下持续超声分散，以步骤1中得到的碳纤维布作为阴极，平行立于两块316型不锈钢阳极板中间，阴阳极板距离为2cm，调节电泳电流为100mA，电泳沉积的电压为60V，电泳时间为1min，使得悬浮液中的无序分布的碳纳米管沉积到纤维表面，并且碳纳米管管束之间相互搭接，得到三维网络结构碳纳米管层覆盖的碳纤维布，将30片电泳沉积后的碳纤维布堆叠后，然后在50N的面外压力下80℃真空干燥8h，得到三维网络碳纳米管层嵌入的碳纤维预制体；所述电泳沉积过程中，每电泳沉积30片纤维布后重新配置悬浮液，即将步骤3中配置的稳定的碳纳米管悬浮液补充电泳沉积所消耗的液体；
步骤5：碳纳米管层嵌入的碳纤维增强铝基层级复合材料的制备：将步骤4中得到的碳纤维预制体放置于真空吸渗液固挤压工艺的模具之中，连同模具在氩气气氛中550℃预热30min，同时，高温熔炼1060铝合金至800℃并保温30min，熔体在0.05MPa负压力下将熔融态金属液吸渗入模具中，在40MPa的机械压力下浸渗合金液于纤维预制体中，凝固期间给予大于3次压力进行强制补缩以减少缩孔等缺陷，保压时间为8min，冷却后，获得三维网络结构碳纳米管层嵌入的碳纤维增强铝基层级复合材料。
图1为本实施例得到的由三维网络结构碳纳米管层覆盖的碳纤维形貌图，从图1可以看出，碳纳米管管束互相搭接形成三维网络构型，厚度均匀，无团聚现象，实现了碳纳米管的三维网络结构设计。
图2为本实施例制备的碳纤维增强铝基层级复合材料的横截面形貌图，从图2可以看出，复合材料中碳纳米管层嵌入于纤维层与基体间，形成多尺度多层级复合材料，且碳纳米管层高度连续，厚度均匀。
实施例2
三维网络结构碳纳米管层嵌入的层间增韧阻裂型碳纤维增强铝基层级复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将T700-12K正交编织碳纤维布置于丙酮溶液中浸泡36h去除纤维表面胶质层，然后用去离子水中清洗30min，在80℃的干燥箱中处理6h，得到洁净碳纤维布，后续作为电泳装置阴极；
步骤2：将1mL碳纳米管/异丙醇醇浆料(20wt.％)分散于500mL异丙醇溶剂中，在频率为20kHz下超声处理30min，得到稀释后的碳纳米管分散液；其中浆料和异丙醇溶剂体积比为1：500；
步骤3：向得到的碳纳米管分散液中加入1g硝酸铝作为电解质，超声处理30min，超声频率为20kHz，获得稳定的碳纳米管悬浮液(0.1mg/ml)；
步骤4：将步骤3中稳定的碳纳米管悬浊液作为电泳沉积液，并在超声频率为20kHz的参数下持续超声分散，以步骤1中得到的碳纤维布作为阴极，平行立于两块316型不锈钢阳极板中间，阴阳极板距离为2cm，调节电泳电流为100mA，电泳沉积的电压为60V，电泳时间为1min，使得悬浮液中的无序分布的碳纳米管沉积到纤维表面，并且碳纳米管管束之间相互搭接，得到三维网络结构碳纳米管层覆盖的碳纤维布，将30片电泳沉积后的碳纤维布堆叠后，然后在50N的面外压力下80℃真空干燥8h，得到三维网络碳纳米管层嵌入的碳纤维预制体；所述电泳沉积过程中，每电泳沉积30片纤维布后重新配置悬浮液，即将步骤3中配置的稳定的碳纳米管悬浮液补充电泳沉积所消耗的液体。
步骤5：碳纳米管层嵌入的碳纤维增强铝基层级复合材料的制备：将步骤3中得到的碳纤维预制体放置于真空吸渗液固挤压工艺的模具之中，连同模具在氩气气氛中550℃预热60min，高温熔炼ZL301铝合金至800℃并保温60min，熔体在0.5MPa负压力下将熔融态金属液吸渗入模具中，在40MPa的机械压力下浸渗合金液于纤维预制体中，凝固期间给予大于3次压力进行强制补缩以减少缩孔等缺陷，保压时间为10min，冷却后，获得碳纳米管嵌入的碳纤维增强多尺度铝基复合材料。
实施例3
