CN101250742A - 一种提高导电纤维复合材料界面性能的方法 - Google Patents

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徐志伟
吴晓青
陈利
李嘉禄
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Abstract

本发明涉及一种提高导电纤维复合材料界面性能的方法，该方法先将表面官能化的碳纳米管按照0.01～1mg/ml的比例置于水溶液中，超声振荡0.5～3小时后，按照水溶液与导电纤维织物质量比为100～5∶1的比例将导电纤维织物置于水溶液中，并使导电纤维织物与直流电源的正极连接；导电纤维织物的周围安装有与直流电源负极相连接的负极金属板；正负极12～20V电压下通入直流电，并保持负极金属板与导电纤维织物之间5～15V/cm的电势差，0.5～3小时后取出导电纤维织物，干燥后，利用真空辅助树脂传递模塑成型方法将导电纤维织物与环氧树脂复合固化成型即得；所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管，平均长度为1～20微米。

Description

一种提高导电纤维复合材料界面性能的方法
技术领域
本发明涉及先进复合材料界面改性技术，具体为一种通过电泳在导电纤维表面沉积一层碳纳米管，进而提高树脂基导电纤维复合材料界面性能的方法。
背景技术
随着航空航天和现代武器的不断发展，对所用材料提出了更高的要求。例如在设计导弹、人造卫星、飞机的承载构件时，越来越需要比强度和比模量高的材料。于是，轻质、高强的树脂基碳纤维复合材料在高技领域和国防建设中占有越来越重要的位置。这种复合材料由增强碳纤维和树脂基体组成，其性能主要取决于碳纤维的力学性能、基体的性能以及碳纤维与基体之间的界面性能。但由于碳纤维与树脂基体之间的界面性能较弱，因而导致树脂基碳纤维复合材料的使用范围受到很大的限制。
根据复合材料界面过渡层理论，在纤维(如碳纤维)和树脂基的界面处，若不存在过渡层，则在相界面会发生弹性模量的急剧突变，相界面就变成了张力的终结点，成为裂纹源；若存在一层模量介于纤维和树脂基之间的过渡层，相界面的张力变化将被减缓，存在应力松弛的可能，界面处裂纹形成的概率就会被减小，复合材料的界面性能将被相应的提高。
目前依据过渡层理论提高复合材料界面性能的方法主要是涂层法，即在碳纤维表面涂敷一层模量介于纤维和树脂之间的功能性材料，如多结构倍半硅氧烷、含有纳米SiO2颗粒的树脂和特种酚醛等。该方法作为重要的复合材料界面的改性方法可显著提高复合材料的界面性能，但也存在着损伤纤维本体强度和导致纤维之间粘连等缺点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是研究一种提高导电纤维复合材料界面性能的方法。该方法改性效果显著，同时不损伤碳纤维的本体强度，不会产生纤维之间粘连，有益于扩大复合材料的实际应用范围。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种提高导电纤维复合材料界面性能的方法，该方法先将表面官能化的碳纳米管按照0.01～1mg/ml的比例置于水溶液中，静置1～3小时后，按照水溶液与导电纤维织物质量比为100～5∶1的比例将导电纤维织物置于所述的水溶液中，并使导电纤维织物与直流电源的正极连接；导电纤维织物的周围安装有与直流电源负极相连接的负极金属板；正负极12～20V电压下通入直流电，并保持负极金属板与导电纤维织物之间5～15V/cm的电势差，0.5～3小时后取出导电纤维织物，干燥后，利用真空辅助树脂传递模塑成型方法将导电纤维织物与环氧树脂复合固化成型即得；所述的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管，碳纳米管的平均长度为1～20微米。
与现有技术相比，本发明提高导电纤维复合材料界面性能的方法通过电泳现象在复合材料增强体导电纤维表面沉积薄层碳纳米管，当导电纤维织物与树脂基(环氧树脂)复合后，在导电纤维与树脂基体之间形成了一层碳纳米管增强环氧树脂的纳米复合材料过渡层。该过渡层模量介于碳纤维和环氧树脂之间，可提高导电纤维复合材料相界面应力的传输能力，增强复合材料相界面的力学性能，减小相界面裂纹产生的概率，同时可以不损伤导电纤维的本体强度，不会产生导电纤维之间粘连，改性效果显著，有利于扩大复合材料的使用范围。
附图说明
图1为本发明提高导电纤维复合材料界面性能的方法所述在导电纤维织物的表面电沉积碳纳米管的原理示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
本发明设计的提高导电纤维复合材料界面性能的方法(以下简称方法，参见图1)，该方法先将表面官能化的碳纳米管5按照0.01～1mg/ml的比例置入水溶液3中，配制电泳水溶液；静置1～3小时后，再将复合材料增强体导电纤维织物4按照水溶液3与导电纤维织物4质量比100～5∶1的比例置入所述的水溶液3中，并使导电纤维织物4与直流电源的正极2连接；导电纤维织物4的周围安装有负极金属板6，负极金属板6与所述直流电源的负极1相连接；正负极12～20V电压下通入直流电0.5～3小时，并保持负极金属板6与导电纤维织物4之间5～15V/cm的电势差，然后取出该导电纤维织物4，这时在导电纤维织物4的纤维表面会形成一薄层的碳纳米管5，干燥后，利用真空辅助树脂传递模塑成型方法将导电纤维织物4与环氧树脂复合固化成型即得。所述的碳纳米管5包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管，碳纳米管5的平均长度为1～20微米。
