[发明专利]提高树脂基体与碳纤维界面性能的方法

说明书

本发明公开了提高树脂基体与碳纤维界面性能的方法，该方法采用氧化石墨烯对碳纤维表界面进行修饰，从而获得具有高界面剪切强度和层间剪切强度的碳纤维增强树脂基复合材料，属于复合材料领域。该碳纤维增强树脂基复合材料是以氧化石墨烯改性碳纤维、树脂基体和固化剂为原料制得的，所述氧化石墨烯改性碳纤维是以横向尺寸为50～50000nm的氧化石墨烯改性碳纤维得到的。该方法在增强碳纤维复合材料的界面性能方面优势突出，且可满足高耐热树脂的高温成型要求，在多种高性能树脂基复合材料的制备中具有重要应用前景。本发明氧化石墨烯改性碳纤维增强的树脂基体复合材料层间剪切性能优良，可以应用于航空航天、轨道交通、汽车、能源和舰船等领域。

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种提高树脂基体与碳纤维界面性能的方法，以及利用该方法获得的具有高界面剪切强度和层间剪切强度的碳纤维增强树脂基复合材料。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)由于具有质轻，比强度高、比模量高，耐腐蚀性好，可设计性强、易加工等优点，在航空航天、汽车和海洋工业等领域受到了广泛的关注。碳纤维增强树脂基复合材料所采用的树脂基体分为两大类：热固性树脂和热塑性树脂，目前主要以热固性树脂为主。热固性树脂中，由于环氧树脂具有粘接性能优异、尺寸稳定性好、综合性能良好等优点，碳纤维增强环氧树脂基复合材料成为近年来应用最广泛的CFRPs。

研究发现，碳纤维增强树脂基复合材料的性能一方面与碳纤维和基体本身的固有性质有关，另一方面与碳纤维的表面性能、碳纤维与树脂基体之间的界面性能密切相关。随着高性能碳纤维不断发展，实现更高强度和模量，纤维表面结构变得更加有序光滑、惰性更强，同树脂的界面结合更差，界面性能已成为高性能碳纤维树脂基复合材料发展的重要瓶颈。

2004年，英国曼彻斯特大学Andre Geim和K S Novoselov以普通的胶带在高定向热解石墨上反复剥离，最终成功地从石墨中分离出单层石墨烯。这种单原子厚度的碳材料集超高的机械强度、热导率和理论比表面积等诸多优异性能于一身，在许多领域都引起了广泛的关注。氧化石墨烯(GO)作为石墨烯的氧化物，与石墨烯的疏水性和易团聚特点不同，其表面上含有大量的含氧官能团(包括羟基、羧基、环氧基等)，使得GO在有机溶剂中具有较好的分散性，有利于和复合材料的基体发生较强的相互作用，形成强的结合界面，改善复合材料的性能。

刘玉婷等(氧化石墨烯/炭纤维复合增强体的制备及对环氧树脂复合材料界面性能影响，新型炭材料，2018年12月，第33卷，第6期)公开了一种氧化石墨烯/碳纤维复合增强体，该复合增强体的制备方法为：首先通过重氮化电化学接枝法在炭纤维表面接枝氨基，再经第二步重氮化电化学接枝将GO接枝于炭纤维表面，即可得到氧化石墨烯/炭纤维复合增强体。虽然该氧化石墨烯/炭纤维复合增强体能够提高碳纤维与环氧树脂之间的界面性能，但是，其制备方法需要采用重氮化电化学接枝法，制备工艺复杂，而且，该氧化石墨烯/炭纤维复合增强体制得的环氧树脂复合材料的界面剪切强度(IFSS)仅为61.19MPa，还有待进一步提高。

因此，开发出工艺简单、界面性能更优异的碳纤维表界面增强方法对制备高性能碳纤维增强树脂基复合材料具有重要意义，在航空航天、轨道交通、汽车、能源和舰船等领域具有重要应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高树脂基体与碳纤维界面性能的方法，以及利用该方法获得的具有高界面剪切强度和层间剪切强度的碳纤维增强树脂基复合材料。

本发明具体提供了一种改性碳纤维，它是以横向尺寸为50～50000nm的氧化石墨烯改性碳纤维得到的。

进一步地，所述氧化石墨烯为氧化石墨烯片材，所述氧化石墨烯的横向尺寸为200～1000nm。

进一步地，所述氧化石墨烯的横向尺寸为50nm、100nm、200nm、500nm、800nm或1000nm。

进一步地，所述氧化石墨烯的横向尺寸为200nm。