納米材料改性聚合物基纖維復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明特別涉及一種納米材料改性聚合物基纖維復(fù)合材料的制備方法，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國(guó)防航空航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料的性能提出了越來(lái)越多的要求。纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量等特性。碳纖維、高密度聚乙烯纖維、氧化鋁纖維等高性能增強(qiáng)體，與樹(shù)脂為基體制備的先進(jìn)復(fù)合材料是航空航天、能源、汽車(chē)等領(lǐng)域的理想材料。在纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料之中，纖維作為增強(qiáng)相，是主要承力組分，在外載荷作用下，纖維承受主要的力，而樹(shù)脂起到傳遞力的作用。以碳纖維聚合物基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能正受到越來(lái)越多的關(guān)注。
[0003]雖然纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有很多的優(yōu)勢(shì)，但其仍存在一些問(wèn)題，例如易于失效等?，F(xiàn)有纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的主要失效形式是層間斷裂，其主要原因是其層間為樹(shù)脂富余層，性能較弱。為了改善層間界面較弱這一特點(diǎn)，研宄人員提出了許多方案。例如，研宄人員發(fā)現(xiàn)，若將碳納米管以增強(qiáng)相的形式加入纖維復(fù)合材料中，可以獲得雙相增強(qiáng)纖維復(fù)合材料，并使得纖維復(fù)合材料的性能大幅度提高。其原理大致在于，纖維復(fù)合材料的界面為納米尺度，傳統(tǒng)的增強(qiáng)相無(wú)法起到有效的增強(qiáng)效果，而碳納米管同為納米尺度，且兼具優(yōu)異的力學(xué)性能，因而能有效改善纖維復(fù)合材料層間性能。
[0004]現(xiàn)有碳納米管增強(qiáng)纖維復(fù)合材料的制備方法主要有:將碳納米管分散于樹(shù)脂基體；在纖維表面電化學(xué)沉積碳納米管；CVD法在纖維表面原位生長(zhǎng)碳納米管，等等。但這些方法均有其弊端所在，例如，碳納米管難以均勻分散于樹(shù)脂基體；在纖維表面電化學(xué)沉積碳納米管的量太少；CVD法對(duì)纖維本身強(qiáng)度的損傷等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種納米材料改性聚合物基纖維復(fù)合材料的制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的一實(shí)施方案之中提供的一種納米材料改性聚合物基纖維復(fù)合材料的制備方法包括:
[0007]提供纖維基材，
[0008]在碳納米管合成裝置中合成碳納米管，并使合成的碳納米管定向沉積到纖維基材表面形成均勻碳納米管膜，獲得中間產(chǎn)物，
[0009]以及，對(duì)所述中間產(chǎn)物進(jìn)行固化成型處理。
[0010]作為較佳實(shí)施方案之一，所述制備方法還可包括:通過(guò)載氣使合成的碳納米管向纖維基材表面連續(xù)沉積，且在沉積過(guò)程中還使所述纖維基材繞一軸線勻速旋轉(zhuǎn)，所述軸線與載氣的流動(dòng)方向相垂直。
[0011]作為較為具體的實(shí)施方案之一，所述制備方法還可包括:將纖維基材固定在一接收機(jī)構(gòu)上，
[0012]將反應(yīng)源輸入碳納米管合成裝置并合成碳納米管，再以載氣驅(qū)使合成的碳納米管向纖維基材表面定向沉積，同時(shí)以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)使所述纖維基材繞所述軸線旋轉(zhuǎn)，從而在所述纖維基材表面形成均勻且連續(xù)的碳納米管膜。
[0013]進(jìn)一步的，所述碳納米管合成裝置優(yōu)選采用浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積(FCCVD)裝置，因此，可相應(yīng)采用浮動(dòng)催化裂解法合成碳納米管，包括但不限于單壁、雙壁、多壁、少壁碳納米管等。
[0014]進(jìn)一步的，所述反應(yīng)源包括但不限于乙醇、氫氣和二茂鐵中的任一種或兩種以上的組合。
[0015]進(jìn)一步的，所述載氣包括但不限于氬氣或氫氣。
[0016]在本發(fā)明的一實(shí)施方案之中，所述制備方法還可包括:將所述中間產(chǎn)物與聚合物復(fù)合并進(jìn)行固化成型處理。其中，中間產(chǎn)物與聚合物的復(fù)合方式可以是多種，例如可以通過(guò)將中間產(chǎn)物于液態(tài)聚合物或含聚合物中的液態(tài)體系中浸漬的方式使兩者復(fù)合。
