一种具有互穿网络结构的复合增强材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于复合材料领域，公开了一种具有互穿网络结构的复合增强材料及其制备方法。将聚丙烯腈溶解于有机溶剂中，然后加入金属基材料搅拌混合均匀，得到皮层溶液；将水溶性高分子材料溶解于去离子水中，再加入陶瓷基材料搅拌混合均匀，得到芯层溶液；将皮层溶液和芯层溶液通过静电纺丝，得到具有皮芯结构复合纤维材料；最后在惰性气氛下经过预氧化和碳化处理，得到具有互穿网络结构的复合增强材料。本发明专利技术通过水溶性高分子材料成型之后经过后续的高温处理形成碳纤维，与聚丙烯腈基碳纤维形成互穿网络结构，利于金属基材料和陶瓷基材料的渗入，极大地提升了复合增强材料的力学性能。

A Composite Reinforcement Material with Interpenetrating Network Structure and Its Preparation Method

The invention belongs to the field of composite materials, and discloses a composite reinforcing material with interpenetrating network structure and a preparation method thereof. Polyacrylonitrile was dissolved in organic solvents, and then mixed with metal-based materials to obtain cortical solution; water-soluble polymer materials were dissolved in deionized water, and ceramic-based materials were added to mix evenly to obtain core solution; composite fibers with skin-core structure were obtained by electrospinning of cortical solution and core solution; finally, in inert atmosphere. After Pre-oxidation and carbonization, composite reinforcement materials with interpenetrating network structure were obtained. The water-soluble polymer material is formed into carbon fibers after subsequent high temperature treatment, and interpenetrating network structure is formed with polyacrylonitrile-based carbon fibers, which is beneficial to the infiltration of metal-based materials and ceramic-based materials, and greatly improves the mechanical properties of composite reinforced materials.

