[发明专利]一种碳纤维复合材料的制备方法

说明书

碳纤维复合材料的制备方法包括：将芳香族二元酐与有机二元胺在极性质子溶剂中制得芳稠环分子质量份数为1％～5％的芳稠环分子溶液；将碳纳米材料加至芳稠环分子溶液中，超声分散，将pH值调为5～9，制得碳纳米材料质量浓度为0.3～0.9mg/mL的分子组装液；将未上浆的碳纤维在分子组装液中浸渍，真空干燥，在碳纤维表面形成模量过渡层；将含模量过渡层的碳纤维与树脂体系预浸复合，按固化温度加热，制得碳纤维复合材料。通过在碳纤维表面构筑碳纳米材料/芳稠环组装体，提高了碳纤维复合材料的界面相模量，使得碳纤维与树脂基体的模量平稳过渡，且树脂基体能充分浸润过渡层，实现碳纤维与树脂基体的机械啮合和化学键结合，改善碳纤维复合材料的界面粘结性能。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料的制备方法。

背景技术

碳纤维是由片状石墨微晶沿着纤维轴向堆砌而成的类石墨结构，表面粗糙度低，化学惰性大，与树脂基体的粘结性差，商业化碳纤维表面一般涂覆一层上胶剂，作为连接纤维和树脂基体的界面相和传递载荷的“桥梁”，但由于碳纤维和树脂基体的模量差异过大，并不利于应力在碳纤维与树脂基体之间均匀传递。

为使碳纤维和树脂基体之间的模量平稳过渡，文献(应用表明科学，2015，347，583-590)以碳纳米管(CNTs)与碳纤维表面的物理吸附形成界面相模量过渡层，但是CNTs团聚导致应力集中，复合材料容易发生界面脱粘破坏。

中国专利(CN104884511A)以相容性优于环氧树脂的聚芳酰胺刚性聚合物在碳纤维构筑了界面过渡相，但是需要通过韧性的迁移剂形成刚性聚合物的溶度梯度，才能使界面相模量平稳过渡，该方法工艺繁琐且无法保证稳定性。

发明内容

为了提高碳纤维复合材料的界面相模量，改善碳纤维复合材料的界面粘结性能。本发明提供了一种碳纤维复合材料的制备方法。

本发明提供的碳纤维复合材料的制备方法，包括：将芳香族二元酐与有机二元胺在极性质子溶剂中，制得芳稠环分子质量份数为1％～5％的芳稠环分子溶液；将碳纳米材料加入至芳稠环分子溶液中，超声分散，将pH值调节为5～9，制得碳纳米材料的质量浓度为0.3mg/mL～0.9mg/mL的分子组装液；将未上浆的碳纤维在分子组装液中浸渍，真空干燥，在碳纤维表面形成模量过渡层；将含模量过渡层的碳纤维与树脂体系预浸复合，按固化温度加热，制得碳纤维复合材料。

优选的，在上述制备方法中，将摩尔比为1:2～1:4的芳香族二元酐与有机二元胺加入至含有催化剂的极性质子溶剂中，在65℃～120℃下反应16～32h，制得芳稠环分子溶液，其中催化剂的用量为芳香族二元酐质量的0.1％～0.3％。

优选的，在上述制备方法中，将未上浆的碳纤维在分子组装液中浸渍2～10min，真空干燥后，在碳纤维表面形成模量过渡层，其中，模量过渡层的质量为碳纤维质量的0.5％～2％。

优选的，在上述制备方法中，芳香族二元酐为1,4,5,8-萘四甲酸二酐、3,4,9,10-苝四甲酸二酐、均苯四甲酸二酐、联苯四甲酸二酐、3,3',4,4'-二苯甲酮四甲酸二酐、2,3,3',4'-二苯醚四甲酸二酐、3,3',4,4'-三苯双醚四甲酸二酐中的一种或多种组合。

优选的，在上述制备方法中，有机二元胺为脂肪族二元胺、芳香族二元胺和脂环族二元胺中的一种或多种组合。

优选的，在上述制备方法中，极性质子溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇、丙三醇中的一种或多种组合。

优选的，在上述制备方法中，在超声分散后，通过碱性溶液调节pH值，其中，碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液、氢氧化钾溶液中的一种或多种组合。

优选的，在上述制备方法中，碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、富勒烯中的一种或多种组合。