一种多性能碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法

本发明属于复合材料制备和改性，特别涉及一种具有优异力学性能和有效电磁干扰屏蔽性能的碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着5g技术的飞速发展，无线通信设备的广泛使用不可避免地提高了环境中的电磁辐射水平，对人体健康和国防信息安全构成潜在威胁。在各种电磁干扰屏蔽材料中，虽然传统的金属基复合材料具有优异的电磁干扰屏蔽性能，但由于存在密度大、耐腐蚀性差和成本高等原因，无法满足工业应用中日益增长的轻量化需求。相比之下，碳纤维增强聚合物复合材料因具有高化学稳定性和低密度等优点而被认为是实现电磁干扰屏蔽材料轻量化需求的理想候选材料，并在军事装备、航空航天和汽车等各个领域中得到了广泛的应用。一般来说，在聚合物基体中引入导电或磁性填料可以显著提高碳纤维增强聚合物复合材料的电磁干扰屏蔽效能。然而，上述方法具有一定的局限性。当填料含量过高时，复合材料内部极易发生团聚现象，从而大大降低了复合材料的力学性能，严重限制了复合材料在实际应用中的潜力。因此，设计一种兼具优异力学性能和有效电磁干扰屏蔽性能的碳纤维增强聚合物复合材料具有重要意义。

2、众所周知，碳纤维增强聚合物复合材料的力学性能主要取决于碳纤维与聚合物基体之间的界面性能。不幸的是，碳纤维的化学惰性表面往往导致较弱的界面结合强度。针对这种情况，在碳纤维表面引入纳米填料作为界面增强相被认为是一种有效的方法。纳米填料的引入一方面可以增加纤维表面粗糙度，在很大程度上促进聚合物和纤维之间充分渗透和机械互锁，从而改善界面结合力，提升复合材料的力学性能。另一方面还可以促进界面处形成复杂的导电网络和独特的层次结构，有利于载流子运输和电磁波的吸收与反射。

3、近年来，利用金属氧化物纳米填料(如fe3o4、nico2o4、zno等)来改碳纤维与聚合物基体之间的界面结合性能已形成研究趋势。其中，co3o4作为一种很受欢迎的磁性p型半导体材料，由于其环境友好、合成简单、成本低廉等特点，被广泛应用于传感器、磁性半导体和电极材料等领域，被认为是改善碳纤维增强聚合物复合材料的界面性能和实现电磁干扰屏蔽性能的理想纳米填料之一。然而，由于碳纤维的化学惰性表面，co3o4纳米片在传统加工过程中易发生从纤维表面脱落的现象，这将给复合材料的界面改性带来重大挑战。因此，迫切需要一种新的设计理念来促进纳米填料在界面处的分散和牢固，最大化实现复合材料的力学性能和电磁干扰屏蔽性能。

4、聚多巴胺是一种受自然界贻贝生物粘附特性的启发而成的仿生材料，因其具有强大的粘附性和大量的活性官能团(如儿茶酚基和氨基)而引发了研究者的广泛关注。在碳纤维表面自聚合聚多巴胺可通过与金属离子发生强有力的螯合作用而成为牢牢黏附纳米填料的功能性平台，增加纤维表面自由能和粗糙度，促进纤维与基体之间的充分渗透，从而增强界面结合性能。因此，有必要利用具有强粘附性的聚多巴胺有机层和价格低廉的无机co3o4纳米片协同修饰复合材料的界面性能和电磁干扰屏蔽性能，这对制备多性能碳纤维增强聚合物复合材料具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种多性能碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法，一方面解决了目前碳纤维与树脂基体之间界面强度低、浸润性较差与黏结力不足等弊端，另一方面改善了有关研究中具备优良电磁屏蔽性能的碳纤维增强聚合物复合材料力学性能较差这一问题。该方法从复合材料的微观界面方面进行了结构优化，使材料弯曲强度、层间剪切强度和电磁干扰屏蔽性能均得到显著提高。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

