一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用與流程
1.本技術(shù)涉及一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于碳纖維復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2.碳纖維復(fù)合材料因其高的比強(qiáng)度、比模量、耐高溫、抗疲勞、導(dǎo)電、輕質(zhì)、易加工等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、機(jī)械電子、醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域。目前，飛機(jī)在進(jìn)行材料選擇與設(shè)計過程中比較多地選用了碳纖維復(fù)合材料，但是碳纖維的導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如金屬，在遇到雷電襲擊的情況下，雷電流會對碳纖維復(fù)合材料造成不同程度的損傷；此外，碳纖維復(fù)合材料的韌性一直以來是限制復(fù)合材料使用的一個重要短板。如何能夠在提升復(fù)合材料的導(dǎo)電性能的同時，能夠?qū)?fù)合材料進(jìn)行增韌，是復(fù)合材料工程師追求的方向。
3.目前通常采用添加碳納米管、石墨烯、導(dǎo)電炭黑或金屬粉的方式來改善碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性，但是碳納米管、石墨烯和導(dǎo)電炭黑較難分散，不利于使用，金屬粉雖然導(dǎo)電性強(qiáng)，但是易于氧化，耐腐蝕性差，并且容易干擾無線電波。目前改善碳纖維復(fù)合材料韌性的方法有熱塑性樹脂改性、橡膠粒子改性等，然而，通過熱塑性樹脂和橡膠粒子等傳統(tǒng)方法改性，雖然可以提高復(fù)合材料的韌性，但是會導(dǎo)致復(fù)合材料的耐熱性下降、模量下降等一系列問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
4.為了解決上述問題，提供了一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，采用納米組合物填料對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，使碳纖維復(fù)合材料兼具優(yōu)異的導(dǎo)電性和韌性，通過篩選改性原料和改善操作條件，提高納米組合物填料與環(huán)氧樹脂相容性。
5.本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：
6.根據(jù)本技術(shù)的一個方面，提供了一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
7.(1)將納米組合物填料經(jīng)等離子體輻照后得到輻照后的納米組合物填料；將偶聯(lián)劑加入到環(huán)氧樹脂中，攪拌均勻形成環(huán)氧樹脂混合物；
8.(2)在超聲作用下將輻照后的納米組合物填料分散于環(huán)氧樹脂混合物中，得到預(yù)混合漿料，再將預(yù)混合漿料采用三輥研磨機(jī)研磨1-3次，得到粒度為7μm以下混合漿料；
9.(3)向混合漿料中加入環(huán)氧樹脂的活性稀釋劑、固化劑和促進(jìn)劑，攪拌均勻得到改性環(huán)氧樹脂，再將改性環(huán)氧樹脂與碳纖維進(jìn)行復(fù)合，制得環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料。
10.可選地，步驟(1)中，所述納米組合物填料為納米銀、納米摻雜氧化鋅和納米鋁中兩種或三種混合物；
11.納米銀、納米摻雜氧化鋅與納米鋁的質(zhì)量比為(0-2)：(4-5)：(4-8)或納米銀與納米鋁的質(zhì)量比為2：8或納米銀與納米摻雜氧化鋅的質(zhì)量比為3：7；
12.所述納米摻雜氧化鋅中的摻雜元素為銅、鎳、鉬、鎢和镥中的至少一種。
13.可選地，步驟(1)中，偶聯(lián)劑的添加比例為環(huán)氧樹脂的0.01-3wt％。
14.可選地，步驟(1)中，等離子體輻照的氣體為氬氣、二氧化碳、甲烷、氮?dú)?、氨氣、氧氣、乙炔中的至少一種；
15.等離子體輻照的功率為50-500w；
16.等離子體輻照的時間為0.5-15min。
17.可選地，步驟(2)中，輻照后的納米組合物填料與環(huán)氧樹脂混合物的質(zhì)量比為1：(2-10.6)。
18.可選地，步驟(3)中，環(huán)氧樹脂的活性稀釋劑的添加比例為混合漿料的5.2-35.1％；
19.固化劑的添加比例為混合漿料的29.4-114.3wt％；
20.促進(jìn)劑的添加比例為混合漿料的1.5-22.9wt％。
21.可選地，步驟(3)中，改性環(huán)氧樹脂與碳纖維的質(zhì)量比為(0.25-0.45)：1。
22.可選地，環(huán)氧樹脂為環(huán)氧樹脂yd-128、酚醛型環(huán)氧樹脂704、雙酚f型環(huán)氧樹脂170和對苯二甲酸二縮水甘油酯中的至少一種；
23.偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑和硼酸酯偶聯(lián)劑中的至少一種；
24.固化劑為甲基六氫苯酐、甲基四氫苯酐、2-乙基-4-甲基咪唑和二氰二氨中的至少一種；
25.促進(jìn)劑為2,4,6—三(二甲胺基甲基)苯酚、n,n-二甲基芐胺和脲類促進(jìn)劑中的至少一種；
