具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备及自修复方法

摘要

具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备及自修复方法，本发明涉及碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备及自修复方法。本发明是要解决传统的碳纤维复合材料易产生裂纹，降低材料的机械性能，并难以修复的问题。方法：一、制备碳纤维/金纳米粒子复合材料；二、制得具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料。本发明制备的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料具有界面自修复性能，并且光照可以修复碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的界面。本发明用于制备具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料及受损碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的自修复。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备及自修复方法。

背景技术

金纳米粒子具有所有纳米微粒都具有的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，但金 纳米粒子最引人关注的性质是局域表面等离子体子共振效应（LSPR）。金纳米粒子具有高 度活跃的外层电子，当光（电磁）波辐射到粒径远小于其激发波长的金属纳米粒子时，产 生的表面等离子体波被限定在纳米结构的附近，当入射光频率与自由电子集体振荡频率相 当时则产生共振，被称为LSPR。可以将金纳米粒子看成是由带正电的原子核和带负电的 自由电子组成的，当金纳米粒子表面受到入射光电磁波的作用时，原子核向正电区域移动， 而电子云向负电区域移动，导致局部区域电子分布不均匀。而当电子云远离核时，电子与 核之间会产生库仑引力，使电子向相反的方向移动，从而导致电子在入射光电磁波的作用 下产生纵向震荡。当电子的振荡频率与电磁波的振荡频率相等时，金纳米粒子会对光产生 强烈的LSPR吸收，这种能量会使金属粒子表面升温至几百摄氏度乃至上千度，升温状况 与粒子的尺寸，光源的频率以及强度有直接关系并可以计算得出，并且纳米粒子周围的基 体升温情况也可以计算得出。

碳纤维增强树脂基复合材料在航空、航天、军事、建筑等领域发挥着重要的作用。碳 纤维增强树脂基复合材料是由增强体碳纤维、聚合物基体以及由这两相所形成的数量及面 积庞大的界面相组成。界面是复合材料特有的、极其重要的组成部分，对材料的性能起着 重要的、甚至是决定性的作用，界面问题是复合材料学科发展的基础和共性研究课题，对 整个学科的发展起着举足轻重的作用，诸多性能的提高都有赖于对界面认识的进一步深 入。界面是复合材料特有的组成部分，是影响复合材料最终使用性能的重要因素，它直接 关系到材料内部应力的传递和均匀分散，以及内部损伤和裂纹的传播过程，决定着复合材 料的强度、韧性、耐热性以及化学稳定性。

碳纤维复合材料在外界载荷环境作用下，其界面结构容易发生变化，产生不同尺寸的 微裂纹，这些界面微裂纹的扩展和汇合将导致材料的机械性能降低，并最终造成复合材料 内部分层等形式的破坏而失去承载能力。界面微裂纹作为材料性能损伤的导火索，其在材 料内部的扩展将导致材料宏观开裂，从而使得材料的力学性能包括强度、硬度等大幅度降 低。因此，如何修复复合材料的内部损伤成为科研工作者们广泛关注的问题，特别是对复 合材料界面微损伤的修复。截止到目前，现代常用的分析手段来检测复合材料的内部开裂 和分层的方法有超声波扫描显微镜、射线照相等无损检测。但是其检测的微观范围是极其 有限的，对于一些肉眼能观测到的分层或开裂，我们可以通过手工进行修复，但是对于界 面上的裂纹则很难通过现有的手段检测并在一个给定区域内精准的修复。复合材料界面的 微裂纹如果不能及时检测并修补，不但会影响材料的使用寿命，而且这些界面微裂纹的扩 展将会导致材料形成宏观裂纹，并使得材料失去正常功能，造成经济损失。因此，聚合物 基复合材料的界面自修复，对于结构复合材料和高新技术领域具有极其重要的意义。

发明内容

本发明是要解决传统的碳纤维复合材料易产生裂纹，降低材料的机械性能，并难以修 复的问题，而提供的具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备及 自修复方法。

具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备方法，具体是按照 以下步骤制备的：

一、采用电泳沉积法制备碳纤维/金纳米粒子纤维：将质量分数为0.01%-0.1%的金溶 胶悬浮液倒入电泳槽中，在0～30V之间调整电压，当电流达到3mA-7mA时，停止升压， 当电流稳定后，持续通电3min-9min，取出碳纤维，再将碳纤维放入温度为120℃-200℃ 的烘箱中，保持15min～45min，制得碳纤维/金纳米粒子复合材料；其中，电极间距为 1cm-5cm，阳极为碳纤维；

二、将聚醚砜粒料分为等质量的两部分，将一部分聚醚砜粒料放入模具中，然后将步 骤一制得的碳纤维/金纳米粒子复合材料平铺在聚醚砜粒料上，再在碳纤维/金纳米粒子复 合材料上加入另一部分聚醚砜粒料，再将模具放在平板硫化机上进行压制成型，制得具有 界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料。

具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的自修复方法，按以下步 骤进行：将受损后的具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料采用波长 为520nm～550nm、光强为5W/cm²～50W/cm²的光源照射1min～5min，完成受损碳纤维/金 纳米粒子/聚醚砜复合材料的自修复。

