[发明专利]一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维‑碳纳米管交织铺层复合材料及其制备方法，复合材料为三维交织铺层结构，包括层叠设置的多层碳纤维单向布、将多层碳纤维单向布交织在一起的碳纳米管膜窄带以及填充于间隙中的环氧树脂，在三维交织铺层结构中，碳纳米管膜窄带既有纬向的穿插，又有厚度方向的穿插，使得多层碳纤维单向布具有整体性，更有利于载荷在层间的传递，能够改善厚度方向的电导率以及纬向的电导率。碳纳米管膜作为连续聚集体，不存在团聚和分散不均等问题；并且，利用碳纳米管膜对碳纤维进行三维交织铺层，使复合材料成为一个整体，因此，对于性能的提升是整体性的；此外，复合材料的制备过程简单、易操作，且不涉及氢气、甲烷等危险气体。

技术领域

本发明涉及混杂复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)发展至今已成为一种成熟的结构材料并广泛用于航空、航天、汽车、运动等领域。由于碳纤维的表面惰性以及表面官能团的缺少，CFRP的纤维/树脂界面粘结强度较低，这会限制载荷的传递，影响CFRP的整体性能，并且，电导率过低的环氧树脂填充在碳纤维丝束间的间隙，会使CFRP平行于碳纤维的排列方向的电导率较低，这都极大限制了CFRP的应用。

碳纳米管(CNT)自1991年被发现以来，凭借大长径比的结构，优异的力学、导电、导热性能等优势，在超级电容器、形状记忆、高阻尼材料和结构材料等领域得到广泛应用。随着研究者的不断探索，CNT宏观体，例如CNT阵列、CNT薄膜及其树脂基复合材料也已经具有优异的力学性能和功能特性。

针对CFRP界面和层间性能差的问题，可通过碳纤维/碳纳米管混杂的方式制备混杂复合材料(是利用两种或两种以上的增强体增强同一基体或多种基体制备而成的复合材料)，对CFRP界面粘结性能和层间性能进行增强。

目前，CNT改性连续纤维树脂基复合材料的制备方法包括以下三种：1.分散法，先将CNT粉体分散到树脂基体中，再与纤维复合，制备出三相杂化复合材料，CNT粉体易出现团聚，造成分散不均匀的问题，影响复合材料的整体性能；2.通过CNT对纤维进行改性，最常见的有化学气相沉积法、电泳沉积法、喷射沉积法、上浆剂法、化学接枝法以及悬浮液沉积法，该方法实验要求比较高，操作较复杂，需要用到氢气、甲烷等危险气体；3.碳纳米管聚集体增强连续纤维树脂基复合材料，采用的碳纳米管聚集体有垂直于纤维方向的碳纳米管森林或阵列的Z向穿刺以及平行于纤维方向的碳纳米管膜层叠结构，碳管阵列实验操作较复杂，制备过程繁琐，对复合材料性能的提升仅限于有碳纳米管聚集体的那一层，对复合材料整体性能的提升效果较弱。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料及其制备方法，用以解决现有混杂方法存在的分散不均、制备过程复杂以及整体性能提升效果差等问题。

因此，本发明提供了一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料，包括：层叠设置的多层碳纤维单向布、将所述多层碳纤维单向布交织在一起的碳纳米管膜窄带以及填充于碳纤维间隙与碳纳米管膜窄带间隙中的环氧树脂；其中，

所述多层碳纤维单向布中各所述碳纤维单向布的丝束间隙位置对应；

所述碳纳米管膜窄带沿每层碳纤维单向布中碳纤维的排列方向交织铺层，所述碳纳米管膜窄带的两端分别粘贴在所述多层碳纤维单向布上。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料中，所述碳纳米管膜窄带沿所述碳纤维单向布层叠方向的相邻两次穿插之间的碳纤维丝束的数量为1～3束。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料中，多条碳纳米管膜窄带将所述多层碳纤维单向布交织在一起；

各所述碳纳米管膜窄带沿碳纤维的延伸方向排列。

本发明还提供了一种碳纤维-碳纳米管交织铺层复合材料的制备方法，包括如下步骤：