26.活性稀釋劑為甲基丙烯酸-β-羥乙酯或1,6-己二醇二丙烯酸酯。
27.根據(jù)本技術(shù)的另一個方面，提供了一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料，由上述任一項所述的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法制得。
28.根據(jù)本技術(shù)的又一個方面，提供了上述所述的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料在飛行器中的應(yīng)用。
29.本技術(shù)的有益效果包括但不限于：
30.1.本技術(shù)的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料中，納米組合物填料是一種零維納米材料，具有介于體相材料與分子間的物質(zhì)狀態(tài)，展示出許多特殊的光、電、磁等特性，其能夠與環(huán)氧樹脂上的羥基、環(huán)氧基等官能團(tuán)之間產(chǎn)生“超分子相互作用”，獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，有效提升環(huán)氧樹脂的韌性。
31.2.本技術(shù)的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料，通過選擇納米銀、納米摻雜氧化鋅和納米鋁中兩種或三種作為納米組合物填料，確保各納米粒子之間的相容性好，以及納米組合物填料與環(huán)氧樹脂之間的相容性也較佳，進(jìn)一步提高碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性和韌性。
32.3.本技術(shù)的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法中，通過采用等離子氣體對納米粒子表面進(jìn)行處理，不僅可以提高納米粒子表面的粗糙度，使其與環(huán)氧樹脂之間結(jié)合能力更強(qiáng)，且能夠提高納米組合物填料之間的相容性，使多種納米粒子之間能夠均勻混合，進(jìn)一步增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性和韌性。
33.4.本技術(shù)的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法中，通過超聲作用使得輻照后的納米組合物填料均勻分散于環(huán)氧樹脂混合物中，提高二者的相容性，增強(qiáng)二者的協(xié)同作
用。
34.5.本技術(shù)的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料，改性環(huán)氧樹脂與碳纖維復(fù)合后，增強(qiáng)了碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性和韌性，使碳纖維復(fù)合材料特別適用于飛行器制造技術(shù)領(lǐng)域。
具體實施方式
35.在本文中所披露的范圍的端點和任何值都不限于該精確的范圍或值，這些范圍或值應(yīng)當(dāng)理解為包含接近這些范圍或值的值。對于數(shù)值范圍來說，各個范圍的端點值之間、各個范圍的端點值和單獨(dú)的點值之間，以及單獨(dú)的點值之間可以彼此組合而得到一個或多個新的數(shù)值范圍，這些數(shù)值范圍應(yīng)被視為在本文中具體公開。
36.實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進(jìn)行。所用原料或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。
37.實施例1
38.一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
39.(1)將納米銀與納米鋁按2：8的質(zhì)量比混合均勻，形成納米組合物填料，將該納米組合物填料經(jīng)過150w放電功率下的氨氣等離子體輻照5min，得到輻照后的納米組合物填料；將鈦酸酯偶聯(lián)劑加入到酚醛型環(huán)氧樹脂704和雙酚f型環(huán)氧樹脂170的混合物(二者的質(zhì)量比為1:1)中，鈦酸酯偶聯(lián)劑的添加比例為0.8wt％，攪拌均勻形成環(huán)氧樹脂混合物；
40.(2)在26.5khz頻率的超聲作用下將輻照后的納米組合物填料分散于環(huán)氧樹脂混合物中，輻照后的納米組合物填料與環(huán)氧樹脂混合物的質(zhì)量比為1：10.6，得到預(yù)混合漿料，再將預(yù)混合漿料采用三輥研磨機(jī)研磨3次，得到粒度為5μm混合漿料；
41.(3)向混合漿料中加入其10.7％的甲基丙烯酸-β-羥乙酯、68.4wt％甲基四氫苯酐和12.6wt％n,n-二甲基芐胺，攪拌均勻得到改性環(huán)氧樹脂，再將質(zhì)量比為0.3：1的改性環(huán)氧樹脂與碳纖維進(jìn)行復(fù)合，制得環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料。
42.實施例2
43.一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
44.(1)將納米銀與納米摻雜氧化鋅按3：7的質(zhì)量比混合均勻，此處納米摻雜氧化鋅中的摻雜元素為鉬，形成納米組合物填料，將該納米組合物填料經(jīng)過150w放電功率下的氮?dú)獾入x子體輻照10min，得到輻照后的納米組合物填料；將鋁酸酯偶聯(lián)劑加入到環(huán)氧樹脂yd-128和酚醛型環(huán)氧樹脂704的混合物(二者的質(zhì)量比為1:1)中，鋁酸酯偶聯(lián)劑的添加比例為0.8wt％，攪拌均勻形成環(huán)氧樹脂混合物；
