[发明专利]一种碳纤维复合材料界面示踪和破坏监测的方法

说明书

本发明涉及一种碳纤维复合材料界面示踪和破坏监测方法，其解决了现有碳纤维复合材料界面层难于表征、机械载荷作用下微损伤不易监测等问题，碳纤维复合材料包括碳纤维、芳稠环分子和树脂，芳稠环分子以π‑π结构堆叠在碳纤维表面。本发明可广泛用于碳纤维的界面示踪和破坏监测领域。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料及其制备方法，具体涉及一种可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

商业碳纤维表面一般涂覆上浆剂，其化学组成与环氧树脂基体相似，利用常规的观测手段比如SEM、TEM、AFM等，难以直接观察和表征碳纤维/环氧树脂复合材料的界面层。碳纤维复合材料在机械载荷作用下易发生脱层、纤维断裂、纤维/树脂界面脱黏等微观损伤，红外热波、超声和层析检测等方法存在检测周期长、耦合剂污染试样和只检测开口缺陷等局限性，因此，急需一种合适的检测技术对碳纤维复合材料的质量和健康状况进行评价。

文献(Compos.Sci.Technol.121(2015),56-72.)基于纤维、界面和基体之间的模量差，采用AFM力学模式对复合材料界面层进行表征，但由于基体与上浆层成分相似而相互扩散，难以直接识别复合材料界面层。

中国专利(CN108226007A)利用超声检测碳纤维复合材料内部缺陷，但超声检测是一种接触式检测，探头处需要有耦合剂，对测试试件表面造成污染，无法快速扫描检测。

发明内容

本发明就是为了解决现有碳纤维复合材料界面层难于表征、机械载荷作用下微损伤不易监测等问题，将具有荧光效应的芳稠环分子引入碳纤维，制备可界面荧光标记的复合材料，对界面层的微观形貌和厚度可直接示踪；通过直接观察复合材料冲击前后的荧光变化，实现复合材料的损伤自报告，提供了一种可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料及其制备方法。

为此，本发明提供一种可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料，所述碳纤维复合材料包括碳纤维、芳稠环分子和树脂，所述芳稠环分子以π-π结构堆叠在碳纤维表面。

优选的，所述芳稠环分子的质量占所述碳纤维质量分数的0.5～1.5wt％。

优选的，所述芳稠环分子为萘酰亚胺、苝酰亚胺、芘酰亚胺中的一种或几种组合。

优选的，所述碳纤维为高强碳纤维、高强中模碳纤维、高强高模碳纤维中的一种。

优选的，所述树脂为环氧树脂，所述环氧树脂为氢化双酚A型、脂肪族缩水甘油醚、环氧化烯烃类、脂环族环氧树脂中的一种或几种。

本发明同时提供一种可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料的制备方法，其包括如下步骤：(1)芳稠环分子设计及组装液制备：将芳香族二元酐与有机二元胺溶解到极性质子溶剂中，反应得到端氨基的芳稠环分子，通过碱性溶液调节pH值，获得分子组装液；(2)碳纤维表面组装改性：将未上浆的碳纤维通过上述分子组装液浸渍，真空干燥后，芳稠环分子以π-π结构堆叠在碳纤维表面，获得芳稠环组装改性的碳纤维；(3)碳纤维复合材料的制备：将上述碳纤维与环氧树脂预浸复合，按固化制度加热，获得可界面示踪和破环监测的碳纤维复合材料。

优选的，所述步骤(1)中，将芳香族二元酐与有机二元胺在60～120℃下溶解到极性质子溶剂中，反应4～12h得到端氨基的芳稠环分子，以碱性溶液控制pH值为8～10，获得分子组装液，其中芳稠环分子质量份数为0.1～1％。

优选的，所述步骤(2)中，将未上浆的碳纤维通过所述分子组装液浸渍10～30min，形成芳稠环分子表面组装层；相对于碳纤维，其中所述芳稠环分子表面组装层质量分数为0.5～1.5wt％。

优选的，所述步骤(1)中，极性质子溶剂为二甲基亚砜、去离子水、甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、乙腈溶剂中的一种或几种组合。