[发明专利]一种自修复界面的碳纤维复合材料的制备方法及其自修复方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料的制备方法及其自修复方法。

背景技术

进入21世纪后，世界各国越来越注重研发新材料的性能。其中由于树脂基碳纤维复合材料具有高轻性，高强度，高机械性能，因而被广泛的应用到了航空航天，潜水深海，军工制造等领域。碳纤维复合材料是由碳纤维、树脂基体以及两者之间的界面相组成，碳纤维主要起承载作用，树脂基体主要起连接增强相和传载作用，而界面相作为复合材料另一个重要的微结构，不仅起着连接碳纤维与树脂基体的“桥梁”作用，也是外加荷载从树脂基体向碳纤维传递的“纽带”。界面相的结构、组成、性质、结合方式以及界面相的粘结强度对复合材料的力学性能及破坏行为有着重大的影响。可以认为，对于给定的碳纤维与树脂基体复合材料，界面相是决定该碳纤维与树脂基体复合材料性能的决定性因素。

国际上，专门就复合材料界面问题召开过多次国际性会议((ICCI)，国内也召开过多届全国性的界面工程研讨会，足见人们对复合材料界面的重视程度。界面相的作用是多方面的，其中最重要的作用之一是传递荷载，使碳纤维与树脂基体充分发挥协同效应。界面相的性能将直接影响碳纤维与树脂基体间的应力传递与分布，从而影响复合材料的力学性能。界面相的特性还会影响复合材料使用过程中内部的损伤累积与裂纹传播的过程，碳纤维复合材料的破坏经常出现在界面层，从而影响碳纤维复合材料使用的可靠性，使得碳纤维复合材料的推广受到了很大的制约。因此，对碳纤维复合材料界面自修复的研究具有重要的意义，既可以延长碳纤维复合材料的使用寿命又可以降低维护碳纤维复合材料的成本，现有申请号为200810025910.X的中国专利《一种高温自修复型纤维增强环氧复合材料及其制备方法》，该方法通过将分别含有环氧树脂预聚物和固化剂的双胶囊修复体系均匀混合到树脂基体中,再将基体固化剂、催化剂加入其中混合均匀,进一步用所得混合物浸润纤维增强材料,最后固化成型得到自修复型纤维增强聚合物基复合材料。制备工艺复杂，且制备的高温自修复型纤维增强环氧复合材料不能够重复使用，多次修复。

发明内容

本发明是为了解决现有的自修复材料不能够重复使用，多次修复的技术问题，而提供一种自修复界面的碳纤维复合材料的制备方法及其自修复方法。

本发明的一种自修复界面的碳纤维复合材料的制备方法按以下步骤进行：

一、按聚醚砜树脂与氮甲基吡咯烷酮质量比为（1~5）：100，称取聚醚砜和氮甲基吡咯烷酮，然后加入到搅拌器中，在转速为60~80r/min的条件下进行搅拌，使聚醚砜树脂溶解在氮甲基吡咯烷酮中，得到涂层溶液；

二、将碳纤维浸没于步骤一得到的涂层溶液中浸渍处理20~40min，浸渍过程中辅以超声振荡处理,其中超声频率为70~110KHz，然后取出，在温度为60~200℃的条件下，干燥0.5~5min，得到自修复界面的碳纤维复合材料，其中涂层厚度为涂层的厚度为0.05-0.3μm。

本发明的一种自修复界面的碳纤维复合材料的自修复方法按以下步骤进行：

将受损后的自修复界面的碳纤维复合材料接入外电源，在电流强度为5~8mA的条件下通电1~3min，完成碳纤维复合材料的自修复。

本发明的有益效果：

本发明的一种自修复界面的碳纤维复合材料的制备方法，通过多次试验寻求热塑性树脂与有机溶剂的最佳配比，即聚醚砜树脂与氮甲基吡咯烷酮的最佳配比，试验表明当树脂含量低于1%时，不利于涂层溶液在纤维表面成膜涂覆，当含量高于5%时，达不到纤维丝条整体松散程度、开纤性以及单根纤维间的交联程度等性能指标，得到该最佳配比为聚醚砜树脂与氮甲基吡咯烷酮的质量比是（1~5）：100，本发明制备的一种自修复界面的碳纤维复合材料，当界面受损后，应用本发明的接入外电源通电的方法进行修复,因为碳纤维是导电体,聚醚砜树脂是热塑性树脂，通过电流后会产生大量的热量，使聚醚砜树脂受热,当温度高于聚醚砜树脂的玻璃化转变温度时聚醚砜树脂变成粘流态,流动的聚醚砜树脂重新与碳纤维紧密结合,当外电流撤去后温度降低,聚醚砜树脂重新固化,此时破坏的界面得以修复，本发明的修复方法，修复效率高，单次修复效率可达90%~95%，并且能够进行多次修复，多次修复后的效率仍可达87.5%，使得碳纤维复合材料能够重复使用，降低了材料使用的成本，同时延长了材料的使用寿命，且修复时间为1~3min，修复时间短，修复时无需额外添加其他化学物质，环保节能，广泛的应用在航空航天，潜水深海，军工制造等领域。

附图说明

图1是试验二界面剪切强度测试原理图；其中1为碳纤维，2为树脂球，3为刀具，