一种碳纳米管/氮掺杂改性纤维体复合材料的制备方法技术

一种碳纳米管/氮掺杂改性纤维体复合材料的制备方法，采用低成本的陶瓷粉体废料作为基体原料并辅以双相纤维体作为增强体，原料的来源更加廉价，环境友好且符合绿色产业化的要求，间接也缓解了环境治理的压力。依据三维纤维体的结构特点，本发明专利技术开创“双相互补”的复合方式，通过引入肉桂酰胺、乙二醇单甲醚等低成本试剂对纤维和前驱体溶液进行表面改性和填充处理，改善了不同纤维之间的界面结合力和分散性能，实现了熔点高、耐高温性能好的硅酸铝纤维布的叠层复合，有效地规避了二维纤维布的单一性力学缺陷，构建了具有优异力学性能的“双相纤维——树脂——廉价基体”的三维纤维复合体系。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管/氮掺杂改性纤维体复合材料的制备方法
本专利技术属于材料领域，具体涉及一种碳纳米管/氮掺杂改性纤维体复合材料的制备方法。
技术介绍
自20世纪80年代起，欧美、日等国家就投入大量的人力、物力，开展了对高温氧化物/氧化物陶瓷基复合材料应用的研究。高温氧化物/氧化物陶瓷基复合材料大多选用多晶氧化物纤维作为增强体，大致分类为硅酸铝、莫来石类纤维，具有较好的弹性模量和力学强度，但和基体材料易发生多相界面之间的强结合反应而降低材料的力学性能，由于氧化物纤维表面有稳定的氧化层作为包裹和保护，其在高温下的耐热性和抗氧化性能更为优异[WuQing.Imagingtheinterphaseofcarbonfibercompositesusingtransmissionbyfocusedionbeamandetching[J].ChineseJournalofAeronautics,2015,28(05):1529-1538.]。目前高温氧化物/氧化物陶瓷基复合材料多采用Sol—Gel法进行生产，生产技术上已经具备成型一维纺织线、二维纤维布和三维复杂形状纤维体的能力，但Sol—Gel法的生产成本高而制备周期长，因此市场中的商用高性能纤维的价格也高居不下。目前的陶瓷基复合材料仍未实现对材料结构的低成本把控，生产的模式主要以传统陶瓷生产模式为主，目前研究重点主要集中在对升温制度、陶瓷粉体的类型、纤维的长短、纤维的类别等因素上，短时间内难以取得较大的技术突破[Chenwen.DynamicMechanicalandThermalPropertiesofCross-linkedFiberComposites[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology,2010,25(05):780-784.]。近十年来，科学研究者尝试通过水溶剂热法、喷雾热解法及静电纺丝法等多种方法实现O/OCMC纤维的制备，并取得了一定的工艺上的进展，但离产量化的低成本生产仍然存在较大的技术鸿沟，如何改进晶粒的细化工艺、设计稳定的多组分相结构和实现纤维中多晶组分的均匀分布是当前亟待攻克的技术难关。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳纳米管/氮掺杂改性纤维体复合材料的制备方法，该方法通过在纤维层的界面引入改性基团，有效地改善了纤维界面的微观结构和不同组向纤维之间的力学结合作用，在宏观上展现出了优异的力学性能。