三维网络结构碳纳米管层嵌入的层间增韧阻裂型碳纤维增强铝基层级复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将T700-3K碳纤维无纬布置于丙酮溶液中浸泡24h去除纤维表面胶质层，然后用去离子水中清洗30min，在80℃的干燥箱中处理6h，得到洁净碳纤维布，后续作为电泳装置阴极；
步骤2：将2mL碳纳米管/异丙醇醇浆料(20wt.％)分散于1000mL异丙醇溶剂中，在频率为20kHz下超声处理30min，得到稀释后的碳纳米管分散液；其中浆料和异丙醇溶剂体积比为1：1000；
步骤3：向得到的碳纳米管分散液中加入1.2g硝酸铝作为电解质，超声处理30min，超声频率为20kHz，获得稳定的碳纳米管悬浮液(0.1mg/ml)；
步骤4：将步骤3中稳定的碳纳米管悬浊液作为电泳沉积液，并在超声频率为20kHz的参数下持续超声分散，以步骤1中得到的碳纤维布作为阴极，平行立于两块316型不锈钢阳极板中间，阴阳极板距离为2cm，调节电泳电流为100mA，电泳沉积的电压为70V，电泳时间为0.5min，使得悬浮液中的无序分布的碳纳米管沉积到纤维表面，并且碳纳米管管束之间相互搭接，得到三维网络结构碳纳米管层覆盖的碳纤维布，将30片电泳沉积后的碳纤维布堆叠后，然后在100N的面外压力下80℃真空干燥8h，得到三维网络碳纳米管层嵌入的碳纤维预制体；所述电泳沉积过程中，每电泳沉积30片纤维布后重新配置悬浮液，即将步骤3中配置的稳定的碳纳米管悬浮液补充电泳沉积所消耗的液体。
步骤5：碳纳米管层嵌入的碳纤维增强铝基层级复合材料的制备：将步骤3中得到的碳纤维预制体放置于真空吸渗液固挤压工艺的模具之中，连同模具在氩气气氛中550℃预热60min，高温熔炼ZL207型纯铝至850℃并保温60min，熔体在0.5MPa负压力下将熔融态金属液吸渗入模具中，在60MPa的机械压力下浸渗合金液于纤维预制体中，凝固期间给予大于3次压力进行强制补缩以减少缩孔等缺陷，保压时间为10min，冷却后，获得碳纳米管嵌入的碳纤维增强铝基多尺度复合材料。
对本发明实施例1～实施例3制备的碳纤维增强铝基多尺度复合材料以及不含碳纳米管层的铝基复合材料的热膨胀系数、弯曲强度及断裂韧性进行检测，结果如表1所示。
表1：复合材料的性能测试结果
由表1结果可知，实施例1～3中制备的复合材料与不含碳纳米管的复合材料相比，其热膨胀系数、弯曲强度以及断裂韧性均得到大幅度改善。由此可见，本发明三维网络结构碳纳米管层接枝的纤维预制体提高了复合材料力学性能，降低了复合材料的热膨胀系数，使得复合材料具有较强的尺寸稳定性。
对本发明实施例3制备的碳纤维增强铝基多尺度复合材料进行热循环测试(冷热冲击大于10次条件下的热膨胀行为)，及复合材料截面形貌评价，测试结果如表2，截面形貌如图3所示。
表2：经15次热循环后，复合材料面内残余塑性变形量测试结果
由表2结果可知，实施例3中制备的复合材料与不含碳纳米管的复合材料相比，其具有更低的残余塑性应变，残余应变缩减了22％。图3对比了热循环后层间结合状态，可以发现经过碳纳米管层改性的碳纤维预制体抑制了复合材料的层间开裂，由此可见，本发明三维网络结构碳纳米管层接枝的纤维预制体表现出更好的尺寸稳定性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料，其特征在于：包括嵌入碳纤维层与金属基体层间的厚度可调的三维网络结构碳纳米管过渡层；所述复合材料按体积百分数计，包括0.5％～5％碳纳米管，20％～70％碳纤维和30％～80％金属基体。
2.根据权利要求1所述一种层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料，其特征在于：所述碳纳米管过渡层的层厚为0.2～5μm。
