[发明专利]一种碳纳米管微球/玻璃纤维协同增强环氧复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纤维增强复合材料技术领域，具体涉及一种碳纳米管微球/玻璃纤维协同增强环氧复合材料的制备方法。

背景技术

玻璃纤维增强复合材料以其自身高强度、高模量、良好的易成型性、抗腐蚀和疲劳损伤等优良特性，广泛应用于航空、石化、新能源等诸多领域。复合材料的性能不仅取决于增强纤维与基体的性能，而且很大程度上取决于界面结合的强弱。玻璃纤维增强复合材料具有比强度、比模量高的特点，但是具有较大的脆性，抗冲击性能较差。碳纳米管(CNTs)具有较大长径比、优良的热传导性、密度轻等优点，并具有高强高弹的特性，碳纳米管可以通过对纤维/树脂界面的增强增韧实现纤维增强复合材料性能的提升。因此碳纳米管常被用于玻璃纤维增强树脂基复合材料中，成为研究热点。

当前，CNTs引入纤维增强复合材料体系的主要方式是将CNTs直接混合分散于树脂中，然后通过树脂传递成型工艺制备玻璃纤维增强复合材料，如王柏臣等[王柏臣，尹君山，王莉.RTM成型碳纳米管/玻纤混杂多尺度复合材料的电性能[J].沈阳航空航天大学学报，2013，30(1)：61-65]采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备CNTs/玻璃纤维/环氧混杂多尺度复合材料，研究其结构与电性能的相关性。赵艳文等[赵艳文，叶宏军，翟轶卓，等.碳纳米管/玻纤/环氧层板超声真空灌注工艺及性能研究[J].航空材料学报，2013，33(4)：57-63]采用超声波辅助真空灌注工艺制备复合材料层板，添加0.05wt％的CNTs后复合材料的力学性能得到提高。发明人研究发现，CNTs在真空辅助树脂灌注工艺(VARIM)过程中，很容易在注胶口造成局部堆积，不仅严重影响树脂的灌注过程，而且造成CNTs在复合材料中的分布不均，严重影响复合材料性能的稳定性。Elisabete等[Elisabete F.，Reia da Costa.RTM processing and electrical performance of carbon nanotube modified epoxy/fibre composites[J].Composites(Part A)，2012，43(4)：593-602]也发现采用真空辅助树脂传递成型工艺(VARTM)制备复合材料过程中，出现注胶口和出胶口碳纳米管分布不均的现象。同时，Fan Z.H.等[Fan Z.H.，Santarea M.H.，Advani S.G..Interlaminar shear strength of glass fiber reinforced epoxy composites enhanced with multi-walled carbon nanotubes[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2008，39(3)：540-554]研究发现，当CNTs在环氧树脂中的质量分数低于0.5％时，可以使用真空灌注成型VARIM制备CNTs-玻璃纤维/环氧树脂复合材料；若CNTs质量分数大于0.5％时，由于纤维表面的过滤作用且沿厚度方向渗透率降低，CNTs容易聚集在纤维织物表面，大大降低其对复合材料的层间增强效果，甚至出现由于CNTs团聚导致复合材料力学性能降低的情况。为此，Fan等[Fan Z.H.，Santarea M.H.，Advani S.G..Interlaminar shear strength of glass fiber reinforced epoxy composites enhanced with multi-walled carbon nanotubes[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2008，39(3)：540-554.]又采用双真空灌注工艺(DVARIM)实现无正压条件下树脂渗透，提高了织物的渗透性，使得较高含量的CNT均匀分布，进一步提高了层间剪切性能。但是Chandrasekaran等[Chandrasekaran V.C.S.，Advani S.G.，Santare M.H..Role of processing on interlaminar shear strength enhancement of epoxy/glass fiber/multi-walled carbon nanotube hybrid composites[J].Carbon，2010，48(13)：3692-3699.]同样使用DVARIM制备了CNT/玻纤/复合材料层板，层板的性能并未发生明显的提高。因此，高性能碳纳米管/树脂复合材料制备的关键之一是要保证CNTs良好的分散和取向，这样才能最大限度实现树脂及界面的增强。如何通过制备工艺提高CNTs的增强效果还需要开展深入的研究工作。