一种含纤维预浸料的功能结构一体化复合材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种含纤维预浸料的功能结构一体化复合材料的制备方法及其应用，属于功能结构一体化复合材料制备技术领域。首先，利用静电纺丝工艺制备含功能性纳米粒子的复合纳米纤维，作为功能层。其次，利用平铺法制备5

【技术实现步骤摘要】
一种含纤维预浸料的功能结构一体化复合材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于功能结构一体化复合材料制备
，涉及一种含纤维预浸料的功能结构一体化复合材料制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]复合材料由于优异的性能受到许多行业的青睐，通过选用不同的树脂基体，或在其中加入不同添加剂，可以赋予预浸料及复合材料具备不同的功能。目前主要应用有公共场所阻燃材料、飞行器吸波隐身材料、防弹材料以及介电材料等。但是传统复合材料制备过程复杂，污染性大、综合性能差，因此随着电子通信技术和战斗隐身技术的不断发展，发展多功能、多品种、多用途以及高性能的功能结构一体化成型的复合材料迫在眉睫。
[0003]现阶段，专利【CN 103147226A，一种制备聚合物基高介电纳米复合材料的方法】是通过将聚合物基体溶液进行静电纺丝，同时将填料粒子悬浮液进行静电喷雾，采用共同的接收装置同时接收静电纺丝和静电喷雾的产物，得到复合纤维，该复合纤维最后经热压加工工艺制备得到填料粒子均匀分散的聚合物基高介电纳米复合材料。但复合纳米纤维制备过程能耗大，工艺复杂。专利【CN110863299A，一种压电BaTiO3/Fe3O4/PAN静电纺丝吸波的制备及应用】介绍了一种BaTiO3/Fe3O4/PAN静电纺丝吸波，将纳米纤维与碳纤维预浸料混杂铺层后采用压机热压方式固化成复合材料，但其在低频下有效吸收波段过小。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种含纤维预浸料的功能结构一体化复合材料制备方法及其应用。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种含纤维预浸料的功能结构一体化复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一，利用静电纺丝工艺制备含功能性纳米粒子的复合纳米纤维，作为功能层。
[0008]1.1)配制静电纺丝溶液。
[0009]室温下，在10
‑
100重量份有机溶剂中加入1
‑
10重量份聚合物材料，再加入1
‑
10份功能性纳米粒子，并搅拌至完全溶解，得到均匀、稳定的纺丝溶液。
[0010]1.2)采用静电纺丝工艺制备静电纺丝纳米纤维。
[0011]室温下，将步骤一得到的纺丝溶液放置于静电纺丝机的注射器中，设置静电纺丝机的加工参数，纺丝得到含功能性纳米粒子的单层静电纺丝纳米纤维层厚度为0.5mm
‑
1.5mm，5
‑
10层叠加复合后作为功能层。
[0012]步骤二，利用平铺法制备5
‑
20层的结构层。
[0013]将5
‑
20层份的碳纤维预浸料按特定方向(0
°
、45
°
、90
°
、
‑
45
°
、
‑
90
°
、180
°
等)排列粘贴堆叠到一起，得到碳纤维预浸料，作为结构层。
[0014]步骤三，采用真空罐热压方式，将功能层和结构层通过平铺方法进行结合。
[0015]3.1)在模具上喷涂脱膜剂后，将整个结构层平铺在模具上表面，再在结构层上表面依次平铺复合纳米纤维层(功能层)，并在相邻复合纳米纤维层之间均匀涂覆树脂混合物。再将上述组合后的模具与其他真空罐热压结构封装，得到封装结构，进行后续真空加压。
[0016]所述封装方式具体为：所述的其他真空罐热压结构包括隔离层、透气毡、真空袋、导气槽、密封粘结剂、密封圈和模具。依次将模具、步骤二中的结构层、步骤一中5
‑
10层纳米纤维功能层、隔离层、透气毡平铺后置于真空袋中压实封装，其中真空袋外侧边缘涂覆2
‑
4层密封粘结剂和密封胶圈，将导气槽位于模具与预浸料中间位置，并用密封胶圈封死，然后抽真空加压。
[0017]3.2)将步骤3.1)的封装结构置于真空热压罐中固化成型，分7段式成型固化工艺，脱模后得到功能结构一体化纳米纤维的复合材料；所述的成型固化工艺参数具体为：成型温度为室温
‑
160℃之间，固化压力200
‑
500kPa，固化时间为12
‑
36h。所述的复合材料厚度为0.5
‑
5mm。
[0018]所述的7段式成型固化工艺具体为：
①
从室温升温至100℃，升温时间35min；
②
100℃保温60min；
③
从100℃升温至135℃，升温时间为15min；
④
135℃保温120min；
⑤