3.一种权利要求1-2任一项所述层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：将碳纤维布于丙酮溶液中浸泡24～48h去除胶质层，用去离子水清洗烘干后得到预处理的碳纤维布；
步骤2：首先将碳纳米管浆料超声分散于异丙醇溶液中，配置成稳定的碳纳米管分散液；然后向碳纳米管分散液中加入硝酸盐作为电解质，搅拌均匀，获得稳定的碳纳米管悬浮液；最后采用超声辅助电泳沉积技术，使碳纳米管在悬浮液中无序均匀分布，并在碳纤维布双表面沉积，形成厚度均匀的三维网络结构的碳纳米管层；
步骤3：将被三维网络结构的碳纳米管层包裹的碳纤维布，按设计的铺层角度叠层后，在均匀持续的面外压力下真空干燥，其中三维网络连接的碳纳米管层使得纤维层间结合良好，形成微-纳增强相互连的多尺度多层级结构的碳纤维预制体；
步骤4：碳纳米管层嵌入的碳纤维增强金属基体级复合材料的制备；
将步骤3中得到的碳纤维预制体放置于真空吸渗液固挤压工艺的模具之中，连同模具在氩气气氛中预热至500℃～700℃，同时高温熔炼纯铝或铝合金至760℃～950℃并保温20～60min；然后倾倒熔炼后的合金液于模具中，随后利用-0.1～0.15MPa的真空负压将定量熔融态金属液吸渗入模具中，再采用5～100MPa机械压力浸渗合金液至纤维预制体中；凝固期间给予大于3次强制压力进行补缩以减少缩孔缺陷，保压时间为8～15min，冷却后，获得三维网络结构碳纳米管层嵌入的碳纤维铝基多层级复合材料。
4.根据权利要求3所述层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，碳纤维布选自单向碳纤维布、平纹碳纤维布、斜纹碳纤维布、缎纹碳纤维布中的一种或几种。
5.根据权利要求3所述层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，碳纳米管浆料是20wt.％碳纳米管/异丙醇醇浆料，浆料与异丙醇的体积比为1～5:1000；所述浆料加入异丙醇中并在室温下超声的时间为0.5h。
6.根据权利要求5所述层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管为单壁和多壁碳纳米管中的一种或几种，碳纳米管尺寸参数为直径30-60nm，长度0.5-6μm。
7.根据权利要求3所述层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中硝酸盐为硝酸铝，硝酸铝中的金属阳离子A13+牢固吸附在碳纳米管的表面，改善碳纳米管悬浮液的导电性，在电泳沉积过程中，在电场作用下金属阳离子A13+带动碳纳米管向作为阴极的纤维布定向运动，有利于实现碳纳米管管束三维搭接，并且预制体中附着的金属阳离子A13+在后续高温预热的过程中有利于三维网络构型的固结。
8.根据权利要求3所述层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，超声频率、电泳电流、碳纳米管悬浮液浓度间的参数比例为20kHz：100mA：0.1mg/ml；
所述电泳沉积技术中电泳参数包括：阴阳极板距离1cm～5cm，电泳电流5～120mA，电泳电压5V～200V，电泳时间0.5～10min。
9.根据权利要求3所述层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，真空干燥温度为60～100℃，干燥时间为8～24h，面外压力20N～100N。
10.根据权利要求3所述层间增韧阻裂型碳纤维铝基多层级复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4中，熔炼后的合金液与碳纤维预制体的质量比为11：2。
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