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：步骤一：将硅酸铝纤维布浸泡在温度为60～80℃的聚偏氟乙烯混合溶液中热填充1～2h，然后逐滴加肉桂酰胺混合溶液调节其pH值至8～9，得到液固质量比为2～6:1的混合前驱液A；步骤二：取80～120g混合前驱液A移至磁感应反应釜中并加入5～15g碳纳米管，然后向磁感应反应釜中加入长、宽和高分别为3cm、2cm和2cm的铝片作为磁感应体，在600～1220KHz的磁感应频率和200～400℃的磁化温度下处理8～10h，将改性后的纤维体取出并于80～100℃的紫外烘箱中烘干，得到经碳纳米管表面改性的纤维体B；步骤三：在瓷舟的底面均匀平铺一层10～20g的尿素粉体后将40～80g纤维体B移至瓷舟中，将闭口的瓷舟移至真空管式炉中进行热处理后将纤维体取出，用稀硫酸混合溶液洗涤干净后烘干，得到经表面氮掺杂改性的纤维体C；步骤四：将纤维预制体C裁剪成长度约为10～15cm，宽度约为4～8cm的长方形，采用热刷涂或热喷枪喷射的方法将聚酰胺树脂混合液和裁剪过的纤维预制体结合，并将纤维预制体依次上下对齐放置并叠加至50～80层，得到纤维复合体D；步骤五：借助热压成型机将纤维复合体D置于模具之中压制成型，将模具和材料物理脱离后得到碳纳米管/氮掺杂改性纤维体复合材料。所述步骤一的硅酸铝纤维布是组合型针刺毡体，按质量比由40～60％短切原丝毡、20～40％无捻粗纱布和20～40％短切纱组合而成，组成成分按质量比含30～50％硅酸铝、20～40％氧化锆、20～40％氧化钛和10～30％氧化铍。所述步骤一的聚偏氟乙烯混合溶液按体积比由50～70％乙二醇单甲醚、10～20％聚偏氟乙烯和20～40％去离子水混合组成。所述步骤一的肉桂酰胺混合溶液按质量比由40～60％肉桂酰胺、20～40％氢氧化钾和20～40％去离子水混合组成。所述步骤三热处理制度设置如下：从室温开始，以8℃/min的升温速率升温至100℃，再以3℃/min的升温速率升温至320℃保温20～40mins，保温阶段结束后随炉自然冷却至室温。所述步骤三稀硫酸混合溶液按体积比由40～60％稀硫酸、20～40％硅溶胶和20～40％去离子水混合组成。所述步骤三用稀硫酸混合溶液洗涤5～8次并在60～90℃烘干。所述步骤四聚酰胺树脂混合液的温度为80～100℃，按体积比由40～60％聚酰胺树脂、10～30％聚乙烯醇和30～50％去离子水混合组成。所述步骤五热压成型机型号为SYD-0704，成型的温度为80～120℃，成型压力为120～160MPa，成型周期为30～90mins。相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：本专利技术采用低成本的陶瓷粉体废料作为基体原料并辅以双相纤维体作为增强体，和目前市场上已实现产业化生产的陶瓷复合材料相比，本专利技术可以直接选用建材加工废料作为原料，因此原料的来源更加廉价，环境友好且符合绿色产业化的要求，间接也缓解了环境治理的压力。依据三维纤维体的结构特点，本专利技术开创“双相互补”的复合方式，通过引入肉桂酰胺、乙二醇单甲醚等低成本试剂对纤维和前驱体溶液进行表面改性和填充处理，改善了不同纤维之间的界面结合力和分散性能，实现了熔点高、耐高温性能好的硅酸铝纤维布的叠层复合，有效地规避了二维纤维布的单一性力学缺陷，构建了具有优异力学性能的“双相纤维——树脂——廉价基体”的三维纤维复合体系。本专利技术的生产工序简易，具有实现大规模产业化生产的潜力，同时原料的来源广，成本也较为低廉，环境友好，所制备出的复合材料密度大，化学稳定性好，抗热震性能强，具有优异的力学性能和广阔的应用前景。本专利技术还具有以下五方面的有益效果：(一)采用聚偏氟乙烯多组分混合溶液在对硅酸铝纤维布进行初步致密化填充的同时，将肉桂酰胺改性溶剂也均匀渗入到了纤维体的内部，在碱性环境下加速了氨基基团在硅酸铝纤维布表面的复合过程，提升了界面反应的效率，调整了纤维内部多元基团的分布，有利于和后续步骤中树脂的紧密结合，优化了纤维体内部的三维空间结构；(二)创新性的在纤维体表面和内部引入多孔碳纳米管作为官能团的承载体，借助磁感应固相反应实现了对多孔碳纳米管表面的刻蚀，同时也将多孔碳纳米管均匀引入到了纤维体的内部，提升了纤维体的比表面积的同时，为有机官能团的引入及氮元素的掺杂提供了更多的空间点位，可以有效的改善纤维体