CN110229468A - 可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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，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，其包括碳纤维、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。本发明同时提供了其制备方法。本发明可广泛用于碳纤维的制备领域。

Description

可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料及其制备方法
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。
优选的，所述步骤(1)中，碱性溶液为KOH、NaOH、Ca(OH)2溶液中的一种或几种组合；所述步骤(3)中，固化制度中所用的固化剂为脂肪族多元胺、脂环族多元胺中的一种或几种。
本发明具有以下几方面的优点和积极效果：
本发明的芳稠环分子具有大的共轭平面结构和高的荧光量子产率，通过挥发溶剂促使芳稠环分子间π-π堆积在碳纤维表面，与树脂基体固化后形成界面，可实现对复合材料中碳纤维/基体界面层的荧光标记，使界面层形貌结构可视化；
本发明通过激光共聚焦显微镜观察复合材料低速冲击后荧光的消失来检测纤维树脂脱黏和纤维断裂等微观损伤，报告了复合材料的微尺度破坏，提高了检测的灵敏度与速度。
附图说明
图1为本发明组装改性碳纤维表面形貌图；
图2A为本发明组装改性碳纤维激光共聚焦显微图；图2B为本发明复合材料激光共聚焦显微图；
图3A为本发明复合材料冲击后激光共聚焦显微图；图3B为复合材料冲击后白光下显微图；图3C为图3A和图3B的叠加图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权力要求书中所描述的本发明。
实施例1
(1)芳稠环分子结构设计及组装液制备：将3,4,9,10-苝四甲酸二酐与辛二胺在N,N-二甲基甲酰胺中100℃反应4h得到氨基封端的苝酰亚胺，然后加入1mol/L的NaOH溶液控制溶液pH值为8，最后组装液中苝酰亚胺的质量分数为0.1％；
(2)碳纤维表面组装改性：将未上浆的碳纤维(北京化工大学BHM3)通过上述组装液中浸渍10min后，真空干燥后得到表面组装改性碳纤维，其中表面组装体含量为碳纤维的0.5wt％；
(3)碳纤维复合材料的制备：将固化剂的脂肪族缩水甘油醚型环氧树脂与上述碳纤维预浸复合，按固化制度加热，获得碳纤维复合材料；
(4)复合材料界面荧光示踪：在激光共聚焦显微镜下分别采用458nm和514nm两种波长的激发光对碳纤维复合材料进行激发，458nm激发波长下树脂显示红色荧光，改性碳纤维无荧光，514nm激发波长下改性纤维显示绿色荧光，树脂无荧光，将两种激发照片进行合成，观察到复合材料界面处出现了绿色的荧光层，厚度约为1.19μm；
(5)破坏监测：对复合材料进行低速冲击试验，在激光共聚焦显微镜下以514nm波长对冲击前后复合材料进行激发，发现复合材料冲击损伤处荧光消失。
实施例2
(1)芳稠环分子结构设计及组装液制备：将1,4,5,8-萘四甲酸二酐与己二胺在乙醇中60℃反应8h得到氨基封端的苝酰亚胺，然后加入1mol/L的NaOH溶液控制溶液pH值为9，最后组装液中苝酰亚胺的质量分数为0.5％；
(2)碳纤维表面组装改性：将未上浆的M55J碳纤维通过上述组装液中浸渍20min后，真空干燥后得到表面组装改性碳纤维，其中表面组装体含量为碳纤维的1.0wt％；
(3)碳纤维复合材料的制备：将固化剂的脂环族环氧树脂与上述碳纤维预浸复合，按固化制度加热，获得碳纤维复合材料；
(4)复合材料界面荧光示踪：在激光共聚焦显微镜下分别采用488nm和561nm两种波长的激发光对碳纤维复合材料进行激发，488nm激发波长下树脂显示蓝色荧光，改性碳纤维无荧光，561nm激发波长下改性纤维显示黄色荧光，树脂无荧光，将两种激发照片进行合成，观察到复合材料界面处出现了黄色的荧光层，厚度约为1.10μm；
(5)破坏监测：对复合材料进行低速冲击试验，在激光共聚焦显微镜下以561nm波长对冲击前后复合材料进行激发，发现复合材料冲击损伤处荧光消失。
实施例3
(1)芳稠环分子结构设计及组装液制备：将芘-3,4,9,10-四甲酸二酐与间苯二胺在乙腈中80℃反应12h得到氨基封端的芘酰亚胺，然后加入1mol/L的NaOH溶液控制溶液pH值为10，最后组装液中苝酰亚胺的质量分数为1.0％；
(2)碳纤维表面组装改性：将未上浆的T800碳纤维通过上述组装液中浸渍30min后，真空干燥后得到表面组装改性碳纤维，其中表面组装体含量为碳纤维的1.5wt％；
(3)碳纤维复合材料的制备：将固化剂的环氧化烯烃类环氧树脂与上述碳纤维预浸复合，按固化制度加热，获得碳纤维复合材料；
(4)复合材料界面荧光示踪：在激光共聚焦显微镜下分别采用514nm和633nm两种波长的激发光对碳纤维复合材料进行激发，514nm激发波长下树脂显示绿色荧光，改性碳纤维无荧光，633nm激发波长下改性纤维显示红色荧光，树脂无荧光，将两种激发照片进行合成，观察到复合材料界面处出现了红色的荧光层，厚度约为1.15μm；
(5)破坏监测：对复合材料进行低速冲击试验，在激光共聚焦显微镜下以633nm波长对冲击前后复合材料进行激发，发现复合材料冲击损伤处荧光消失。

Claims (10)

1.一种可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料，其特征是，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。
2.根据权利要求1所述的可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料，其特征在于，所述芳稠环分子的质量占所述碳纤维质量的0.5～1.5wt％。
3.根据权利要求1所述的可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料，其特征在于，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。
6.如权利要求1～5任一所述的可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料的制备方法，其特征是，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。
7.根据权利要求6所述的可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，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％。
8.根据权利要求6所述的可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，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，其中芳稠环分子表面组装层质量分数为0.5～1.5wt％。
9.根据权利要求6所述的可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，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。
10.根据权利要求6所述的可界面示踪和破坏监测的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，碱性溶液为KOH、NaOH、Ca(OH)2溶液中的一种或几种组合；所述步骤(3)中，固化制度中所用的固化剂为脂肪族多元胺、脂环族多元胺中的一种或几种。
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