[发明专利]一种多尺度微纳米粒子层间增韧复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体是一种多尺度微纳米粒子层间增韧复合材料的制备方法。

背景技术

复合材料以其轻质、高强、耐腐蚀等特性在很多领域得到了广泛的应用，特别是在航空、航天领域，其中，用量最大、最重要的复合材料为结构用纤维增强热固性树脂基复合材料。然而，作为一种常用的结构件，复合材料的层间断裂韧性差一直是阻碍其发展的主要因素。因此，对复合材料层间断裂韧性的提升就成为学术界和工业界共同关注的焦点。

在纤维增强热固性树脂基复合材料中，纤维是沿x、y方向(即面内)增强的，z方向(沿厚度方向)没有增强，所以复合材料抵抗层间裂纹扩展，即抗分层能力只能依赖于基体材料的断裂韧性。在纤维增强热固性树脂基复合材料中，层间分层作为一种常见的潜在失效形式，会引起刚度和强度的变化，且复合材料表面下的局部分层往往难以观测到，使复合材料的性能在没有明显外观损伤的情况下产生灾难性失效，从而导致稳定性和安全性问题。

目前，提高复合材料层间断裂韧性的方法主要有2类：一是提高基体树脂的韧性；二是对纤维表面进行改性，以增强其与基体树脂的粘合作用。然而，这两种方法都有各自的不足。对基体树脂增韧，会引起其他性能损失、加工性能恶化，使树脂不能满足现代工业对低成本、高效率成型方法的应用要求，比如其粘度不能满足RTM成型的要求；而纤维表面改性，存在的主要问题是性能提升有限，且工艺复杂，难于控制，成本高。因此，发展满足RTM成型要求、综合性能优异、可增加层间断裂韧性的方法就成为迫在眉睫的实际需求。

层间增韧是一种有效的提高复合材料层间断裂韧性的方法，传统的层间增韧方法多采用热塑性薄膜、热塑性颗粒，这样的工艺不利于RTM成型，且最终制品的热性能、其他力学性能等受到影响。采用改性后的多尺度无机粒子层间增韧，既可以满足RTM成型工艺要求，又可以在保持热性能、其他力学性能的前提下，利用不同尺度颗粒的不同增韧机理，实现层间断裂韧性的大幅提高，这种适用于RTM成型的多尺度颗粒层间增韧复合材料的新方法目前尚未见报道。

发明内容

本发明旨在提供一种适用于RTM成型的多尺度微纳米粒子层间增韧复合材料的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种多尺度微纳米粒子层间增韧复合材料的制备方法，其步骤为：

1)将体积比为1:9～9:1的乙醇和水混匀，调节pH到1～6，加入硅烷偶联剂，使得溶液中硅烷偶联剂的质量百分数为1～15wt％，将硅烷偶联剂溶液置于25～90℃下水解10～90min；

2)分别将微米和纳米粒子加入到步骤1)所配制的硅烷偶联剂溶液中，在25～70℃下磁力搅拌10～90min，冷却至室温，抽滤、干燥、研磨、筛分后分别得到改性粒子；将改性后的微米和纳米粒子按照质量比1:3～3:1加入到蒸馏水中，超声分散15～90min，然后将混合溶液均匀喷涂在纤维布表面，并将喷涂有改性微纳米粒子的纤维布在25～110℃的烘箱内放置5～120min，然后冷却至室温，取出待用；

3)将步骤2)所得到的纤维布铺设于模具中，采用RTM工艺把热固性树脂注射至模具中，进行固化，得到多尺度微纳米粒子层间增韧复合材料。

本发明中改性后的微米粒子和纳米粒子同时存在于复合材料层间，以协同增韧复合材料。

进一步，所述的硅烷偶联剂为KH550、KH560、KH570中的一种或任意几种以任意比例混合的混合物。

另外，所述的微米和纳米粒子均为无机粒子，所述的无机粒子为陶瓷颗粒、三氧化二铝、二氧化硅、石墨烯、粘土、金刚石、富勒烯、碳管中的一种或任意几种以任意比例混合的混合物。上述无机粒子具有刚性强、耐热性能好的特点，使用后可以在一定程度上提高复合材料的力学性能，同时又不会损伤复合材料的耐热性能，另外可以制备综合性能优异的复合材料体系。

所述微米粒子的粒径范围为1um～30um，纳米粒子的粒径范围为3nm～30nm。若采用的微米粒子和纳米粒子大于上述粒径范围，则会使固化体系在粒子周围形成应力集中点，使得材料的性能受到损伤，同时会很大程度上阻碍树脂的流动性，使复合材料成型困难。若小于上述粒径范围，则会造成粒子的团聚，在一定程度上恶化复合材料的性能。

优选的，纤维布表面喷涂的改性微纳米粒子的面密度为5～50g/m²。采用上述面密度的优势是既满足了微纳米粒子增韧复合材料所需要的最小面密度，又不会造成密度过大对复合材料最终力学性能的影响。