一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法。通过基于大电流电解原理的一步法阳极氧化快速处理提高碳纤维的表面活性，利用超声辅助恒压定向电泳沉积快捷高效的将纳米粒子沉积在阳极氧化碳纤维表面，在此基础上进一步对碳纤维表面涂覆耐高温聚合物层，构筑了基于纳米粒子/耐高温聚合物复合的“沙子‑水泥”特征多尺度耐高温界面。通过纳米粒子与耐高温聚合物的协同作用，有效提高了界面区域的机械结合与化学键合能力，显著提升了碳纤维复合材料界面的耐温等级，从而改善了复合材料整体的耐高温性能，可用于航空航天、轨道交通等高性能复合材料的应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法
本专利技术涉及碳纤维树脂基复合材料领域，主要涉及一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着航空航天、风能和汽车行业的发展，碳纤维增强聚合物基复合材料在极端条件下的应用成为继追求轻质高强要求后又一追求目标。在航空航天等许多方面均有高温应用场景的例子：如先进的风扇箱结构、液体燃料壳体、发动机排气结构、发动机短舱等，这些材料往往由于热机械应力载荷和环境降解而导致寿命短暂，因此，对耐高温碳纤维增强复合材料的需求与日俱增。目前树脂基体和碳纤维增强体的耐高温水平均可达到要求，但是由于碳纤维特有的表面惰性，使得未改性的商业碳纤维与树脂基体结合较弱、耐温等级低，导致碳纤维复合材料在高温环境下具有较低的界面结合强度，限制了复合材料在高温环境中的应用。一般的，复合材料的力学性能影响因素包括基体、增强体以及基体与增强体之间形成的界面，其中复合材料的界面是树脂与纤维之间应力传递的桥梁，对于复合材料的整体性能至关重要，在基体与增强都具有优异力学性能的情况下，高温环境中复合材料的失效则主要由界面失效引起，对复合材料界面的耐高温性能的研究就显得尤为重要。由于未改性的商业碳纤维的表面惰性以及上浆剂的低耐热水平，使得其与树脂之间的界面结合较差、耐温性能不佳，因此可以通过纤维表面改性来改善两者之间的界面结合强度以及界面的耐温性能，从而提高复合材料耐高温性能。目前，大量的碳纤维表面改性研究主要集中在对碳纤维表面化学刻蚀和纳米材料增强上，通过增加碳纤维表面与树脂基体的共价键作用和阻碍界面裂纹拓展，以提高复合材料的界面剪切强度。目前，碳纤维表面改性的主要方法有涂敷法、化学接枝、化学气相沉积、超分子自组装和电化学沉积等。但是面对与日俱增的碳纤维批量化应用场景，化学接枝、气相沉积、超分子自组装等都存在难以规模化的缺陷。中国专利(CN105239357A)公开了一种碳纤维表面化学接枝氧化石墨烯的方法，引入官能团解决了碳纤维表面惰性的问题，提高了碳纤维/环氧树脂界面剪切强度，然而浓酸氧化及表面氨化的碳纤维表面处理方法，对碳纤维本体性能损伤较大，而且由于大量使用强酸，不符合绿色化学的发展方向；中国专利(CN107629224A)公开了一种碳纳米管上浆剂改性碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备方法，碳纳米管的引入能有效提高界面的“桥连”作用，但是碳纳米管易于团聚，且未处理的碳管与树脂基体界面作用差，易造成应力集中。近年来，众多学者报道了关于超分子自组装、化学气相沉积等纤维改性的研究进展，但其结果仅停留于实验室层面。纤维表面电泳沉积纳米粒子是一种高效的表面改性方式，但是在传统的制备过程中，为了更多的在纤维表面沉积纳米粒子，就需要延长电泳沉积时间，然而随着时间的增大，水电解反应的热效应也会加大，导致电解液温度升高，从而影响纳米粒子的分散。同时由于水的电解会在电极处产生气泡，附着在纤维表面的气泡会严重影响纳米粒子在碳纤维上的均匀沉积。A.Hajizadeh等人(HajizadehA,AliofkhazraeiM,HasanpoorM,etal.ComparisonofElectrophoreticDepositionKineticsofGrapheneOxideNanosheetsinOrganicandAqueousSolutions[J].CeramicsInternational,2018.)