【技术实现步骤摘要】
一种具有互穿网络结构的复合增强材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料领域，具体涉及一种具有互穿网络结构的复合增强材料及其制备方法。
技术介绍
碳纤维(CarbonFiber，Cf)是一种具有高比模和高比强的高性能纤维状材料，并且具有耐摩擦、抗高温、耐腐烛、低密度、导电性好、抗疲劳和传热性高、低热膨胀系数、电磁屏蔽性等诸多性能，在高性能复合材料的增强体中占据非常重要的位置，被誉为“21世纪最有生命力的新型材料”。根据生产原料的不同，可以将碳纤维划分为三大类：聚丙烯腈基(PAN-based)碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。聚丙烯腈基碳纤维由于生产工艺简单，而且产品性能优异，因而自20世纪60年代问世以来，得到了飞速的发展，成为当今碳纤维工业的主流纤维。碳化是制备PAN基碳纤维过程中的一个重要工艺过程，一般是在高纯度惰性气体保护下将PAN热氧稳定化纤维加热至1000℃以上，以去除纤维中的非碳原子，生成高含碳量的碳纤维。根据碳化温度范围的高低，可以将碳化具体分为低温碳化与高温碳化两个阶段。其中低温碳化温度范围一般在450℃～950℃，而高温碳化一般在1000℃～1800℃。静电纺丝技术就是在外加电场的作用下，当静电力大于聚合物溶液(或熔体)的表面张力时，喷射出超细纤维的过程。相对于传统纺丝过程的微米级直径丝束，静电纺丝能够收集到纤维直径在亚微米，甚至几十纳米。由于强电场力的高度拉伸和极大的比表面积，所得纤维微晶排列更加规整，内部溶剂挥发的更加彻底。在PAN基碳纤维的制备过程中，由于前序纺丝阶段的工艺最为复杂，聚集态结构变化也最为剧烈，同时也是各类聚集态结构缺陷最容易产生的阶段。产生的结构缺陷如纤维表面沟槽、纤维表面损伤、晶格错位、纤维内部孔洞与裂缝等，会“遗传”给碳纤维，导致碳纤维性能降低。
技术实现思路
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种具有互穿网络结构的复合增强材料的制备方法。本专利技术方法在前序纺丝阶段采用静电纺丝，在前期减少各类聚集态结构缺陷，同时通过皮层加入的金属基材料和芯层加入的陶瓷基材料，填补高温热处理后碳纤维的遗漏下来的结构缺陷，得到具有互穿网络结构的复合增强材料。本专利技术的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的具有互穿网络结构的复合增强材料。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种具有互穿网络结构的复合增强材料的制备方法，包括如下制备步骤：(1)皮层溶液的制备：将聚丙烯腈溶解于有机溶剂中，然后加入金属基材料搅拌混合均匀，得到皮层溶液；(2)芯层溶液的制备：将水溶性高分子材料溶解于去离子水中，再加入陶瓷基材料搅拌混合均匀，得到芯层溶液；(3)将皮层溶液和芯层溶液通过静电纺丝，得到具有皮芯结构复合纤维材料；(4)将具有皮芯结构复合纤维材料在惰性气氛下经过预氧化和碳化处理，得到具有互穿网络结构的复合增强材料。优选地，步骤(1)中所述有机溶剂为N，N二甲基甲酰胺。优选地，步骤(1)中所述金属基材料为纳米氧化铝、纳米氧化镁和纳米二氧化钛中的至少一种；金属基材料的颗粒直径为50～500nm。颗粒过大，不能得到很好的包覆，得到的纺丝纤维是串珠状形貌；颗粒过小，金属基材料颗粒会发生严重的团聚作用，不能得以很好的分散。优选地，步骤(1)中所述聚丙烯腈与金属基材料的质量比为(0.5～0.8):(0.05～0.1)。优选地，步骤(2)中所述水溶性高分子材料为木质纤维素、聚乙烯醇和聚环氧乙烷中的至少一种。水溶性高分子材料成型之后经过后续的高温处理形成碳纤维，从而与聚丙烯腈基碳纤维形成互穿网络结构。优选地，步骤(2)中所述陶瓷基材料为SiC、Si3N4和Al2O3中的至少一种。陶瓷基材料具有优异的高温性能、极好的抗蠕变性能和低的热膨胀系数，起保护碳纤维和传递载荷的作用。优选地，步骤(2)中所述水溶性高分子材料与陶瓷基材料的质量比为(0.1～1):(0.01～0.1)。优选地，步骤(3)中所述静电纺丝是指同轴静电纺丝或微流体静电纺丝。优选地，步骤(4)预氧化温度为200～400℃，保温时间为0.5～10h；所述碳化温度为550～1100℃，保温时间为1～24h，升温速率为0.1～10℃/min，气体流率为5～500ml/min，惰性气氛为氩气或者氮气。更优选地，步骤(4)中所述预氧化的温度为250～280℃，保温时间为2～2.5h，升温速率为2～3℃/min。若升温速率小于2℃/min，则预氧化的时间太长；若升温速率大于3℃/min，则可能会先发生副反应。预氧化的温度小于200℃，则不能完成预氧化反应；若预氧化的温度大于400℃，则纤维可能会因过热而熔化或燃烧。所述碳化处理的温度为600～650℃，碳化时间为3～6h。若碳化温度小于600℃，时间小于3h，则H、N等非碳元素无法从纤维中脱出干净；若碳化温度大于650℃，时间大于6h，则碳纤维的强度会下降。一种具有互穿网络结构的复合增强材料，通过上述方法制备得到。进一步地，所述具有互穿网络结构的复合增强材料的拉伸模量为200～800GPa，拉伸强度为2000～5000MPa，弯曲强度为200～500MPa。相比现有技术，本专利技术具有如下优点及有益效果：(1)本专利技术的制备方法及所得复合增强材料形成微纳尺度复合增强，同时还可以改善界面结合力，并通过皮层引入金属基材料明显提高复合材料的导电性，增加复合增强材料的用途范围。(2)本专利技术通过芯层加入的陶瓷基材料，陶瓷基材料具有优异的高温性能、极好的抗蠕变性能和低的热膨胀系数，起保护碳纤维和传递载荷的作用。(3)本专利技术通过高温热处理工艺，能够有效打开体系中生成的闭气孔，同时水溶性高分子材料成型之后经过后续的高温处理形成碳纤维，从而与聚丙烯腈基碳纤维形成互穿网络结构，利于金属基材料和陶瓷基材料的渗入；并通过跨越一个相当宽的温度范围，生成各层堆砌的石墨结构，极大地提升了复合增强材料的力学性能。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1将0.5g的聚丙烯腈加入到5ml的N，N二甲基甲酰胺中，待完全溶解之后再加入0.05g的纳米氧化铝，充分混合搅拌均匀，得到皮层溶液；将0.1g的木质纤维素加入到1ml的去离子水当中，待完全溶解之后再加入0.01g的SiC，充分混合搅拌均匀，得到芯层溶液；将皮层溶液和芯层溶液通过同轴静电纺丝，得到具有皮芯结构复合纤维材料；将得到的具有皮芯结构复合纤维材料在管式炉中氮气气氛下经历预氧化(200℃、10h)和碳化(550℃、24h)过程，得到具有互穿网络结构的复合增强材料。本实施例得到的有互穿网络结构的复合增强材料拉伸模量200GPa，拉伸强度2000MPa，弯曲强度200MPa，通过形成互穿网络结构，利于金属基材料和陶瓷基材料的渗入，增加复合增强材料的力学性能。实施例2将0.8g的聚丙烯腈加入到10ml的N，N二甲基甲酰胺中，待完全溶解之后再加入0.1g的纳米二氧化钛，充分混合搅拌均匀，得到皮层溶液；将1g的聚乙烯醇加入到5ml的去离子水当中，待完全溶解之后再加入0.1g的Si3N4，充分混合搅拌均匀，得到芯层溶液；将皮层溶液和芯层溶液通过微流体静电纺丝，得到具有皮芯结构复合纤维材料；将得到的具有皮芯结构复合纤维材料在管式炉中氮气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有互穿网络结构的复合增强材料的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：(1)皮层溶液的制备：将聚丙烯腈溶解于有机溶剂中，然后加入金属基材料搅拌混合均匀，得到皮层溶液；(2)芯层溶液的制备：将水溶性高分子材料溶解于去离子水中，再加入陶瓷基材料搅拌混合均匀，得到芯层溶液；(3)将皮层溶液和芯层溶液通过静电纺丝，得到具有皮芯结构复合纤维材料；(4)将具有皮芯结构复合纤维材料在惰性气氛下经过预氧化和碳化处理，得到具有互穿网络结构的复合增强材料。