内部的晶格缺陷分布，提升了纤维体的综合力学性能，保障了三维纤维体在高温下的增强增韧效果；(三)依据尿素的分解作用在碳纳米管的表面和内部引入氮元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管/氮掺杂改性纤维体复合材料的制备方法，包括以下的步骤：/n步骤一：将硅酸铝纤维布浸泡在温度为60～80℃的聚偏氟乙烯混合溶液中热填充1～2h，然后逐滴加肉桂酰胺混合溶液调节其pH值至8～9，得到液固质量比为2～6：1的混合前驱液A；/n步骤二：取80～120g混合前驱液A移至磁感应反应釜中并加入5～15g碳纳米管，然后向磁感应反应釜中加入长、宽和高分别为3cm、2cm和2cm的铝片作为磁感应体，在600～1220KHz的磁感应频率和200～400℃的磁化温度下处理8～10h，将改性后的纤维体取出并于80～100℃的紫外烘箱中烘干，得到经碳纳米管表面改性的纤维体B；/n步骤三：在瓷舟的底面均匀平铺一层10～20g的尿素粉体后将40～80g纤维体B移至瓷舟中，将闭口的瓷舟移至真空管式炉中进行热处理后将纤维体取出，用稀硫酸混合溶液洗涤干净后烘干，得到经表面氮掺杂改性的纤维体C；/n步骤四：将纤维预制体C裁剪成长度约为10～15cm，宽度约为4～8cm的长方形，采用热刷涂或热喷枪喷射的方法将聚酰胺树脂混合液和裁剪过的纤维预制体结合，并将纤维预制体依次上下对齐放置并叠加至50～80层，得到纤维复合体D；/n步骤五：借助热压成型机将纤维复合体D置于模具之中压制成型，将模具和材料物理脱离后得到碳纳米管/氮掺杂改性纤维体复合材料。/n...

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管/氮掺杂改性纤维体复合材料的制备方法，包括以下的步骤：
步骤一：将硅酸铝纤维布浸泡在温度为60～80℃的聚偏氟乙烯混合溶液中热填充1～2h，然后逐滴加肉桂酰胺混合溶液调节其pH值至8～9，得到液固质量比为2～6：1的混合前驱液A；
步骤二：取80～120g混合前驱液A移至磁感应反应釜中并加入5～15g碳纳米管，然后向磁感应反应釜中加入长、宽和高分别为3cm、2cm和2cm的铝片作为磁感应体，在600～1220KHz的磁感应频率和200～400℃的磁化温度下处理8～10h，将改性后的纤维体取出并于80～100℃的紫外烘箱中烘干，得到经碳纳米管表面改性的纤维体B；
步骤三：在瓷舟的底面均匀平铺一层10～20g的尿素粉体后将40～80g纤维体B移至瓷舟中，将闭口的瓷舟移至真空管式炉中进行热处理后将纤维体取出，用稀硫酸混合溶液洗涤干净后烘干，得到经表面氮掺杂改性的纤维体C；
步骤四：将纤维预制体C裁剪成长度约为10～15cm，宽度约为4～8cm的长方形，采用热刷涂或热喷枪喷射的方法将聚酰胺树脂混合液和裁剪过的纤维预制体结合，并将纤维预制体依次上下对齐放置并叠加至50～80层，得到纤维复合体D；
步骤五：借助热压成型机将纤维复合体D置于模具之中压制成型，将模具和材料物理脱离后得到碳纳米管/氮掺杂改性纤维体复合材料。


2.根据权利要求1所述的碳纳米管/氮掺杂改性纤维体复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一的硅酸铝纤维布是组合型针刺毡体，按质量比由40～60％短切原丝毡、20～40％无捻粗纱布和20～40％短切纱组合而成，组成成分按质量比含30～50％硅酸铝、20～40％氧化锆、20～40％氧化钛和10～30％氧化铍。


3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹丽云，钟辛子，黄剑锋，欧阳海波，张文渊，李哲源，李晓艺，马洪敏，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61