分析了碳纤维表面电泳沉积石墨烯的动力学问题，研究发现石墨烯与纤维之间的结合主要是靠电场驱动使石墨烯片层在纤维表面堆积，缺乏有效的化学结合。这主要是由于纤维表面的化学惰性所导致。目前通过碳纤维表面改性来提高碳纤维复合材料界面性能的研究都集中于常温界面性能的研究，然而对于高温环境下复合材料界面性能的研究的却鲜有报导。程海霞和孙宝忠(程海霞,孙宝忠.温度对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响[J].东华大学学报:自然科学版,2016,042(003):318-322.)研究了温度对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响，证明了随着温度的升高，由于热应力的产生，复合材料的界面结合强度呈下降趋势。J.L.Thomason和L.Yang(ThomasonJL,YangL.Temperaturedependenceoftheinterfacialshearstrengthinglass–fibrepolypropylenecomposites[J].CompositesScienceandTechnology,2011,71(13):1600-1605.)利用Raghava模型对界面径向热残余应力与热膨胀系树、纤维体积含量、测试温度等之间的关系进行了分析，发现界面相的玻璃化转变温度是一个重要影响因素，但是没有提出有效的解决手段。总体来说，对于碳纤维复合材料界面的耐高温改性研究，目前主要存在以下几个技术问题：1、纳米粒子与碳纤维表面的结合力较弱，将纳米粒子引入碳纤维表面的操作不可控，损伤碳纤维自身强度，而其容易出现涂覆不均匀；2、通过碳纤维表面改性可以有效提高碳纤维复合材料的常温界面性能，但是难以实现碳纤维复合材料界面常温性能与高温性能的同步提升，3、在复合材料界面区域没有形成有效的耐高温连续相，导致复合材料的耐高温性能偏低。因此，亟需开发出一种制备具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料的方法。
技术实现思路
本专利技术通过阳极氧化与超声辅助电泳沉积法相结合在碳纤维表面高效沉积纳米粒子，之后在碳纤维表面涂敷耐高温聚合物，在纤维表面成功构筑纳米粒子/聚合物形成的多尺度高温连续界面，实现了复合材料界面耐高温性能的显著提升。为实现上述目的，本专利技术提供的一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法，其具体
技术实现思路
如下：第一步，以质量浓度为5％-10％的铵盐水溶液为电解液，以石墨为板阴极，对去胶碳纤维进行基于大电流电解原理的一步法阳极氧化快速处理，处理后的去胶碳纤维用去离子水超声洗涤去除碳纤维表面残留电解液，得到阳极氧化碳纤维；第二步，以分散均匀的纳米粒子水溶液为电解液，以石墨为板阴极，以第一步中得到的阳极氧化碳纤维为阳极，利用超声辅助恒压定向电泳方法将纳米粒子定量可控沉积在阳极氧化碳纤维表面，得到表面沉积纳米粒子碳纤维，其中通过调整纳米粒子水溶液中水溶剂与纳米粒子的质量比例控制碳纤维与纳米粒子的质量比为100:0.1-2；第三步，将第二步得到的表面沉积纳米粒子碳纤维在耐高温聚合物溶液中浸渍30-60s，通过调整溶液中溶剂与耐高温聚合物的质量比控制碳纤维与耐高温聚合物的质量比为100:1-1.5，得到涂覆耐高温聚合物碳纤维；第四步，以第三步得到的表面涂覆耐高温聚合物碳纤维为增强体，以耐高温树脂体系为基体材料，制备得到具有“沙子-水泥”特征的多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料。