本发明方法所述的导电纤维织物4包括碳纤维和金属纤维等导电纤维制造的织物，在电泳过程中导电纤维织物4的存在形式可以是平面的(二维的)或三维的形式。碳纳米管5的表面官能化是指碳纳米管5经强酸氧化处理后，表面引入羧基等官能团的处理方法。电泳过程中的正负极电压为12～20V，电流大小根据所述水溶液3中的电解质情况来决定。所述负极金属板6为一般导电金属即可，如铜、铝、铁等。所述辅助树脂传递模塑成型方法(VARTM)为现有技术。VARTM所用的固化剂为四氢邻苯二甲酸酐，其质量百分比含量为30～50％。
本发明方法的进一步特征在于所述的水溶液中含有重量百分浓度为0.05～1wt％的氢氧化钾，制得电解质水溶液。这种电解质水溶液可以缩短所述电泳的时间。
本发明方法的进一步特征还在于将表面官能化的碳纳米管5按照0.01～1mg/ml的比例置入水溶液3或电解质水溶液中后，以频率28kHZ，功率为100～600W的超声波振荡所述水溶液0.5～3h。加入超声波振荡后，可加速分散，使所述碳纳米管充分分散于所述水溶液中，有利于均匀电泳。
本发明未述及之处适用于现有技术。
下面给出本发明方法的具体实施例，但本发明方法不限于实施例，实施例也不限制本发明权利要求。
实施例1
取40毫克多壁碳纳米管与1000毫升含有0.5wt％KOH的蒸馏水混合，制得电解质水溶液；将所述电解质水溶液的烧杯置于冰水中进行超声振荡，振荡功率为300瓦，振荡时间为1小时，且每隔20分钟加一次冰块。碳纳米管的平均长度为2微米，振荡完毕后，静置2小时；将10克碳纤维三维织物置于所述的水溶液中，并接入直流电的正极，直流电的负极接入碳纤维织物两侧的铝板上，12V下通入直流电，并保持电势差为12V/cm。一个小时后停止通电，取出碳纤维织物，在110℃的真空干燥箱中干燥2个小时，将干燥后的碳纤维织物通过VARTM工艺与环氧树脂复合成型即得。VARTM工艺所用固化剂为四氢邻苯二甲酸酐，其质量百分比含量为41％。
经检测，本实施例所得经电化学沉积碳纳米管后的碳纤维增强树脂基三维复合材料层间剪切强度提高了18％。
实施例2
取100毫克单壁碳纳米管与1000毫升含有0.3wt％KOH的蒸馏水混合，制得电泳水溶液；将所述水溶液进行超声振荡，振荡功率为200瓦，振荡时间为1.5小时，且每振荡10分钟就停止冷却5分钟。碳纳米管的平均长度为8微米，振荡完毕后，静置1小时；将10克碳纤维三维织物置于所述的电泳水溶液中，并接入直流电的正极，直流电的负极接入碳纤维织物的两侧的铁板上，15V通入直流电保持电势差为10V/cm。一个小时后停止通电，取出碳纤维织物，在110℃的真空干燥箱中干燥1个小时；将干燥后的碳纤维织物通过VARTM工艺与环氧树脂复合成型即得。
经检测，本实施例所得经电化学沉积碳纳米管后的碳纤维增强树脂基三维复合材料层间剪切强度提高了16％。
实施例3
取200毫克多壁碳纳米管与1000毫升蒸馏水混合，制得电泳水溶液；将含有碳纳米管水溶液的烧杯置于冰水中进行超声振荡，振荡功率为400瓦，振荡时间为3小时。碳纳米管的平均长度为12微米，振荡完毕后，静置3小时；将20克碳纤维三维织物置于所述的电泳水溶液中，并接入直流电的正极，直流电的负极接入碳纤维织物两侧的铜板上，20V下通入直流电，保持电势差为8V/cm；两个小时后停止通电，取出碳纤维织物，在110℃的真空干燥箱中干燥1个小时；将干燥后的碳纤维织物通过VARTM工艺与环氧树脂复合成型即得。
经检测，本实施例所得经电化学沉积碳纳米管后的碳纤维增强树脂基三维复合材料层间剪切强度提高了20％。

Claims (3)

1.一种提高导电纤维复合材料界面性能的方法，该方法先将表面官能化的碳纳米管按照0.01～1mg/ml的比例置于水溶液中，静置1～3小时后，按照水溶液与导电纤维织物质量比为100～5∶1的比例将导电纤维织物置于所述的水溶液中，并使导电纤维织物与直流电源的正极连接；导电纤维织物的周围安装有与直流电源负极相连接的负极金属板；正负极12～20V电压下通入直流电，并保持负极金属板与导电纤维织物之间5～15V/cm的电势差，0.5～3小时后取出导电纤维织物，干燥后，利用真空辅助树脂传递模塑成型方法将导电纤维织物与环氧树脂复合固化成型即得；所述的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管，碳纳米管的平均长度为1～20微米。
2.根据权利要求1所述的提高导电纤维复合材料界面性能的方法，其特征在于所述的水溶液中含有重量百分浓度为0.05～1wt％的氢氧化钾。
3.根据权利要求1或2所述的提高导电纤维复合材料界面性能的方法，其特征在于将表面官能化的碳纳米管按照0.01～1mg/ml的比例置于水溶液中后，以频率28kHZ，功率为100～600W的超声波振荡所述水溶液0.5～3h。
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