[发明专利]一种绝缘层包覆碳纳米管取向吸附碳纤维预浸料的制备

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料的制备领域，特别涉及一种绝缘层包覆碳纳米管取向吸附碳纤维/环氧树脂预浸料的制备方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、耐疲劳、耐腐蚀以及尺寸稳定高等一系列优异性能，广泛用于航空、航天、汽车、能源和运动器材领域，特别是在航空、航天领域的应用与日俱增。但碳纤维表面惰性大，活性官能能团少，与基体的粘结性差，复合材料界面存在大量的缺陷。而且，碳纤维复合材料的良好力学性能都集中在沿纤维的轴向，垂直于纤维方向的增强作用较弱，导致复合材料的层间力学性能差，不能最大程度的满足航空、航天领域对于材料性能的需求。

自从碳纳米管被发现和大批量制备以来，以其纳米级直径、高长径比，成为先进复合材料的理想增强体。当前利用碳纳米管改善复合材料横向力学性能已经成为研究的热点，一些研究人员成功制备了碳纳米管多尺度增强的碳纤维复合材料，并对复合材料的性能变化进行了分析，研究结果表明垂直于纤维方向存在的碳纳米管具有较高的增强作用。目前制备垂直取向碳纳米管增强碳纤维复合材料的方法主要有两种：一种方法是使碳纳米管直接生长在碳纤维表面，例如胡志辉等（专利公开号 CN102351166 A）对碳纤维进行活化处理，使催化剂附着在碳纤维表面，从而在碳纤维表面生长出阵列状碳纳米管，虽然该复合材料的界面强度得到提高，但这种方法对碳纤维本身的拉伸强度有所损伤，且工艺条件复杂，还只是停留在实验室阶段；另一种方法是用化学气相沉积（CVD）技术制备阵列排布的碳纳米管，例如崔屾等（专利公开号 CN101348901 A）发明了利用环己烷作为碳源，以CVD法制备阵列碳纳米管，将其添加到复合材料的层间，通过模压、热压罐或树脂传递模塑（RTM）工艺制备具有“三明治”夹层结构的复合材料，这种方法对复合材料横向的力学性能有所改善，但缺点是制备的阵列排布碳纳米管受模版限制，因而面积很小，CVD法所需温度需要高于600℃，工艺复杂，成本高，难以实现大规模应用。

为解决现有垂直取向碳纳米管制备方法的不足，更有效地提高复合材料的层间力学性能，本发明利用电荷同性相斥异性相吸的物理特性，将绝缘层包覆的碳纳米管置于连接正极的铜板上，碳纤维/环氧树脂预浸料连接负电极。施加电压后，可使碳纳米管垂直取向吸附到预浸料表面，在预浸料表面呈阵列状排列。可以明显改善复合材料的弯曲、压缩与层间断裂韧性。

对比已有的碳纳米管增强碳纤维复合材料的制备方法，本发明技术操作简便，可显著提高碳纤维复合材料的压缩强度、弯曲强度和层间断裂韧性，易于在实际生产中推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绝缘层包覆碳纳米管取向吸附碳纤维/环氧树脂预浸料的制备方法，具体技术内容如下：

一种绝缘层包覆碳纳米管取向吸附碳纤维/环氧树脂预浸料的制备方法，其特征在于，包括以下组分和步骤：组分1：多壁碳纳米管，包括表面未经处理的普通多壁碳纳米管和表面接枝氨基的多壁碳纳米管。表面接枝氨基的多壁碳纳米管可由羧基化多壁碳纳米管经酰氯化和氨基化的化学处理得到，该工艺属于本领域的公知成熟技术；组分2：优选的无机绝缘包覆材料，包括异丙醇铝或偏铝酸钠；组分3：碳纤维/环氧树脂单向预浸料；步骤I：将组分1加入组分2中，球磨处理1~3小时，得到均匀的粉末状混合物，其中组分2与组分1的质量比为10:1~20:1，球磨后碳纳米管的长径比控制在50~300之间；步骤Ⅱ：将步骤I所得粉末状混合物在去离子水中搅拌均匀，然后加热至250℃，水解得到绝缘层包覆的碳纳米管其中，其中去离子水与组分2的质量比为5:1~10:1；步骤Ⅲ：将绝缘层包覆的碳纳米管研磨，均匀喷洒在连接正极的铜板上，将裁剪成一定尺寸的碳纤维/环氧树脂预浸料连接负极，施加电压，控制电场强度为10~25 kV/cm，使碳纳米管垂直取向吸附到预浸料表面，在预浸料表面呈阵列状排列，控制静电吸附时间为15~45 min，得到表面吸附不同含量碳纳米管的碳纤维/环氧树脂预浸料，碳纳米管吸附层的厚度为20~80μm。

碳纤维/环氧树脂预浸料经过绝缘层包覆碳纳米管的取向吸附后，可显著提高碳纤维复合材料的弯曲、压缩强度和层间断裂韧性。同时，碳纳米管的加入不影响复合材料的加工工艺，垂直于碳纤维方向取向的碳纳米管在复合材料层间的含量可控，可有效改善界面性能。该技术操作简便，易于在实际生产中推广应用。