[发明专利]一种碳纳米管/非晶碳/环氧树脂复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米复合材料合成与应用领域，涉及一种碳纳米管/非晶碳/环氧树脂复合材料的制备方法。

背景技术

碳纳米管由于其独特的结构而具有非常优异的力学性能，其超强的力学性能可以极大提高复合材料的强度和韧性。用碳纳米管增强环氧树脂，制备的碳纳米管环氧树脂复合材料具有优异的力学、电学、热学等特性，可应用于化工、能源、航空航天等领域。然而，碳纳米管具有非常大的比表面积和较高的长径比以及碳纳米管之间存在很强的范德华引力，从而使碳纳米管极易发生团聚和缠绕。如果在高分子树脂中的分散问题不能得到很好地解决，将会极大的影响碳纳米管对树脂的改性效果。

赵雯琦等人通过化学气相沉积法在碳纳米管表面沉积均匀的非晶碳层，可显著增强碳纳米管气凝胶的力学性能，包括强度、韧性、模量、弹性等。随着非晶碳沉积层厚度的增加，所增强的气凝胶其压缩模量由0.12增至4.86MPa提高了40倍，压缩强度也从0.016至0.99MPa提高了60倍。另外，这种碳纳米管/非晶碳复合材料为三维多孔网状结构，对有机物有很好的亲和性，利用其多孔性，直接向孔隙中灌注其它物质，避免了碳纳米管在基体材料中的分散，这将直接得到具有均匀结构的基于碳纳米管的复合材料。  

发明内容

本发明的目的是提供一种高力学性能的碳纳米管/非晶碳/环氧树脂复合材料的制备方法，其避免了碳纳米管的团聚现象，且有效提高了复合材料的力学性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种碳纳米管/非晶碳/环氧树脂复合材料的制备方法，通过使用化学气相沉积法在碳纳米管表面沉积非晶碳层以修饰碳纳米管，使基于碳纳米管/环氧树脂的复合材料力学性能得到增强，具体制备步骤如下：

一、碳纳米管海绵的制备：将洁净的石英基底放置于反应炉的石英管中间部位并密封石英管，设置反应炉升温程序，通氩气以排除石英管内残余空气，反应炉升温至820~940℃时在氢气/氩气混合气氛下注入二茂铁/二氯苯碳源溶液进行反应，反应后关掉氢气和二茂铁/二氯苯碳源溶液的注入，在氩气保护下随炉降温；

二、碳纳米管/非晶碳复合材料的制备：将所得到的碳纳米管海绵切成一定尺寸块体，放入反应炉中，在氩气气氛下升温至一定温度时，通入乙炔气体，反应一段时间后关闭乙炔气体，并在氩气气氛下随炉降温，降至室温时取出产物；

三、碳纳米管/非晶碳/环氧树脂复合材料的制备：将制备的碳纳米管/非晶碳气凝胶切块，并称量、记录；将环氧树脂溶解于溶剂中，配制成具有一定浓度的环氧树脂溶液，控制环氧树脂与溶剂体积比为1:3~10，加入固化剂，搅拌混合均匀；将碳纳米管/非晶碳气凝胶样品浸入环氧树脂溶液中，浸渍15~25分钟以使环氧树脂溶液被吸入碳纳米管/非晶碳气凝胶的孔隙中；将其与环氧树脂溶液一起转移至真空干燥箱中并在室温下进行真空干燥以除去环氧树脂溶液中的溶剂，直至环氧树脂不再有气泡冒出，此时已除尽溶剂；将碳纳米管/非晶碳气凝胶从环氧树脂溶液中取出，并于50~65℃下保温固化数小时，最终得到碳纳米管/非晶碳/环氧树脂复合材料。

所述步骤一中，为排净反应室内空气通入氩气流量为600~1000mL/min；反应时，氢气流量为100~500mL/min，氩气流量为1600~2400mL/min，同时通入；二茂铁/二氯苯碳源溶液的浓度为20~100mg/mL，进给速度为0.1~0.3mL/min；冷却时，氩气流量为600~1000mL/min。

所述步骤二中，一定尺寸块体为长20~50mm、宽5~10mm、高2~5mm，氩气流量为200~400 mL/min，乙炔流量为10~50mL/min，降温时氩气流量不变，仍为200~400 mL/min。

所述步骤三中，溶剂为丙酮，固化剂为聚酰胺，环氧树脂与固化剂质量比为3~1：1，50~65℃下保温时间为8~12h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提出了一种碳纳米管/非晶碳/环氧树脂复合材料及其制备方法，这种碳纳米管/非晶碳复合材料为三维多孔网状结构，对有机物有很好的亲和性，利用其多孔性，直接向孔隙中灌注其它物质，避免了碳纳米管在基体材料中的分散，这将直接得到具有均匀结构的基于碳纳米管的复合材料。

2、本发明所制备的碳纳米管/非晶碳/环氧树脂复合材料的强度和模量较纯环氧树脂和碳纳米管/环氧树脂都有较大提高。