其中所述的铵盐水溶液为碳酸氢铵、醋酸铵、碳酸铵、硫酸铵或磷酸铵中的一种或几种的水溶液，其中铵盐水溶液的质量浓度为5％-10％；所述的纳米粒子，其结构可以是多个维度的，包括但不限于零维的氨基化二氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法，其特征在于：第一步，以质量浓度为5％-10％的铵盐水溶液为电解液，以石墨板为阴极，对无胶碳纤维进行基于大电流电解原理的一步法阳极氧化快速处理，然后用去离子水超声洗涤去除碳纤维表面残留电解液，得到阳极氧化碳纤维；第二步，以分散均匀的纳米粒子水溶液为电解液，以石墨板为阴极，以第一步中得到的阳极氧化碳纤维为阳极，利用超声辅助恒压定向电泳方法将纳米粒子定量可控沉积在阳极氧化碳纤维表面，得到表面沉积纳米粒子碳纤维，其中通过调整纳米粒子水溶液中水溶剂与纳米粒子的质量比例控制碳纤维与纳米粒子的质量比为100:0.1-2；第三步，将第二步得到的表面沉积纳米粒子碳纤维在耐高温聚合物溶液中浸渍30-60s，通过调整溶液中溶剂与耐高温聚合物的质量比控制碳纤维与耐高温聚合物的质量比为100:1-1.5，得到表面涂覆耐高温聚合物碳纤维；第四步，以第三步得到的表面涂覆耐高温聚合物碳纤维为增强体，以耐高温树脂体系为基体材料，制备得到具有“沙子-水泥”多尺度特征耐高温界面结构的碳纤维复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法，其特征在于：第一步，以质量浓度为5％-10％的铵盐水溶液为电解液，以石墨板为阴极，对无胶碳纤维进行基于大电流电解原理的一步法阳极氧化快速处理，然后用去离子水超声洗涤去除碳纤维表面残留电解液，得到阳极氧化碳纤维；第二步，以分散均匀的纳米粒子水溶液为电解液，以石墨板为阴极，以第一步中得到的阳极氧化碳纤维为阳极，利用超声辅助恒压定向电泳方法将纳米粒子定量可控沉积在阳极氧化碳纤维表面，得到表面沉积纳米粒子碳纤维，其中通过调整纳米粒子水溶液中水溶剂与纳米粒子的质量比例控制碳纤维与纳米粒子的质量比为100:0.1-2；第三步，将第二步得到的表面沉积纳米粒子碳纤维在耐高温聚合物溶液中浸渍30-60s，通过调整溶液中溶剂与耐高温聚合物的质量比控制碳纤维与耐高温聚合物的质量比为100:1-1.5，得到表面涂覆耐高温聚合物碳纤维；第四步，以第三步得到的表面涂覆耐高温聚合物碳纤维为增强体，以耐高温树脂体系为基体材料，制备得到具有“沙子-水泥”多尺度特征耐高温界面结构的碳纤维复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法，其特征在于所述的铵盐水溶液为碳酸氢铵、醋酸铵、碳酸铵、硫酸铵或磷酸铵中的一种或几种的水溶液，其中铵盐水溶液的质量浓度为5％-10％。


3.根据权利要求1所述的一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法，其特征在于所述的纳米粒子，其结构可以是多个维度的，包括但不限于零维的氨基化二氧化硅微球、一维的羧基化碳纳米管、胺基化碳纳米管、纳米纤维，二维的羧基化氧化石墨烯等其中的一种。


4.根据权利要求1所述的一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法，其特征在于所述的耐高温聚合物为具有黏附能力的耐高温聚合物，包括但不限于低分子量聚酰亚胺、低分子量聚醚酰亚胺或低分子量聚酰胺酸等其中的一种，其中低分子量指数均分子量在4000-8000g/mol之间，所述耐高温聚合物溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、三氯甲烷或丙酮中的一种或几种。


5.根据权利要求1所述的一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法，其特征在于所述的耐高温树脂体系的主体树脂为双马来酰亚胺树脂、多官能度脂环族环氧树脂、或线性酚醛环氧树脂中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾晓龙，齐鹏飞，史可，马文丽，孟柳，还献华，杨小平，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11