一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维‑碳纳米管交织铺层复合材料及其制备方法，复合材料为三维交织铺层结构，包括层叠设置的多层碳纤维单向布、将多层碳纤维单向布交织在一起的碳纳米管膜窄带以及填充于间隙中的环氧树脂，在三维交织铺层结构中，碳纳米管膜窄带既有纬向的穿插，又有厚度方向的穿插，使得多层碳纤维单向布具有整体性，更有利于载荷在层间的传递，能够改善厚度方向的电导率以及纬向的电导率。碳纳米管膜作为连续聚集体，不存在团聚和分散不均等问题；并且，利用碳纳米管膜对碳纤维进行三维交织铺层，使复合材料成为一个整体，因此，对于性能的提升是整体性的；此外，复合材料的制备过程简单、易操作，且不涉及氢气、甲烷等危险气体。

A kind of carbon fiber carbon nanotube interlaced composite and its preparation method

The invention discloses a carbon fiber \u2011 carbon nanotube interleaving layer composite material and a preparation method thereof. The composite material is a three-dimensional interleaving layer structure, including a multilayer carbon fiber unidirectional cloth arranged in layers, a narrow band of carbon nanotube film interweaving the multilayer carbon fiber unidirectional cloth together and an epoxy resin filled in the gap. In the three-dimensional interleaving layer structure, the narrow band of carbon nanotube film is There are weft direction and thickness direction, which make the unidirectional multi-layer carbon fiber cloth have integrity, more conducive to load transfer between layers, and can improve the conductivity in thickness direction and weft direction. As a continuous aggregate, carbon nanotube film does not have the problems of agglomeration and dispersion inequality; moreover, the use of carbon nanotube film for three-dimensional interlacing of carbon fibers makes the composite become a whole, so the improvement of performance is holistic; in addition, the preparation process of the composite is simple, easy to operate, and does not involve hydrogen, methane and other dangerous gases.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料及其制备方法
本专利技术涉及混杂复合材料
，尤其涉及一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料及其制备方法。
技术介绍
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)发展至今已成为一种成熟的结构材料并广泛用于航空、航天、汽车、运动等领域。由于碳纤维的表面惰性以及表面官能团的缺少，CFRP的纤维/树脂界面粘结强度较低，这会限制载荷的传递，影响CFRP的整体性能，并且，电导率过低的环氧树脂填充在碳纤维丝束间的间隙，会使CFRP平行于碳纤维的排列方向的电导率较低，这都极大限制了CFRP的应用。碳纳米管(CNT)自1991年被发现以来，凭借大长径比的结构，优异的力学、导电、导热性能等优势，在超级电容器、形状记忆、高阻尼材料和结构材料等领域得到广泛应用。随着研究者的不断探索，CNT宏观体，例如CNT阵列、CNT薄膜及其树脂基复合材料也已经具有优异的力学性能和功能特性。针对CFRP界面和层间性能差的问题，可通过碳纤维/碳纳米管混杂的方式制备混杂复合材料(是利用两种或两种以上的增强体增强同一基体或多种基体制备而成的复合材料)，对CFRP界面粘结性能和层间性能进行增强。目前，CNT改性连续纤维树脂基复合材料的制备方法包括以下三种：1.分散法，先将CNT粉体分散到树脂基体中，再与纤维复合，制备出三相杂化复合材料，CNT粉体易出现团聚，造成分散不均匀的问题，影响复合材料的整体性能；2.通过CNT对纤维进行改性，最常见的有化学气相沉积法、电泳沉积法、喷射沉积法、上浆剂法、化学接枝法以及悬浮液沉积法，该方法实验要求比较高，操作较复杂，需要用到氢气、甲烷等危险气体；3.碳纳米管聚集体增强连续纤维树脂基复合材料，采用的碳纳米管聚集体有垂直于纤维方向的碳纳米管森林或阵列的Z向穿刺以及平行于纤维方向的碳纳米管膜层叠结构，碳管阵列实验操作较复杂，制备过程繁琐，对复合材料性能的提升仅限于有碳纳米管聚集体的那一层，对复合材料整体性能的提升效果较弱。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料及其制备方法，用以解决现有混杂方法存在的分散不均、制备过程复杂以及整体性能提升效果差等问题。