本發(fā)明涉及材料的表面與界面改性應(yīng)用，具體涉及一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維及其制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有高比模量、高比強(qiáng)度。耐腐蝕和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)良性能，使其在航空航天、體育、建筑和醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，但碳纖維表面呈化學(xué)惰性，與基體的潤(rùn)濕性差，使復(fù)合材料界面粘結(jié)弱，限制了其高性能的發(fā)揮。因此，碳纖維表面改性對(duì)擴(kuò)大碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用廣度和深度具有重要意義。但是提高復(fù)合材料界面強(qiáng)度會(huì)以犧牲界面韌性為代價(jià)，不利于復(fù)合材料長(zhǎng)久安全穩(wěn)定的應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維及其制備方法與應(yīng)用，在碳纖維的圓周表面構(gòu)筑以氧化石墨烯或mxene片狀結(jié)構(gòu)為芯和碳納米管網(wǎng)狀交錯(cuò)結(jié)構(gòu)為面板的納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層，以同時(shí)提高復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度和斷裂韌性，解決界面強(qiáng)度-韌性互斥問(wèn)題。此外，該方法具有簡(jiǎn)便、綠色環(huán)保、高效和低成本的優(yōu)點(diǎn)。
2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
3、一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維的制備方法，包括如下步驟：
4、步驟1、將碳纖維浸漬在丙酮溶液中冷凝回流后，經(jīng)去離子水清洗，干燥后得到去漿碳纖維；
5、步驟2、配制氧化石墨烯或mxene分散液
6、將氧化石墨烯或mxene分散在有機(jī)溶劑中，超聲使其分散均勻，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05％～1％的氧化石墨烯或mxene分散液；
7、步驟3、配制碳納米管分散液
8、將碳納米管分散在水或有機(jī)溶劑中，磁力攪拌使其分散均勻，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05％～1％的碳納米管分散液；
9、步驟4、碳纖維表面納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性處理
10、將步驟1處理得到的去漿碳纖維絲束均勻鋪放在濾膜上，依次真空抽濾碳納米管分散液、氧化石墨烯或mxene分散液和碳納米管分散液沉積在去漿碳纖維表面，將去漿碳纖維絲束翻轉(zhuǎn)180°后，重復(fù)上述真空抽濾和沉積步驟，干燥后得到一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維。
11、進(jìn)一步的，所述步驟1中冷凝回流的溫度為80～100℃，時(shí)間為12～96h。
12、進(jìn)一步的，所述步驟2中超聲分散溫度為0～10℃，時(shí)間為10～60min。
13、進(jìn)一步的，所述步驟2和步驟3中有機(jī)溶劑為四氫呋喃、二甲基甲酰胺、乙醇或二氯甲烷。
14、進(jìn)一步的，所述步驟3中磁力攪拌轉(zhuǎn)速為200～800rpm，攪拌時(shí)間為10～60min。
15、進(jìn)一步的，所述步驟4中真空抽濾按氧化石墨烯或mxene分散液體積(ml)：濾膜直徑(cm)＝(3～4):1，碳納米管分散液體積(ml)：濾膜直徑(cm)＝(1～2):1。
16、進(jìn)一步的，所述步驟1和步驟4中干燥溫度為60～80℃，時(shí)間為2～4h。
17、本發(fā)明還提供一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維，所述碳纖維表面均勻覆蓋有以氧化石墨烯或mxene片狀結(jié)構(gòu)為芯和碳納米管網(wǎng)狀交錯(cuò)結(jié)構(gòu)為面板的納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層。
18、本發(fā)明還提供一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維在解決復(fù)合材料界面強(qiáng)度-韌性互斥問(wèn)題中的應(yīng)用。
19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
20、本發(fā)明區(qū)別于以往單一使用碳納米管、氧化石墨烯或mxene以及簡(jiǎn)單混合使用兩種納米材料改性高性能纖維表面的策略，在碳纖維表面構(gòu)筑以氧化石墨烯或mxene片狀結(jié)構(gòu)為芯和碳納米管網(wǎng)狀交錯(cuò)結(jié)構(gòu)為面板的納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層，以同時(shí)提高復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度和斷裂韌性，解決界面強(qiáng)度-韌性互斥問(wèn)題。其中本發(fā)明提高復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度的增強(qiáng)機(jī)理為：內(nèi)層碳納米管網(wǎng)狀交錯(cuò)結(jié)構(gòu)能夠阻擋纖維表面的微裂紋擴(kuò)展，外層碳納米管網(wǎng)狀交錯(cuò)結(jié)構(gòu)能通過(guò)毛細(xì)管效應(yīng)、釘扎效應(yīng)和自身加強(qiáng)效應(yīng)增強(qiáng)了界面粘結(jié)強(qiáng)度。本發(fā)明提高復(fù)合材料界面斷裂韌性的增韌機(jī)理為：納米反三明治結(jié)構(gòu)在阻擋裂紋偏轉(zhuǎn)和微裂紋產(chǎn)生的過(guò)程中消耗能量，且在剪切作用下，碳納米管從樹(shù)脂中的拔出也可消耗能量。
21、本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單易行、反應(yīng)條件溫和、無(wú)污染、環(huán)保高效。制備的改性碳纖維可使復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度和界面斷裂韌性同時(shí)提高，界面粘結(jié)強(qiáng)度提高43.2-82.6％，界面斷裂韌性提高90.3-162.3％。
1.一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟1中冷凝回流的溫度為80～100℃，時(shí)間為12～96h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟2中超聲分散溫度為0～10℃，時(shí)間為10～60min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟2和步驟3中有機(jī)溶劑為四氫呋喃、二甲基甲酰胺、乙醇或二氯甲烷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟3中磁力攪拌轉(zhuǎn)速為200～800rpm，攪拌時(shí)間為10～60min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟4中真空抽濾按氧化石墨烯或mxene分散液體積(ml)：濾膜直徑(cm)＝(3～4):1，碳納米管分散液體積(ml)：濾膜直徑(cm)＝(1～2):1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟1和步驟4中干燥溫度為60～80℃，時(shí)間為2～4h。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的制備方法制備的一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維，其特征在于，所述碳纖維表面均勻覆蓋有以氧化石墨烯或mxene片狀結(jié)構(gòu)為芯和碳納米管網(wǎng)狀交錯(cuò)結(jié)構(gòu)為面板的納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種納米反三明治結(jié)構(gòu)涂層改性碳纖維在解決復(fù)合材料界面強(qiáng)度-韌性互斥問(wèn)題中的應(yīng)用。