[发明专利]一种具有自修复的碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有自修复的碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用。该碳纤维/环氧树脂复合材料的制备包括步骤：S1.制备呋喃化合物接枝的碳纤维，标记为CF‑A；S2.合成环氧基马来酰亚胺衍生物，标记为MEX；S3.将MEX、环氧树脂单体和胺类固化剂混合，所得复合材料为MEX‑E；将CF‑A加入到MEX‑E中置于55～70℃下进行预固化，然后在110～150℃下固化制得。本发明在碳纤维的表面上引入了呋喃基团，在环氧树脂基体中引入马来酰亚胺基团，通过可逆的双烯合成反应形成化学键接。在碳纤维/环氧树脂基体的界面遭到破坏后，可通过温和的条件控制反应的正逆进行，实现该界面的高效且多次的自修复。

技术领域

本发明属于复合材料界面改性技术领域，更具体地，涉及一种具有自修复的碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

复合材料已经成为21世纪材料领域当之无愧的最前沿发展方向。其中，热固性树脂复合材料则是应用最广泛的一类复合材料。碳纤维增强热固性树脂复合材料具有轻质，高强高模等优异的物理性质。在树脂基体中加入碳纤维，能够明显地改善树脂基体的热变形性能，力学性能等，同时能大大降低材料的密度。然而，在使用过程中，材料会不可避免地受到冲击，剪切，腐蚀等外界作用，使其在内部形成细小的微裂痕，微裂痕引起的应力集中现象又会使其承受更多的外界作用，从而迅速地发展为宏观裂纹，甚至肉眼可见的大型裂痕。在碳纤维增强热固性复合材料中，由于碳纤维的表面呈现化学惰性，表面能低，与树脂基体之间的界面粘结强度弱，形成弱界面层。在复合材料受力时容易从弱界面层发生破坏，难以充分发挥碳纤维高强高模的特性。因此研究者们针对碳纤维与基体的界面层进行了一系列的改性研究。其中，自修复性能的引入是一种最前沿的改性方法。当碳纤维与树脂基体的弱界面层被破坏后，可以通过化学键接的方法，对破坏产生的微裂痕进行修复，阻止其进一步发展为宏观裂痕，从而延长材料的使用寿命。

双烯合成反应(简称DA反应)，是一种稳定温和且可控的可逆反应。其中，呋喃基团与马来酰亚胺基团之间进行的DA反应是典型代表。这两种基团在高于室温的条件下，会发生DA反应而相互键合，若是继续提高温度至100℃以上，则会解除该键合。在碳纤维与环氧树脂基体中，分别引入呋喃基团与马来酰亚胺基团后，在碳纤维与环氧树脂之间的弱界面层被破坏后，可以先加热至100℃以上解除所有DA键合后，再降低至60～70℃保温，重新进行DA键合，即可将被破坏的界面进行修复。该方法在弱界面层修复领域表现出巨大的潜力。但直至今日，在碳纤维增强复合材料的领域，关于弱界面自修复方面的研究工作尚有许多空白之处，该领域存在的许多问题尚未能得到解决。因此，发明一种DA自修复的碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法，在科技及生产领域，具有重大的意义与巨大的价值。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明的目的在于提供了一种具有自修复的碳纤维/环氧树脂复合材料。

本发明另一目的在于提供了上述具有自修复的碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法。该方法在碳纤维表面和树脂基体中分别引入可发生DA可逆反应的化合物，通过加热实现碳纤维增强环氧树脂复合材料界面具有自修复功能。

本发明再一目的在于提供一种上述具有自修复的碳纤维/环氧树脂复合材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种具有自修复的碳纤维/环氧树脂复合材料，所述碳纤维/环氧树脂复合材料的制备包括如下具体步骤：

S1.呋喃化合物接枝的碳纤维的制备：

(1)碳纤维的表面氧化处理：将碳纤维浸入浓硝酸，加热升温至90～120℃，表面氧化处理，得到表面带有反应性羧基或羟基的氧化碳纤维，标记为CF-O；

(2)碳纤维表面接枝六氯环三磷腈上：将上述CF-O置入溶剂Ⅰ中，再加入六氯环三磷腈与缚酸剂三乙胺，在30～60℃下搅拌反应，用相应溶剂Ⅰ洗涤碳纤维后干燥，获得六氯环三磷腈接枝的碳纤维，标记为CF-H；