因此，本专利技术提供了一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料，包括：层叠设置的多层碳纤维单向布、将所述多层碳纤维单向布交织在一起的碳纳米管膜窄带以及填充于碳纤维间隙与碳纳米管膜窄带间隙中的环氧树脂；其中，所述多层碳纤维单向布中各所述碳纤维单向布的丝束间隙位置对应；所述碳纳米管膜窄带沿每层碳纤维单向布中碳纤维的排列方向交织铺层，所述碳纳米管膜窄带的两端分别粘贴在所述多层碳纤维单向布上。在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料中，所述碳纳米管膜窄带沿所述碳纤维单向布层叠方向的相邻两次穿插之间的碳纤维丝束的数量为1～3束。在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料中，多条碳纳米管膜窄带将所述多层碳纤维单向布交织在一起；各所述碳纳米管膜窄带沿碳纤维的延伸方向排列。本专利技术还提供了一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料的制备方法，包括如下步骤：S1：在第一层碳纤维单向布的下表面与一个丝束间隙对应的位置粘贴第一密封胶条，从所述第一层碳纤维单向布的上表面与该丝束间隙对应的位置插入多个固定片；其中，各所述固定片穿过该丝束间隙插在所述第一密封胶条上，各所述固定片沿碳纤维的延伸方向排列；S2：将其余的碳纤维单向布逐层穿过各所述固定片，与所述第一层碳纤维单向布铺叠在一起，铺叠完毕后在各所述固定片的上方粘贴第二密封条；其中，多层碳纤维单向布中各所述碳纤维单向布的丝束间隙位置对应；S3：利用夹持器将多层碳纤维单向布的两端分别进行夹持，并将所述多层碳纤维单向布垂直放置；S4：对碳纳米管膜进行预处理；S5：将预处理后的碳纳米管膜裁剪成碳纳米管膜窄带，将碳纳米管膜窄带的一端粘贴在所述多层碳纤维单向布上，另一端粘贴在刀片的尾部，利用刀片对所述多层碳纤维单向布沿每层碳纤维单向布中碳纤维的排列方向进行交织铺层，交织铺层结束后将剩余的碳纳米管膜窄带粘贴在所述多层碳纤维单向布上并剪去多余的碳纳米管膜窄带，去除所述夹持器、所述第一密封胶条、各所述固定片和所述第二密封胶条，得到碳纤维-碳纳米管交织铺层结构；S6：对所述碳纤维-碳纳米管交织铺层结构进行环氧树脂浸泡处理，待所述碳纤维-碳纳米管交织铺层结构中多余的环氧树脂流出后，得到碳纤维-碳纳米管交织铺层结构预浸料；S7：对所述碳纤维-碳纳米管交织铺层结构预浸料进行热压处理，得到碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料。在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料的制备方法中，在执行步骤S3之后，在执行步骤S4之前，还包括如下步骤：S8：在下方夹持器的下端悬挂重物。在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料的制备方法中，在交织铺层过程中，碳纳米管膜窄带沿所述碳纤维单向布铺叠方向的相邻两次穿插之间的碳纤维丝束的数量为1～3束。在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料的制备方法中，步骤S4，对碳纳米管膜进行预处理，具体包括如下步骤：S41：对碳纳米管膜进行热处理，并进行清洗；S42：将间氯过氧苯甲酸与二氯甲烷加入烧杯并搅拌为混合溶液；S43：将清洗后的碳纳米管膜进行多次对折，在折叠后的碳纳米管膜的上下表面以及层与层之间插入透气四氟布；其中，折叠后的碳纳米管膜可平铺在装有混合溶液的烧杯底部；S44：将折叠后的碳纳米管膜与透气四氟布一同放置在装有混合溶液的烧杯底部，并利用重物将折叠后的碳纳米管膜与透气四氟布完全按压在混合溶液内；S45：待浸泡预设时长后，取出折叠后的碳纳米管膜与透气四氟布，并进行清洗；S46：去除透气四氟布，将折叠后的碳纳米管膜展开并平铺在聚四氟乙烯膜上，在碳纳米管膜上再铺一层聚四氟乙烯膜，利用滚筒来回滚压数次；S47：对滚压后的碳纳米管膜和聚四氟乙烯膜进行热压处理。在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料的制备方法中，步骤S1，在第一层碳纤维单向布的下表面与一个丝束间隙对应的位置粘贴第一密封胶条，从所述第一层碳纤维单向布的上表面与该丝束间隙对应的位置插入多个固定片；其中，各所述固定片穿过该丝束间隙插在所述第一密封胶条上，各所述固定片沿碳纤维的延伸方向排列，具体包括如下步骤：S11：在第一层碳纤维单向布的下表面与一个丝束间隙对应的位置粘贴第一密封胶条；其中，所述第一密封胶条的粘贴位置靠近所述第一层碳纤维单向布的一个边缘，该边缘平行于碳纤维的延伸方向；S12：从所述第一层碳纤维单向布的上表面与该丝束间隙对应的位置插入多个固定片；其中，各所述固定片穿过该丝束间隙插在所述第一密封胶条上，各所述固定片沿碳纤维的延伸方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料，其特征在于，包括：层叠设置的多层碳纤维单向布、将所述多层碳纤维单向布交织在一起的碳纳米管膜窄带以及填充于碳纤维间隙与碳纳米管膜窄带间隙中的环氧树脂；其中，/n所述多层碳纤维单向布中各所述碳纤维单向布的丝束间隙位置对应；/n所述碳纳米管膜窄带沿每层碳纤维单向布中碳纤维的排列方向交织铺层，所述碳纳米管膜窄带的两端分别粘贴在所述多层碳纤维单向布上。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料，其特征在于，包括：层叠设置的多层碳纤维单向布、将所述多层碳纤维单向布交织在一起的碳纳米管膜窄带以及填充于碳纤维间隙与碳纳米管膜窄带间隙中的环氧树脂；其中，
所述多层碳纤维单向布中各所述碳纤维单向布的丝束间隙位置对应；
所述碳纳米管膜窄带沿每层碳纤维单向布中碳纤维的排列方向交织铺层，所述碳纳米管膜窄带的两端分别粘贴在所述多层碳纤维单向布上。