本发明的有益效果是：

1、建立了一种局部修复方法，可以做到准确的界面修复，适用于修复结构复杂的树 脂基复合材料。

2、本发明的光修复机理与以往的光修复有本质上的区别，其原理为金纳米粒子在光 辐照下产生大量热使热塑性树脂达到粘流态，适用于大多数热塑性树脂，具有更强的推广 性。

3、本发明可以做到多次修复，并且多次修复后的修复效率仍高达为89.5%。

4、本发明修复时间短，光源照射1min～5min就可以修复破损的界面。

5、本发明的修复方式所需光源的能量很小，因此可以做到远程修复，最远修复距离 可以达到25m。

6、金纳米粒子的升温是受光照驱动的，这使得树脂修复受环境的制约更小，特别是 在特种环境下，用光修复方便灵活。。

本发明用于制备具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料及受损 碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的自修复。

附图说明

图1为界面强度测试曲线图，其中曲线“a”为实施例一制备的具有界面自修复性能 的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的界面强度测试曲线，曲线“b”为自修复的碳纤 维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的界面强度测试曲线。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的 任意组合。

具体实施方式一：本实施方式具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合 材料的制备方法，具体是按照以下步骤制备的：

一、采用电泳沉积法制备碳纤维/金纳米粒子纤维：将质量分数为0.01%-0.1%的金溶 胶悬浮液倒入电泳槽中，在0～30V之间调整电压，当电流达到3mA-7mA时，停止升压， 当电流稳定后，持续通电3min-9min，取出碳纤维，再将碳纤维放入温度为120℃-200℃ 的烘箱中，保持15min～45min，制得碳纤维/金纳米粒子复合材料；其中，电极间距为 1cm-5cm，阳极为碳纤维；

二、将聚醚砜粒料分为等质量的两部分，将一部分聚醚砜粒料放入模具中，然后将步 骤一制得的碳纤维/金纳米粒子复合材料平铺在聚醚砜粒料上，再在碳纤维/金纳米粒子复 合材料上加入另一部分聚醚砜粒料，再将模具放在平板硫化机上进行压制成型，制得具有 界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中的金溶胶悬浮液 的质量分数为0.03%。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中电流达到4 mA-6mA时，停止升压。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中电极间 距为1.5cm～4cm。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中烘箱温 度为150℃～180℃，保持30min。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中压制成 型的工艺条件是：成型压力为10Mpa，温度为220℃，预热时间为5min，热压时间为10min， 保压时间为10min。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：具体实施方式一所述的具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/ 聚醚砜复合材料的自修复方法，按以下步骤进行：将受损后的具有界面自修复性能的碳纤 维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料采用波长为520nm～550nm、光强为5W/cm²～50W/cm²的光 源照射1min～5min，完成受损碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的自修复。

本实施方式的有益效果是：

1、建立了一种局部修复方法，可以做到准确的界面修复，适用于修复结构复杂的树 脂基复合材料。

2、本发明的光修复机理与以往的光修复有本质上的区别，其原理为金纳米粒子在光 辐照下产生大量热使热塑性树脂达到粘流态，适用于大多数热塑性树脂，具有更强的推广 性。

3、本发明可以做到多次修复，并且多次修复后的修复效率仍高达为89.5%。

4、本发明修复时间短，光源照射1min～5min就可以修复破损的界面。

5、本发明的修复方式所需光源的能量很小，因此可以做到远程修复，最远修复距离 可以达到25m。

6、金纳米粒子的升温是受光照驱动的，这使得树脂修复受环境的制约更小，特别是 在特种环境下，用光修复方便灵活。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：照射光源波长为530nm ～540nm。其它与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：照射光源光强为 10W/cm²～40W/cm²。其它与具体实施方式七或八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：照射光源照射 2min～3min。其它与具体实施方式七至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备方法，具 体是按照以下步骤制备的：

一、采用电泳沉积法制备碳纤维/金纳米粒子纤维：将质量分数为0.03%的金溶胶悬 浮液倒入电泳槽中，在0～30V之间调整电压，当电流达到4.2mA时，停止升压，当电流 稳定后，持续通电5min，取出碳纤维，再碳纤维放入温度为150℃的烘箱中，保持30min， 制得碳纤维/金纳米粒子复合材料；其中，电极间距为1.5cm，阳极为碳纤维；

二、将聚醚砜粒料分为等质量的两部分，将一部分聚醚砜粒料放入模具中，然后将一 根步骤一制得的碳纤维/金纳米粒子复合材料纤维平铺在聚醚砜粒料上，再在碳纤维/金纳 米粒子复合材料上加入另一部分聚醚砜粒料，再将模具放在平板硫化机上进行压制成型， 制得具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料。

将本实施例制备的具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料采用 东荣产业株式会社生产的MODEL HM410型复合材料界面性能评价装置进行界面强度测 试，测试结果如图1中曲线“a”所示。

具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的自修复方法，按以下步 骤进行：将上述受损后的具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料采用 波长为532nm、光强为15W/cm²的光源照射3min，完成受损碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜 复合材料的自修复。

利用东荣产业株式会社生产的MODEL HM410型复合材料界面性能评价装置将自修 复的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料进行界面强度测试，测试结果如图1中曲线“b” 所示。

从图1可以看出，光照修复后的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料依然具有较高的 界面剪切强度，由此可以证明本发明制备的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料具有界面 自修复性能，并且光照可以修复碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的界面。