[发明专利]一种结构高阻尼碳纤维复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种结构高阻尼碳纤维复合材料，包括多个碳纤维增强树脂层/碳纳米管泡沫层单元结构；每个碳纤维增强树脂层/碳纳米管泡沫层单元结构均由两碳纤维增强树脂层及其夹持在两碳纤维增强树脂层中间的碳纳米管泡沫层构成。本发明采用商业化碳纳米管泡沫作为阻尼层，通过简单易行的技术实现复合材料性能的提高；所采用的碳纳米管泡沫具有比表面积大、韧性优、与树脂浸润性好的优点，碳纤维树脂层进入碳纳米管泡沫后可显著提高层间剪切强度20％以上。本发明的碳纤维复合材料具有高力学性能与高阻尼的特点，其拉伸强度可达1800MPa以上，层间剪切强度在90MPa以上，阻尼系数为0.1以上。

技术领域

本发明涉及复合材料及其制备领域，具体涉及一种结构高阻尼碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，机械设备趋于高速和自动化，随之引起的振动和噪声问题也越来越突出。一般来说，振动对系统本身及环境都是有害的，它直接影响到机器或结构的工作性能、精度、效率、寿命、安全性和稳定性，有时甚至会造成系统失效。特别是在航天领域，以运载火箭为例，在其发射和运行阶段均会产生强烈的振动，这些振动传递给卫星部件，对卫星的性能产生不良影响。目前，阻尼材料在航空航天、工程机械、建筑、运输交通等领域得到十分广泛的应用。阻尼材料根据材料类型分为：粘弹性阻尼材料、高阻尼合金和阻尼复合材料。目前，阻尼材料具有共同的特点：阻尼性高的材料力学性能较低，其不能作为结构材料用；反之，力学性能优异的材料其阻尼性能较差。

碳纤维复合材料具有比强度高、比刚度高的突出优势，其在航空航天等领域已大规模应用。为了提高其阻尼性能，目前通常采用改性树脂和外贴粘弹性橡胶等方式提高其阻尼性能。目前发现，改性树脂对于碳纤维复合材料改善阻尼性能的效果不明显；而外粘弹性橡胶的引入不仅会增加额外重量，而且会使整体体系的耐温性大幅度降低。此外，一些专利采用热塑性树脂膜置于碳纤维复合材料层间以提高其阻尼性能，此方法通常会降低碳纤维复合材料的耐温性。还有一些专利采用陶瓷纤维、玻璃纤维、有机纤维做成的无纺布置于碳纤维复合材料层间从而制备结构-阻尼一体化复合材料，由于纤维尺寸为微米级且无纺布的厚度较大，引入无纺布后复合材料力学性能会降低。近年来，碳纳米管宏观体的发展为结构高阻尼材料开辟了新的方向。碳纳米管泡沫是由碳纳米管相互交织形成的宏观体，在应力下碳纳米管间相互作用从而消耗大量的能量，从而可以达到0.3以上的阻尼系数，同时其耐温性极好。通过碳纤维复合材料和碳纳米管泡沫的结合有望实现碳纤维复合材料的高力学性能和高阻尼一体化。但是，碳纳米管泡沫的中纳米孔使其厚度方向的树脂渗透率较低，很难将二者直接复合制备高性能的复合材料，因此在实际应用过程中受到限制。因此，迫切需要一种制备结构高阻尼碳纤维复合材料的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构高阻尼碳纤维复合材料及其制备方法，所得碳纤维复合材料同时具有高力学性能和高阻尼的特点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种结构高阻尼碳纤维复合材料，包括多个碳纤维增强树脂层/碳纳米管泡沫层单元结构；每个碳纤维增强树脂层/碳纳米管泡沫层单元结构均由两碳纤维增强树脂层及其夹持在两碳纤维增强树脂层中间的碳纳米管泡沫层构成。

优选地，所述碳纤维增强树脂层中的碳纤维包括碳纤维长丝和碳纤维短切纤维。

优选地，所述碳纳米管泡沫层为含有纳米孔和微米孔的碳纳米管网络结构。

优选地，所述碳纳米管泡沫的密度为：0.01g/cm³～0.2g/cm³。

优选地，所述碳纳米管泡沫的厚度为：1μm～20μm。

本发明还提供了上述一种结构高阻尼碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备碳纤维增强树脂层；

S2、制备含有微孔的碳纳米管泡沫层；