2.如权利要求1所述的碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料，其特征在于，所述碳纳米管膜窄带沿所述碳纤维单向布层叠方向的相邻两次穿插之间的碳纤维丝束的数量为1～3束。


3.如权利要求1或2所述的碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料，其特征在于，多条碳纳米管膜窄带将所述多层碳纤维单向布交织在一起；
各所述碳纳米管膜窄带沿碳纤维的延伸方向排列。


4.一种基于权利要求1-3任一项所述的碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在第一层碳纤维单向布的下表面与一个丝束间隙对应的位置粘贴第一密封胶条，从所述第一层碳纤维单向布的上表面与该丝束间隙对应的位置插入多个固定片；其中，各所述固定片穿过该丝束间隙插在所述第一密封胶条上，各所述固定片沿碳纤维的延伸方向排列；
S2：将其余的碳纤维单向布逐层穿过各所述固定片，与所述第一层碳纤维单向布铺叠在一起，铺叠完毕后在各所述固定片的上方粘贴第二密封条；其中，多层碳纤维单向布中各所述碳纤维单向布的丝束间隙位置对应；
S3：利用夹持器将多层碳纤维单向布的两端分别进行夹持，并将所述多层碳纤维单向布垂直放置；
S4：对碳纳米管膜进行预处理；
S5：将预处理后的碳纳米管膜裁剪成碳纳米管膜窄带，将碳纳米管膜窄带的一端粘贴在所述多层碳纤维单向布上，另一端粘贴在刀片的尾部，利用刀片对所述多层碳纤维单向布沿每层碳纤维单向布中碳纤维的排列方向进行交织铺层，交织铺层结束后将剩余的碳纳米管膜窄带粘贴在所述多层碳纤维单向布上并剪去多余的碳纳米管膜窄带，去除所述夹持器、所述第一密封胶条、各所述固定片和所述第二密封胶条，得到碳纤维-碳纳米管交织铺层结构；
S6：对所述碳纤维-碳纳米管交织铺层结构进行环氧树脂浸泡处理，待所述碳纤维-碳纳米管交织铺层结构中多余的环氧树脂流出后，得到碳纤维-碳纳米管交织铺层结构预浸料；
S7：对所述碳纤维-碳纳米管交织铺层结构预浸料进行热压处理，得到碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料。


5.如权利要求4所述的碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料的制备方法，其特征在于，在执行步骤S3之后，在执行步骤S4之前，还包括如下步骤：
S8：在下方夹持器的下端悬挂重物。


6.如权利要求4所述的碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料的制备方法，其特征在于，在交织铺层过程中，碳纳米管膜窄带沿所述碳纤维单向布铺叠方向的相邻两次穿插之间的碳纤维丝束的数量为1～3束。


7.如权利要求4所述的碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4，对碳纳米管膜进行预处理，具体包括如下步骤：
S41：对碳纳米管膜进行热处理，并进行清洗；
S42：将间氯过氧苯甲酸与二氯甲烷加入烧杯并搅拌为混合溶液；
S43：将清洗后的碳纳米管膜进行多次对折，在折叠后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敏，车辙，王绍凯，顾轶卓，魏化震，张佐光，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11