45.(2)在26.5khz頻率的超聲作用下將輻照后的納米組合物填料分散于環(huán)氧樹脂混合物中，輻照后的納米組合物填料與環(huán)氧樹脂混合物的質(zhì)量比為1：8，得到預(yù)混合漿料，再將預(yù)混合漿料采用三輥研磨機(jī)研磨3次，得到粒度為6μm混合漿料；
46.(3)向混合漿料中加入其26.5％的1,6-己二醇二丙烯酸酯、89.4wt％甲基六氫苯酐和18.2wt％2,4,6—三(二甲胺基甲基)苯酚，攪拌均勻得到改性環(huán)氧樹脂，再將質(zhì)量比為0.45：1的改性環(huán)氧樹脂與碳纖維進(jìn)行復(fù)合，制得環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料。
47.實施例3
48.一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
49.(1)將納米摻雜氧化鋅與納米鋁按5：8的質(zhì)量比混合均勻，此處納米摻雜氧化鋅中
的摻雜元素為鎳，形成納米組合物填料，將該納米組合物填料經(jīng)過100w放電功率下的甲烷等離子體輻照10min，得到輻照后的納米組合物填料；將硅烷偶聯(lián)劑加入到環(huán)氧樹脂yd-128和雙酚f型環(huán)氧樹脂170的混合物(二者的質(zhì)量比為1:1)中，硅烷偶聯(lián)劑的添加比例為1wt％，攪拌均勻形成環(huán)氧樹脂混合物；
50.(2)在26.5khz頻率的超聲作用下將輻照后的納米組合物填料分散于環(huán)氧樹脂混合物中，輻照后的納米組合物填料與環(huán)氧樹脂混合物的質(zhì)量比為1：3，得到預(yù)混合漿料，再將預(yù)混合漿料采用三輥研磨機(jī)研磨3次，得到粒度為6μm混合漿料；
51.(3)向混合漿料中加入其9.6％的甲基丙烯酸-β-羥乙酯、29.4wt％二氰二氨和1.5wt％脲類促進(jìn)劑，攪拌均勻得到改性環(huán)氧樹脂，再將質(zhì)量比為0.25：1的改性環(huán)氧樹脂與碳纖維進(jìn)行復(fù)合，制得環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料。
52.實施例4
53.一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
54.(1)將納米銀、納米摻雜氧化鋅與納米鋁按2：4：4的質(zhì)量比混合均勻，此處納米摻雜氧化鋅中的摻雜元素為鎢，形成納米組合物填料，將該納米組合物填料經(jīng)過150w放電功率下的乙炔等離子體輻照10min，得到輻照后的納米組合物填料；將硼酸酯偶聯(lián)劑加入到雙酚f型環(huán)氧樹脂170和對苯二甲酸二縮水甘油酯的混合物(二者的質(zhì)量比為1:1)中，硼酸酯偶聯(lián)劑的添加比例為1.3wt％，攪拌均勻形成環(huán)氧樹脂混合物；
55.(2)在26.5khz頻率的超聲作用下將輻照后的納米組合物填料分散于環(huán)氧樹脂混合物中，輻照后的納米組合物填料與環(huán)氧樹脂混合物的質(zhì)量比為1：8，得到預(yù)混合漿料，再將預(yù)混合漿料采用三輥研磨機(jī)研磨3次，得到粒度為5μm混合漿料；
56.(3)向混合漿料中加入其12.8％的1,6-己二醇二丙烯酸酯、114.3wt％2-乙基-4-甲基咪唑和22.9wt％n,n-二甲基芐胺，攪拌均勻得到改性環(huán)氧樹脂，再將質(zhì)量比為0.35：1的改性環(huán)氧樹脂與碳纖維進(jìn)行復(fù)合，制得環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料。
57.對比例1
58.與實施例1的不同之處在于：步驟(1)中納米銀與納米鋁的質(zhì)量比為1：15。
59.對比例2
60.與實施例1的不同之處在于：將步驟(1)中納米銀替換為納米鈷，納米鋁替換為納米鐵。
61.對比例3
62.與實施例1的不同之處在于：步驟(1)中將納米銀與納米鋁按2：8的質(zhì)量比混合均勻，形成納米組合物填料，將該納米組合物填料經(jīng)過10w放電功率下的氨氣等離子體輻照30min，得到輻照后的納米組合物填料。
63.對比例4
64.與實施例1的不同之處在于：輻照后的納米組合物填料與環(huán)氧樹脂混合物的質(zhì)量比為1：20。
65.對比例5
66.與實施例1的不同之處在于：改性環(huán)氧樹脂與碳纖維的質(zhì)量比為0.8：1。
67.對比例6
68.與實施例4的不同之處在于：納米摻雜氧化鋅中的摻雜元素為錳。
69.試驗例
70.通過gb/t12966-2008和gb/t 2567-2008對實施例1-4和對比例1-6制得的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行性能測試，結(jié)果見表1。
71.表1
[0072][0073][0074]
從表1的試驗數(shù)據(jù)來說，本發(fā)明制備的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料兼具優(yōu)異的導(dǎo)電性和韌性，輻照后的納米組合物填料相容性好，其與環(huán)氧樹脂混合物協(xié)同作用，進(jìn)一步增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性和韌性。
[0075]