[0017]進(jìn)一步的，所述纖維基材也可以采用主要由聚合物與纖維組成的復(fù)合基材，例如本領(lǐng)域所知的各種形式的預(yù)浸料。
[0018]作為較佳實(shí)施方案之一，所述纖維基材中的纖維材料上分布有用以促進(jìn)纖維材料與聚合物材料之間物理和/或化學(xué)相容性的改性基團(tuán)。
[0019]進(jìn)一步的，所述纖維基材中采用的纖維包括但不限于碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維中的任一種或兩種以上的組合。
[0020]進(jìn)一步的，所述聚合物基體包括但不限于環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、不飽和聚酯、雙馬來(lái)酰亞胺、聚酰亞胺中的任一種或兩種以上的組合。
[0021]進(jìn)一步的，所述固化成型方法包括但不限于模壓法、手糊層壓法、熱壓罐成型工藝、樹(shù)脂傳遞模塑工藝、真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑工藝和樹(shù)脂膜滲透成型工藝中的任一種或兩種以上的組合。
[0022]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，還可對(duì)纖維基材，例如纖維布等進(jìn)行裁剪處理，之后將其固定在接收機(jī)構(gòu)上。
[0023]另外，本發(fā)明的一實(shí)施方案之中還提供了一種納米材料改性聚合物基纖維復(fù)合材料的制備系統(tǒng)，其包括:
[0024]碳納米管合成裝置，用以合成并輸出碳納米管；
[0025]用以固定纖維基材的接收機(jī)構(gòu)，其中所述纖維基材設(shè)于設(shè)定位置，用以定向接收碳納米管合成裝置輸出的碳納米管；
[0026]以及，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以驅(qū)使所述纖維基材繞一設(shè)定軸線旋轉(zhuǎn)，從而使碳納米管于纖維基材表面均勻沉積。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點(diǎn):該制備方法工藝簡(jiǎn)單易操作，可控性高，例如可根據(jù)需要改變碳納米管的合成條件，獲得性能優(yōu)異的碳納米管，如單壁碳納米管、摻雜其他元素的碳納米管等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)所獲復(fù)合材料性能的有效調(diào)控，并且對(duì)設(shè)備要求低，原料廉價(jià)易得，成本低，適合工業(yè)化量產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是本發(fā)明一典型實(shí)施方案之中一種浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是本發(fā)明一實(shí)施案例之中采用的一種真空袋成型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]附圖標(biāo)記說(shuō)明:模具1、真空密封條2、真空袋3、脫模布4、復(fù)合材料5、碳納米管合成裝置(反應(yīng)爐)10、接收機(jī)構(gòu)(收集器)20、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(馬達(dá))30。
【具體實(shí)施方式】
[0031]如前所示，鑒于現(xiàn)有纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層間性能較差的問(wèn)題，本案發(fā)明人經(jīng)長(zhǎng)期研宄和大量實(shí)踐，得以提供本發(fā)明的技術(shù)方案，即，一種改良的納米材料改性聚合物基纖維復(fù)合材料的制備方法。
[0032]請(qǐng)參閱圖1所示，在本發(fā)明的一典型實(shí)施方案之中，所述制備方法包括:
[0033](I)準(zhǔn)備所需的纖維基材，例如連續(xù)纖維布，將其裁剪成一定尺寸后固定于可沉積碳納米管的接收機(jī)構(gòu)上；
[0034](2)往碳納米管合成裝置中通入反應(yīng)源合成碳納米管，在載氣的作用下，碳納米管沉積在固定于接收機(jī)構(gòu)的纖維布表面，優(yōu)選的，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，例如馬達(dá)控制接收機(jī)構(gòu)勻速旋轉(zhuǎn)，使得碳納米管在纖維布表面均勻沉積；
[0035](3)沉積一段時(shí)間后取下表面沉積有碳納米管的纖維布，并裁剪成一定尺寸，最后使用纖維復(fù)合材料的成型方法固化成型。
[0036]本發(fā)明采用碳納米管薄膜作為增強(qiáng)體，有效改善了纖維復(fù)合材料的層間性能，且無(wú)其它副作用，工藝簡(jiǎn)單可控，低