[发明专利]一种具有复合机械互锁结构界面的改性碳纤维及其复合材料

说明书

本发明公开了一种具有复合机械互锁结构界面的改性碳纤维及其复合材料。该改性碳纤维是以氧化石墨烯、羧甲基纤维素或其盐作为改性剂，对碳纤维进行改性后制得的材料。与单独采用氧化石墨烯或羧甲基纤维素进行改性制得的改性碳纤维相比，本发明氧化石墨烯/羧甲基纤维素改性碳纤维的表面粗糙度明显增大，微机械互锁强度和润湿性显著提高。与单独采用氧化石墨烯或羧甲基纤维素对碳纤维进行改性后所得的复合材料相比，本发明氧化石墨烯/羧甲基纤维素改性碳纤维增强复合材料的层间剪切强度和界面剪切强度显著提高，界面性能取得了协同增强效果，可以用来制备高性能结构制件，在航空航天、汽车、轨道交通、舰船以及运动器材等领域应用前景广阔。

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种具有复合机械互锁结构界面的改性碳纤维及其复合材料。

背景技术

碳纤维具有高比强度、高模量、低密度和优异的抗热性能，是先进高分子复合材料的理想增强材料，由其增强制备的碳纤维增强复合材料(CFRPs)目前获得了广泛的关注，已经被应用于航空航天、车辆工程、化学工业等领域。然而，碳纤维增强复合材料目前存在力学性能不佳的问题，极大限制了碳纤维复合材料的应用。影响碳纤维增强复合材料力学性能的关键因素是碳纤维与基体之间的界面性能，未经处理的碳纤维是由大量的惰性石墨微晶组成，其表面非极性，表面能低，光滑，缺乏化学活性官能团，导致碳纤维与基体之间的界面粘结极为薄弱，难以有效地将载荷从基体转移到碳纤维上，使得碳纤维与基体之间的界面成为应力集中区域，大大削弱了碳纤维复合材料的力学性能。因此，对碳纤维进行改性，提高其与基体的界面粘结强度非常重要。

近年来，研究者们提出了许多提高纤维与基体间界面粘结强度的方法，可以分为物理方法(包括涂敷，上浆，等离子体处理，高能辐照等)和化学方法(包括氧化腐蚀，化学接枝，电泳沉积等)。其中，上浆法由于具有可控性好、稳定性高、效率高、设计强度强等特点得到了广泛的应用。

氧化石墨烯(GO)是一种新型二维层状结构的纳米材料，其单层为六边形的sp2键碳原子，含有多种氧官能团(如环氧、羟基、羧基等)。研究发现，将氧化石墨烯添加到复合材料中，可以有效地提高复合材料的弹性性能、抗疲劳性、热稳定性和硬度，为复合材料的研究提供了更广阔的前景。

文献“氧化石墨烯增强碳纤维/环氧复合材料的制备及其力学性能研究，党晨阳”记载了一种利用氧化石墨烯改性的碳纤维，以及该改性碳纤维与环氧树脂形成的复合材料。该研究发现，用氧化石墨烯处理碳纤维，可以改善碳纤维的表面结构，经过处理后，增加了碳纤维的表面能，提高了增强体与基体之间的润湿性和黏结性，从而使复合材料的层间剪切性能得以提高。并且，当氧化石墨烯溶液的浓度为0.3wt％时，所得复合材料的层间剪切强度得到了最大提高，比未改性的碳纤维复合材料提高了12.9％。但是，为了满足复合材料多样化的实际应用需求，层间剪切强度还有待进一步提高。

Yuan等人(Influence of different surface treatments on the interfacialadhesion of graphene oxide/carbon fiber/epoxy composites.Appl Surf Sci.2018；458:996-1005)采用4种不同的处理方法(包括酸氧化、施胶涂层、硅烷偶合涂层和电化学氧化)制得了氧化石墨烯改性的碳纤维，他们发现经过上述处理方法虽然能够在碳纤维表面形成氧化石墨烯涂层，但是氧化石墨烯与碳纤维的结合力仍然较弱，微机械锁定不牢固，容易脱落。

综上，目前采用石墨烯上浆法改性碳纤维，仍然难以得到界面性能优异的碳纤维，进而难以得到性能优异的复合材料，需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有复合机械互锁结构界面的改性碳纤维，以及以该改性碳纤维为增强体制得的层间剪切强度和界面剪切强度显著提高的复合材料。

本发明提供了一种氧化石墨烯/羧甲基纤维素改性碳纤维，它是以氧化石墨烯、羧甲基纤维素或其盐作为改性剂，对碳纤维进行改性后制得的材料。