[发明专利]一种碳纤维增强高分子基复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种碳纤维增强高分子基复合材料的制备方法及应用，将无机化合物所需要的盐溶液置于反应釜内，并在反应釜内放置用于感应交变磁场的基体材料，将反应釜密封后置于水热感应加热设备中，然后将反应釜冷却至室温，将负载有无机化合物的基体材料取出，清洗、干燥；最后对其进行热压成型，即可。本发明将水热感应加热技术应用于碳纤维的表面接枝，克服碳纤维的表面惰性带来的不易与其他组分相结合的缺点。此外，在交变磁场的作用下，碳纤维的高温促使多种纳米材料在其表面的生长，为碳纤维和树脂结合提供了更多的齿合位点，改善了它们之间的界面结合和复合材料的机械性能。

【技术领域】

本发明属于复合材料的制备技术领域，涉及一种碳纤维增强高分子基复合材料的制备方法及应用。

【背景技术】

碳纤维因其优异的综合性能(高的比模量和强重比、低热膨胀、高电导率、高导热、耐磨以及耐高温等)而常被用作高分子基复合材料的增强材料[周曦亚编.复合材料.北京：化学工业出版社,2005.01.]。然而因碳纤维表面能小，与树脂基体的浸润性差、界面结合性能差等缺点，由其制备的复合材料的力学性能往往与理论值相差较大[Choi I,LeeDG.Surface modification of carbon fiber/epoxy composites with randomlyoriented aramid fiber felt for adhesion strength enhancement.Composites PartA:Applied Science and Manufacturing.2013；48:1-8.]。

因此，适当对碳纤维表面进行处理，能够在很大程度上提高碳纤维与高分子基体的界面结合。国内外学者针对碳纤维表面的结构特点，提出了多种方法对碳纤维表面进行处理，主要可分为氧化法、等离子体处理法、涂层法以及纳米颗粒改性法等[刘保英，王孝军，杨杰，等.碳纤维表面改性研究进展[J].化学研究，2015，26(2)：111-120.]。氧化法主要包括液相氧化法、气相氧化法和电化学氧化法等，主要机理为在氧化剂的作用下，碳纤维的暴露面产生许多具有亲水性能的含氧极性官能团，其与高分子能够发生很好地结合，但是碳纤维的强度会出现下降。等离子体处理的机理是利用等离子体发生器产生的等离子体轰击碳纤维表面，从而增加纤维暴露面的粗糙程度和表面积，并在纤维表面产生含氧极性官能团，从而提高纤维和高分子基体相互之间的浸润性[Ma K,Wang B,Chen P,et al.Plasmatreatment of carbon fibers:Non-equilibrium dynamic adsorption and its effecton the mechanical properties of RTM fabricated composites[J].Applied SurfaceScience,2011,257(9):3824-3830.]。由于碳纤维表面受到了损伤，因而其强度在一定程度上也会出现下降。涂层法是在碳纤维表面制备一种能够与碳纤维和高分子发生物理化学反应的，具有一定厚度、结构和剪切强度的中间层，进而增强复合材料的界面强度，常见的处理方法有偶联剂涂层法、溶胶凝胶法、上浆剂涂层法和气相沉积法等，然而这些方法相对比较复杂。

由于纳米颗粒的引入能够大大地改善复合材料的各项性能(包括摩擦学性能和机械性能等)，纳米颗粒获得了复合材料领域研究者的广泛关注。在复合材料领域，纳米颗粒的引入主要可分为：机械共混法、纤维表面接枝和沉积法等。采用机械共混法和沉积法只能将已合成的纳米颗粒通过物理手段引入到复合材料材料中，这易于导致纳米颗粒发生团聚。此外，由于界面结合的提高主要是依靠纳米尺寸效应来实现，因而这种结合是弱的。。

因此，寻找一种工艺简单易控、在不损害碳纤维本身结构的前提下还能获得优异界面结合的，并且能实现一步法在碳纤维表面生长纳米颗粒的制备方法显得非常有意义。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种碳纤维增强高分子基复合材料的制备方法及应用，这种方法工艺简单易控，能够一步实现纳米材料在碳纤维上的合成和生长，并能够有效改善复合材料中各组分之间的界面结合。