[发明专利]一种高取向碳纳米管复合预制体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管复合预制体的制备方法，尤其涉及一种高取向碳纳米管复合预制体的制备方法。

背景技术

自1991年日本电镜专家Iijima发现碳纳米管(CNTs)以来，不同领域的专家们对这种独特的一维石墨结构产生了浓厚的兴趣。碳纳米管具有极高的拉伸强度、弹性模量和弹性变形，其综合性能高于任何已发现的传统材料。例如单壁碳纳米管的模量高达1TPa（约为钢的5倍），其拉伸强度普遍分布于50～200GPa，并且单壁碳纳米管的密度只有1.2g/cm³左右。因此，碳纳米管复合材料较目前的高性能碳纤维复合材料更轻、更强。此外，碳纳米管具有优异电、导热和热稳定性能，故碳纳米管复合材料被认为是最具潜力替代碳纤维复合材料同时实现结构/功能一体化的下一代先进复合材料。

现有技术大多采用颗粒填充树脂的形式来制备碳纳米管复合材料，但受到碳纳米管难分散和无规分布的影响其复合材料的性能远低于预期水平。目前已经发展出许多碳纳米管分散技术，如超声、三辊研磨、球磨和螺杆挤出，然而利用这些技术很难制备分散良好的高碳纳米管含量复合材料，并且随着碳纳米管含量的增加体系的粘度大幅度提高，对成型工艺产生影响。碳纳米管取向排布可有效改善该类材料的力学性能，降低孔隙率，提高材料致密度。针对提高碳纳米管的取向度，也发展出许多相关技术，如电场法、磁场法和流体法。然而，这些方法得到的碳纳米管取向度较差，同时较低的碳纳米管含量限制了碳纳米管高性能的发挥。因此，迫切需要一种有效的简便技术来制备兼具高取向和高含量的碳纳米管材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效的、操作简便的方法来制备高取向碳纳米管复合预制体。为了实现这一目的，本发明采用以下技术方案：

第一步，准备无规取向的碳纳米管薄膜，该薄膜可以采用气相沉积等方法进行制备；该薄膜由几十至几百层厚度不低于0.1μm的碳纳米管薄层构成，碳纳米管在薄膜面内二维分布，无规取向，不沿厚度分布；

第二步，将所述的无规取向的碳纳米管薄膜与树脂进行复合制备成碳纳米管复合预制体；

第三步，对碳纳米管复合预制体牵伸处理来提高碳纳米管取向度，由于浸渍树脂增加了碳纳米管间的相互作用，其牵伸率可高达30%～45%，牵伸在温度箱内进行，加热温度应低于树脂凝胶温度20℃以上。

根据取向度要求，可以对碳纳米管复合预制体进行二次牵伸。如需进行二次牵伸获得更高取向度，需先对一次牵伸后的碳纳米管复合预制体进行热压处理，消除一次牵伸造成的孔隙等。热压处理的温度应低于树脂固化温度20℃以上，压力为0.5～2MPa，通过热压处理可以降低碳纳米管薄膜的厚度，同时密实碳纳米管复合预制体。所述二次牵伸的牵伸率低于第一次牵伸的牵伸率。一般二次牵伸的牵伸率为5～15%。

本发明的优点在于：

（1）本发明制备的碳纳米管复合预制体具有优异的力学性能、导热性能和导电性能，在结构材料、电子器件导热和电磁屏蔽等领域具有非常广阔的应用前景。

（2）本发明提供的碳纳米管复合预制体，增加了碳纳米管之间的相互作用，碳纳米管复合预制体经过二次牵伸后，牵伸率可高达55%。

（3）本发明制备的碳纳米管复合预制体具有高取向度，由极化拉曼光谱测定的取向度（I_G///I_G⊥）可达到9.8。

（4）本发明制备的碳纳米管复合预制体具有高碳纳米管含量，碳纳米管质量百分含量40%～65%。

（5）本发明制备的高取向碳纳米管复合预制体具有优异的力学性能，经过两次牵伸处理后的碳纳米管复合预制体的断裂伸长率为3.7%，拉伸强度达到965MPa。

(6)本发明牵伸后的高取向碳纳米管复合预制体可直接固化制备成复合材料薄膜，克服了高取向碳纳米管膜孔隙尺寸极小，树脂难于浸渍的问题。

附图说明

图1为初始无规取向的碳纳米管薄膜表面形貌；

图2为一次牵伸（牵伸率30%）后碳纳米管复合预制体的表面形貌；

图3为实施例中经过两次牵伸后的碳纳米管复合预制体表面形貌；

图4为实施例中制备的高取向碳纳米管环氧预制体应力-应变曲线。

具体实施方法

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供一种高取向碳纳米管复合预制体及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：