[发明专利]一种提高纤维增强树脂基复合材料层间韧性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维增强树脂基复合材料的制备方法，尤其是一种通过原位富集纳米粒子提高纤维增强树脂基复合材料层间韧性的制备方法，属于先进聚合物基复合材料制造技术领域。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切或连续纤维及其织物与热固性或热塑性树脂基体复合而成，因为异质材料的复合，纤维与基体之间界面性能的好坏将直接影响复合材料的最终性能和功能，这也是目前该领域亟待解决的重点和难点。为了提高纤维增强树脂基复合材料的界面性能，主要体现在层间韧性的改善上，人们采取了多种改进措施，主要包括树脂改性、添加增强颗粒（纳米、亚微米、微米级）、纤维表面改性、纤维混杂和织物增强等。其中，添加纳米增强颗粒到纤维增强树脂基复合材料中以提高其综合力学性能的方法具有较高的性价比和可操作性，受到科学界和工业界的重点关注。

一般而言，在保证良好分散性的前提下，填充颗粒的含量越高，材料的性能也越好。然而，由于填充颗粒往往具有较小的尺寸，尤其是纳米颗粒还具有较大的比表面积，在树脂基体中容易团聚而难以有效地分散，这增加了复合材料产生缺陷的风险。所以为了获得较好的分散性，往往只能以低含量填充（纳米颗粒填充含量一般＜5wt%），无法同时实现良好分散性与高含量兼顾以充分发挥纳米颗粒的增强增韧作用。中国专利CN101613944B报道了利用液体成型技术提高碳纤维增强树脂基复合材料抗冲击性能的方法，但是该专利直接将纳米粒子加入树脂体系中，导致树脂体系粘度的急剧增加，不但不能实现高含量纳米粒子的填充，而且还不利于生产过程中树脂对增强体的浸润和充模过程。中国专利CN101284423B报道了利用液体成型技术制备一种碳纳米管/碳纤维多尺度混杂复合材料的方法，但是该专利只能得到较低含量的碳纳米管，而且利用电场诱导制备预成型体和超声辅助分散碳纳米管的方法增加了工艺实现的难度，不利于该专利成果的推广应用。

最近，基于“离位增韧”的思想来提高复合材料层间韧性的方法也颇有成效。它主要是将纳米粒子和树脂基体组分分离，以有利于发挥各自组分的功能，同时减少对工艺的影响。中国专利CN101423618 B提出了一种以四针状氧化锌晶须作为层间增强体改性连续纤维复合材料的制备方法，将无机刚性异构三维晶须预先铺放在织物上，以物理“锚接”的连接方式提高复合材料层间的强-韧化性能。但是直接将增强颗粒以机械分散方式铺放在织物上，不利于高比表面积的纳米粒子的有效分散，这也会严重影响纳米粒子的增强增韧功能。同时，由于织物纤维之间的空隙尺寸较大，不能有效地截留纳米粒子，还将导致加工过程中树脂对附着在织物上的纳米粒子的严重冲刷作用而降低纳米粒子的填充量。中国专利CN102516569 A报道了将碳纳米管无纺布直接插层进入到纤维增强热固性树脂基复合材料的层间富树脂区域，可以提高复合材料层间的强-韧化性能。但是，目前大面积、超薄碳纳米管无纺布利用抽滤法制备还是比较困难的，不利于与现有工艺配合，而且直接插层碳纳米管无纺布也增加了制作成本和产品的重量，制约了该专利的推广应用。

综上所述，纳米粒子的加入可以有效地提高复合材料的层间韧性，从目前已经公开的文献资料上分析，人们的关注点主要集中在对不同种类的纳米粒子的开发上，而在如何提高纳米粒子填充含量的研究上还鲜有报道，缺少一种普适的制备方法。

发明内容

本发明针对现有工艺在制备纳米粒子改性纤维增强树脂基复合材料层间韧性方面的不足，提出一种能够保证纳米粒子良好分散性的情况下通过原位富集纳米粒子以大幅提高其填充含量的制备方法，最终实现复合材料层间性能的进一步提高。

本发明提供的技术方案之一为：

（1）将一定量纳米粒子均匀分散在树脂或溶剂中，制取浸胶液；

（2）将步骤（1）制取的浸胶液均匀涂覆到增强材料上，待溶剂挥发干净后，接着将增强材料制成预成型体；

（3）选择具有微米或纳米级孔径的滤膜密封包覆整个预成型体，合模，对模具抽真空。

本发明提供的技术方案之二为：

完成前述步骤（3）后，采用液体成型工艺对预成型体进行树脂二次充模和浸润，最后固化成型。

前述步骤（1）中，所述纳米粒子包括纳米SiO2、碳纳米管、纳米碳纤维、纳米石英粉、纳米滑石粉、纳米石棉粉、纳米云母粉及其它金属氧化物和有机类的纳米颗粒及其改性物，含量＜5wt%；所述树脂为酚醛、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、不饱合树脂、乙烯基树脂及其改性体系的任何组合；所述溶剂为丙酮、乙醇、水及其任何组合。