专利名称：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
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。
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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O 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°C -200°C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lcm-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/聚醚砜复合材料米用波长为520nm 550nm、光强为5W/cm2 50W/cm2的光源照射Imin 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Imin 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。
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。
具体实施例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O 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°C -200°C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lcm-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4mA-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°C 180°C，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lOMpa，温度为220°C，预热时间为5min，热压时间为IOmin,保压时间为lOmin。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Imin 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Imin 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10ff/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O 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°C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。
权利要求
1.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，其特征在于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O 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°C -200°C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lcm-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。
2.根据权利要求1所述的具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中的金溶胶悬浮液的质量分数为0.03%。
3.根据权利要求2所述的具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中电流达到4mA-6mA时,停止升压。
4.根据权利要求3所述的具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中电极间距为1.5cm 4cm。
5.根据权利要求4所述的具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中烘箱温度为150°C 180°C，保持30min。
6.根据权利要求5所述的具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中压制成型的工艺条件是:成型压力为lOMpa，温度为220°C，预热时间为5min， 热压时间为lOmin，保压时间为lOmin。
7.如权利要求1制备的具有界面自修复性能的碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的自修复方法，其特征在于该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Imin 5min,完成受损碳纤维/金纳米粒子/聚醚砜复合材料的自修复。
8.根据权利要求7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，其特征在于照射光源波长为530nm 540nm。
9.根据权利要求8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，其特征在于照射光源光强为10W/cm2 40W/cm2。
10.根据权利要求9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，其特征在于照射光源照射2min 3min。
全文摘要
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。
文档编号C08K3/04GK103113745SQ201310079929
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月13日 优先权日2013年3月13日
发明者王荣国, 曹振兴, 刘文博, 郝立峰, 王琪, 矫维成, 杨帆, 徐忠海, 张剑光, 赫晓东 申请人:哈尔滨工业大学