【技术特征摘要】
1.一种具有互穿网络结构的复合增强材料的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：(1)皮层溶液的制备：将聚丙烯腈溶解于有机溶剂中，然后加入金属基材料搅拌混合均匀，得到皮层溶液；(2)芯层溶液的制备：将水溶性高分子材料溶解于去离子水中，再加入陶瓷基材料搅拌混合均匀，得到芯层溶液；(3)将皮层溶液和芯层溶液通过静电纺丝，得到具有皮芯结构复合纤维材料；(4)将具有皮芯结构复合纤维材料在惰性气氛下经过预氧化和碳化处理，得到具有互穿网络结构的复合增强材料。2.根据权利要求1所述的一种具有互穿网络结构的复合增强材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述有机溶剂为N，N二甲基甲酰胺。3.根据权利要求1所述的一种具有互穿网络结构的复合增强材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述金属基材料为纳米氧化铝、纳米氧化镁和纳米二氧化钛中的至少一种；金属基材料的颗粒直径为50～500nm。4.根据权利要求1所述的一种具有互穿网络结构的复合增强材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述聚丙烯腈与金属基材料的质量比为(0.5～0.8):(0.05～0.1)。5.根据权利要求1所述的一种具有互穿网络结构的复合增强材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述水溶性高...

【专利技术属性】
技术研发人员：严玉蓉，李伟培，吴松平，黄楚云，林超，张申魁，陈焯文，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44