[发明专利]碳纳米管垂直于纤维方向单向增强复合材料的成型方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及纤维增强复合材料技术领域，特别涉及定向碳纳米管增强单向预浸料加工技术。

背景技术

纤维增强树脂基单向复合材料纤维之间受树脂基体和纤维-树脂界面性能的制约，与纤维方向相比，性能存在着很大的差距，成为微观上造成复合材料破坏最常见的诱因，在宏观上则表现为复合材料层间强度低，冲击损伤容限小，热性能差。这使得复合材料设计及应用受到很大限制，影响了复合材料优势的发挥。对于单向预浸料，同由其制备的单向复合材料一样，存在垂直于纤维方向强度低、延伸率小、承载能力弱等问题，其力学、热等性能直接影响到制备出的层合复合材料整体性能。

碳纳米管(CNTs)自1991年被Iijima发现，众多研究表明CNTs具有理论高达200GPa的超高强度和1TPa以上的超高模量，其理论抗拉强度是钢的100倍，密度仅为钢的1/7～1/6。CNTs被认为是当前先进树脂基复合材料最具潜力的增强相材料之一。

关于碳纳米管增强纤维复合材料的研究已有报道。

目前碳纳米管取向技术主要有过滤法、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、模板法等，这些方法制备的取向CNTs复合材料尺寸小，不能有效提高大尺寸复合材料面内力学、热、电性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直于纤维方向的碳纳米管增强单向预浸料的成型方法，解决现有纤维增强复合材料垂直于纤维方向强度低、延伸率小、承载能力弱等问题。

本发明的目的是这样实现的，通过对分散于树脂中的碳纳米管施加直流电场，实现碳纳米管在胶液中的有序排列，在树脂浸渍过程中实现碳纳米管在垂直于纤维方向取向，提高复合材料垂直于纤维方向的导热、导电以及力学性能；在挤压辊和烘干室之间再次施加直流电场，使浸渍在纤维束表面的CNTs进行二次取向，进一步提高CNTs在纤维束表面的取向率，从而提高复合材料在垂直于纤维方向的导热、导电以及力学性能。

本发明涉及的碳纳米管垂直于纤维方向单向增强复合材料的成型方法，包括胶液配制、纳米管取向、浸胶和缠绕成型工序，所述纳米管取向和浸胶工序在垂直于纱束1运行方向的直流电场A中进行，缠绕装置结构如附图1所示。

本发明涉及的碳纳米管垂直于纤维方向单向增强复合材料的成型方法，包括胶液配制、纳米管取向、浸胶和缠绕成型工序，所述纳米管取向和浸胶工序在垂直于纱束1运行方向的直流电场A中进行；在挤胶辊3和烘干室7之间、垂直于纱束运行方向的直流电场B中进行二次取向，缠绕装置结构如附图2所示。

本发明涉及的碳纳米管垂直于纤维方向单向增强复合材料的缠绕成型方法，包括胶液配制、纳米管取向、浸胶和缠绕成型工序，所述纳米管取向和浸胶工序在垂直于纱束1运行方向的直流电场A中进行，浸胶前纳米管预取向时间不低于1分钟。

本发明涉及的碳纳米管垂直于纤维方向单向增强复合材料的成型方法，包括胶液配制、纳米管取向、浸胶和缠绕成型工序，所述浸胶工序的直流电场A的电场强度不低于10⁴V/m。

本发明涉及的碳纳米管垂直于纤维方向单向增强复合材料的成型方法，包括胶液配制、纳米管取向、浸胶和缠绕成型工序，所述直流电场B的电场强度不低于 10⁴V/m。

本发明涉及的碳纳米管垂直于纤维方向单向增强复合材料的成型方法，包括胶液配制、纳米管取向、浸胶和缠绕成型工序，所述直流电场A的电场强度介于10⁵V/m~ 6×10⁵V/m之间, 直流电场B电场强度介于10⁵V/m~ 6×10⁵V/m之间。

本发明涉及的碳纳米管垂直于纤维方向单向增强复合材料的成型方法，操作简单，易于控制，设备改造要求低，投资少，见效快，广泛适用于半干法缠绕体系，特别适用于单向预浸料及其复合材料成型。采用该方法加工的复合材料碳纳米管取向度高，复合材料层间性能、压缩性能和冲击韧性大幅提高，复合材料横向拉伸强度可提高5%~90%。

附图说明

图1 本发明涉及的一种缠绕取向装置结构示意图

图2 本发明涉及的另一种缠绕取向装置示意图 

其中：1–纱束，2–胶辊，3–挤胶辊，4–胶槽，5–电极A，6–电极B，7–烘干室。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明涉及的技术方案进行进一步的说明，但不作为对技术方案的限制。

实施例一