以上所述，僅為本技術(shù)的實施例而已，本技術(shù)的保護(hù)范圍并不受這些具體實施例的限制，而是由本技術(shù)的權(quán)利要求書來確定。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本技術(shù)可以有各種更改和變化。凡在本技術(shù)的技術(shù)思想和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本技術(shù)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
技術(shù)特征：
1.一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)將納米組合物填料經(jīng)等離子體輻照后得到輻照后的納米組合物填料；將偶聯(lián)劑加入到環(huán)氧樹脂中，攪拌均勻形成環(huán)氧樹脂混合物；(2)在超聲作用下將輻照后的納米組合物填料分散于環(huán)氧樹脂混合物中，得到預(yù)混合漿料，再將預(yù)混合漿料采用三輥研磨機(jī)研磨1-3次，得到粒度為7μm以下混合漿料；(3)向混合漿料中加入環(huán)氧樹脂的活性稀釋劑、固化劑和促進(jìn)劑，攪拌均勻得到改性環(huán)氧樹脂，再將改性環(huán)氧樹脂與碳纖維進(jìn)行復(fù)合，制得環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述納米組合物填料為納米銀、納米摻雜氧化鋅和納米鋁中兩種或三種混合物；納米銀、納米摻雜氧化鋅與納米鋁的質(zhì)量比為(0-2)：(4-5)：(4-8)或納米銀與納米鋁的質(zhì)量比為2：8或納米銀與納米摻雜氧化鋅的質(zhì)量比為3：7；所述納米摻雜氧化鋅中的摻雜元素為銅、鎳、鉬、鎢和镥中的至少一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，偶聯(lián)劑的添加比例為環(huán)氧樹脂的0.01-3wt％。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，等離子體輻照的氣體為氬氣、二氧化碳、甲烷、氮?dú)?、氨氣、氧氣、乙炔中的至少一種；等離子體輻照的功率為50-500w；等離子體輻照的時間為0.5-15min。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，輻照后的納米組合物填料與環(huán)氧樹脂混合物的質(zhì)量比為1：(2-10.6)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，環(huán)氧樹脂的活性稀釋劑的添加比例為混合漿料的5.2-35.1％；固化劑的添加比例為混合漿料的29.4-114.3wt％；促進(jìn)劑的添加比例為混合漿料的1.5-22.9wt％。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，改性環(huán)氧樹脂與碳纖維的質(zhì)量比為(0.25-0.45)：1。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，環(huán)氧樹脂為環(huán)氧樹脂yd-128、酚醛型環(huán)氧樹脂704、雙酚f型環(huán)氧樹脂170和對苯二甲酸二縮水甘油酯中的至少一種；偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑和硼酸酯偶聯(lián)劑中的至少一種；固化劑為甲基六氫苯酐、甲基四氫苯酐、2-乙基-4-甲基咪唑和二氰二氨中的至少一種；促進(jìn)劑為2,4,6—三(二甲胺基甲基)苯酚、n,n-二甲基芐胺和脲類促進(jìn)劑中的至少一種；活性稀釋劑為甲基丙烯酸-β-羥乙酯或1,6-己二醇二丙烯酸酯。9.一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，由權(quán)利要求1-8任一項所述的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法制得。10.權(quán)利要求9所述的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料在飛行器中的應(yīng)用。
技術(shù)總結(jié)
本申請公開了一種環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于碳纖維復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。該環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法包括如下步驟：將納米組合物填料經(jīng)等離子體輻照后得到輻照后的納米組合物填料；將偶聯(lián)劑加入到環(huán)氧樹脂中，攪拌均勻形成環(huán)氧樹脂混合物；在超聲作用下將輻照后的納米組合物填料分散于環(huán)氧樹脂混合物中，得到預(yù)混合漿料，再將其采用三輥研磨機(jī)研磨1-3次，得到粒度為7μm以下混合漿料；向其中加入環(huán)氧樹脂的活性稀釋劑、固化劑和促進(jìn)劑，攪拌均勻得到改性環(huán)氧樹脂，再將其與碳纖維進(jìn)行復(fù)合，制得環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料。本申請中納米組合物填料相容性好，制得的碳纖維復(fù)合材料兼具優(yōu)異的導(dǎo)電性和韌性。性和韌性。