从135℃升温至160℃，升温时间为15min；
⑥
160℃保温35min；
⑦
160℃降温至室温，降温时间为120min，最后降至常温常压后开舱取出。
[0019]步骤四，功能及结构层固化成型复合材料的性能验证。
[0020]脱模后，可将复合材料剪切成特定形状，测试复合材料的综合性能：包含复合材料孔隙率、吸水性、力学性能(拉伸性能、压缩性能、剪切强度及模量、层间剪切强度)、韧性、电热性、阻燃性、红外隐身性、吸波性以及抗疲劳性能，结果：功能结构一体化复合材料的吸波等性能较现有材料均有明显提升。
[0021]进一步的，所述步骤1.1)中，所述有机溶剂为N
‑
N二甲基甲酰胺、苯酚、甲苯、硫酸或水中的任意一种；所述聚合物为聚丙烯腈(PAN)、聚氨酯(PU)、聚苯胺(PANi)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等任意一种。所述功能性纳米粒子包含单质Fe、Co、Ni、Sn、Cu、Al、W、Mo、Cr、V及Fe
‑
Ni、Fe
‑
Co、Fe
‑
Sn、Ni
‑
Si等合金系纳米粒子；碳材料(石墨烯、碳纳米管、碳纳米角)；多形态Si及Si基(Si
‑
C、Si
‑
Fe)纳米粉体；碳包覆金属Fe@C、Sn@C、Ni@C、合金Fe
‑
Ni@C、Fe
‑
Co@C和SnS2@C、FeN3@C等各类纳米胶囊；异质氧化物(SiO2、TiO2、Al2O3、MnO、V2O5、Y2O3、CeO2等)包覆金属纳米复合粒子；以金属纳米粒子为前驱体形成的氮化物、碳化物等纳米陶瓷材料以及硫化物、磷化物、氢化物等纳米粒子材料的任意一种或多种混合。
[0022]进一步的，所述步骤1.2)中，加工参数具体为：注射器的不锈钢针头的内径为0.4mm
‑
1.6mm；针头到收集器的距离为10
‑
20cm；静电场电压为
‑
10kV
‑
20kV，纺丝溶液的推助速度为1
‑
5mL/h，接收方式为滚筒接收，滚筒转速500
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含纤维预浸料的功能结构一体化复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，利用静电纺丝工艺制备含功能性纳米粒子的复合纳米纤维，作为功能层；步骤二，利用平铺法制备5
‑
20层的结构层；将5
‑
20层份的碳纤维预浸料按特定方向0
°
、45
°
、90
°
、
‑
45
°
、
‑
90
°
、180
°
排列粘贴堆叠到一起，得到碳纤维预浸料，作为结构层；步骤三，采用真空罐热压方式，将功能层和结构层通过平铺方法进行结合；3.1)在模具上喷涂脱膜剂后，将整个结构层平铺在模具上表面，再在结构层上表面依次平铺复合纳米纤维层，作为功能层，并在相邻复合纳米纤维层之间均匀涂覆树脂混合物；再将上述组合后的模具与其他真空罐热压结构封装，得到封装结构，进行后续真空加压；3.2)将步骤3.1)的封装结构置于真空热压罐中固化成型，分7段式成型固化工艺，脱模后得到功能结构一体化纳米纤维的复合材料；所述的成型固化工艺参数具体为：成型温度为室温
‑
160℃之间，固化压力200
‑
500kPa，固化时间为12
‑
36h；所述的复合材料厚度为0.5
‑
5mm。2.根据权利要求1所述的一种含纤维预浸料的功能结构一体化复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：1.1)配制静电纺丝溶液；室温下，在10
‑
100重量份有机溶剂中加入1
‑
10重量份聚合物材料，再加入1
‑
10份功能性纳米粒子，并搅拌至完全溶解，得到均匀、稳定的纺丝溶液；1.2)采用静电纺丝工艺制备静电纺丝纳米纤维；室温下，将步骤一得到的纺丝溶液放置于静电纺丝机的注射器中，设置静电纺丝机的加工参数，纺丝得到含功能性纳米粒子的单层静电纺丝纳米纤维层厚度为0.5mm
‑
1.5mm，5
‑
10层叠加复合后将作为功能层。3.根据权利要求2所述的一种含纤维预浸料的功能结构一体化复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1)中，所述有机溶剂为N
‑
N二甲基甲酰胺、苯酚、甲苯、硫酸或水中的任意一种；所述聚合物为聚丙烯腈、聚氨酯、聚苯胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯中任意一种。4.根据权利要求2所述的一种含纤维预浸料的功能结构一体化复合材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄昊，李红盛，吴爱民，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：