3、一种多性能碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

4、s1、碳纤维的表面改性：将去浆碳纤维丝束缠绕在自制模具中充分清洗后，浸渍于盐酸多巴胺溶液中并充分分散，随后调节溶液ph值至8.5，室温下充分搅拌，烘干后得到经有机聚多巴胺层改性的碳纤维丝束。随后，将所述纤维丝束置于0.5g/l～2g/l的co3o4纳米片乙醇分散液中并充分分散，使co3o4纳米片均匀黏附在纤维表面的聚多巴胺(pda)层上，烘干得到co3o4-pda协同改性的碳纤维丝束。其中，co3o4纳米片质量百分比为0.5％～2％。

5、s2、复合材料的制备：将环氧树脂、固化剂和稀释剂按照一定的质量比充分搅拌，得到环氧树脂基体。随后在真空条件下使s1中所述co3o4-pda协同改性的碳纤维丝束与上述基体充分浸润，得到纤维预浸料。将所述预浸料经过一系列固化成型工艺后得到多性能的co3o4-pda协同改性碳纤维/环氧树脂复合材料。

6、优选的，s1中的自制模具为中空圆柱体，直径9cm，高度20cm。

7、优选的，s1中的碳纤维表面充分清洗处理步骤：将去浆碳纤维丝束浸没在无水乙醇溶液中超声清洗30min三次后将丝束捞出，鼓风干燥箱中75℃下干燥8h得到清洁后的碳纤维丝束待用；盐酸多巴胺溶液浓度为0.01mol/l，ph缓冲剂为三羟甲基氨基甲烷(浓度为0.01mol/l)。

8、优选的，s1中的分散方式为超声分散，分散时间为5～30min；搅拌方式为在室温条件下避光磁力搅拌，转速为800～1200r/min，搅拌时间为24h；烘干方式为真空干燥箱40℃下干燥5～8h。

9、优选的，s1中的co3o4纳米片的制备方法：将0.932g硝酸钴加入到含有62.4ml去离子水的烧杯中，磁力搅拌至溶解后，缓慢滴入三乙胺至ph为11后磁力搅拌0.5h，使反应充分进行，随后置于聚四氟乙烯反应釜中180℃下反应12h，将水热产物分别用无水乙醇和去离子水离心洗涤至上清液为中性，60℃真空干燥8h后置于马弗炉中，在n2气氛下400℃煅烧4h(10℃·min-1)，冷却至室温后，得到co3o4纳米片。

10、优选的，s2中的环氧树脂为e51型环氧树脂，固化剂为低分子650聚酰胺固化剂，稀释剂为烷基缩水甘油醚，三者质量比为5：3.5：1。

11、优选的，s2中的搅拌方式为在35℃下水浴搅拌15～45min；真空浸润方式为将手糊成型得到的纤维丝束与基体混合物在真空干燥箱中55℃下持续30～45min。

12、优选的，s2中的固化成型工艺操作方法：将预浸料分别置于尺寸为80mm*12.5mm*2mm的弯曲试样不锈钢模具和24mm*8mm*4mm的层间剪切试样不锈钢模具中，在15～18mpa条件下保持30min，随后置于鼓风干燥箱中90℃下保持2h和130℃下保持3h。

13、相比于现在技术，本发明具有以下增益效果：

14、本发明与传统实现对碳纤维/环氧树脂复合材料改性的策略不同，通过在碳纤维与树脂基体界面处微观调控，将聚多巴胺原位聚合在碳纤维表面后使其作为功能性平台负载磁性co3o4纳米片，不仅能够有效改善金属氧化物纳米片改性纤维时发生的脱落现象，还能通过改善界面结合强度来实现复合材料的力学性能的提升，以及形成复杂的导电网络和独特的层次结构，延长电磁波在复合材料内部的传播路径，促进载流子的传输，最后以热能的形式消耗电磁波。简而言之，本发明为设计具有多性能的碳纤维增强聚合物复合材料具有重要意义。