聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體的制備方法
【專利摘要】一種聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體的制備方法，對得到的多層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布進行熱處理。將經過熱處理的各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布按0°/0～90°疊層并縫合，得到聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體。對得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體進行高溫碳化處理，得到增強的碳纖維-碳納米纖維多尺度預制體。本發明利用低成本的靜電紡絲-高溫碳化方法和簡單的疊層縫合方法，在不損失碳纖維的前提下，得到碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體，用該多尺度增強體制備的碳/碳復合材料比單純用碳布疊層制備的碳/碳復合材料，層間剪切強度提高了30%～50%。
【專利說明】聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種碳纖維-碳納米纖維的制備方法，具體是一種聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體的制備方法。
【背景技術】
[0002]碳納米纖維具有優異的力學性能，如文獻Alejandro J.Rodriguez等，Carbon49 (2011) 937-948中報道，其與碳纖維的配合應用，即構造“碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體”，其中碳纖維作為主要增強體，碳納米纖維作為輔助增強體，可在多尺度上實現對碳纖維復合材料基體組元的強化，如文獻“Hui Qian等，J.Mater.Chem.，2010，20，4751-4762”所述，進而顯著提升碳纖維復合材料的力學強度。目前，構造碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體的方法主要包括三種:催化化學氣相沉積方法，如文獻“Matthieu Houlle '等,Carbon46 (2008) 76_83”所述、碳納米纖維紙疊層法，如文獻“Shafi Ullah Khan 等，Carbon50 (2012) 5265-5277”所述、電泳沉積法，如文獻“Ale jandroJ.Rodriguez 等,Carbon49 (2011) 937-948” 所述。
[0003]借助催化化學氣相沉積方法在碳纖維預制體，包括碳氈、碳布、單絲碳纖維等，中原位生長碳納米纖維，生長溫度一般都大于750°C。在碳納米纖維的生長過程中金屬催化劑會與碳纖維發生固溶反應，造成對碳纖維表面的固溶侵蝕，從而降低碳纖維的拉伸強度，這不利于碳纖維增強效果的發揮。利用碳納米纖維紙疊層法或者電泳沉積技術也可以將碳納米纖維引入碳纖維預制體中，從而構造碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體，但目前這兩種方法所用的碳納米纖維原料價格昂貴，這限制了該類方法的大規模工程化應用。同時，碳納米纖維的分布較為密集，空間立體感較差，這降低了其與復合材料基體的接觸面積，不利于碳納米纖維增強效果的發揮。
[0004]因此，如何開發低成本、大規模制備碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體成為該研究領域一個亟待解決的問題。靜電紡絲技術是目前唯一一種能夠制備連續長度或者“米級”長度納米纖維的工藝方法。該技術結合高溫碳化處理，即“靜電紡絲-高溫碳化”技術，可制備長度較大的碳納米纖維。現階段，利用“靜電紡絲-高溫碳化”技術制備碳納米纖維的相關報道較多，如文獻“Chan Kim等，利用靜電紡碳納米纖維網制作鋰離子二次電池的正極材料，國外化纖技術，46”、文獻“F.Agend等,Fabrication and electricalcharacterization of electrospun polyacry1nitriIe-derived carbon nanofibers,Journal of Applied Polymer Science, 2007，255-259” 和文獻“張校菠等，靜電紡絲制備多孔碳納米纖維及其電化學電容行為，物理化學學報，2010，26(12):3169-3174.”中陳述了相關內容。該方法可低成本制備柔性較好的碳納米纖維，但經國內外檢索，目前尚無專利文獻報道利用靜電紡絲-高溫碳化技術制備碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體。
【發明內容】
[0005]為克服現有技術中存在的不適于大規模工程化應用和不利于碳納米纖維增強效果的發揮的不足，本發明提出了一種碳纖維-碳納米纖維多尺度預制體的制備方法
[0006]本發明的具體過程是:
[0007]步驟1，配置聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液:所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液以聚丙烯腈作為溶質，以N，N 二甲基甲酰胺作為溶劑，將稱取的聚丙烯腈加入到所述N，N 二甲基甲酰胺中并攪拌均勻，使聚丙烯腈溶解于N，N 二甲基甲酰胺中；將配置好的溶液在大氣環境中靜置12h，得到聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液，待用；所述聚丙烯腈_N，N二甲基甲酰胺溶液中，每IOOmlN, N 二甲基甲酰胺中加入10?30g聚丙烯腈。
[0008]步驟2，紡制聚丙烯腈納米纖維:利用電紡絲設備，在單層正交編織碳纖維布上紡制聚丙烯腈納米纖維；具體是:
[0009]a.將IOml得到的聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液抽入針筒中；
[0010]b.將一層碳纖維布平鋪于鋁板上；將所述碳纖維布與電紡絲設備的噴絲管之間的距離調節為100?300mm ;在所述噴絲管和鋁板之間施加10?15kV的電壓并保持，使碳纖維布與鋁板接觸，且碳纖維布為導電體，進而在碳布和噴絲管之間也產生了 10?15kV的電壓；
[0011]C.將針筒中的聚丙烯腈_N，N 二甲基甲酰胺溶液噴射出；當聚所述丙烯腈_N，N二甲基甲酰胺溶液噴從針筒中噴射出后，形成聚丙烯腈納米纖維，并且該聚丙烯腈納米纖維均勻分散并附著在碳纖維布表面；所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液的噴出速率為0.25 ?0.4ml/h ；
[0012]所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液從針筒中噴出至所形成的聚丙烯腈納米纖維均勻分散并附著在碳纖維布表面的過程即為靜電紡絲的過程；
[0013]d.紡絲結束后，并將附著有聚丙烯腈納米纖維的碳纖維布從鋁板上取下，到了第一層的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布；
[0014]e.重復步驟2所述紡制聚丙烯腈納米纖維的過程，逐層制備其他各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布；
[0015]步驟3，熱處理:所述的熱處理是對得到的各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布進行熱處理；具體是:
[0016]將得到的各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布平鋪在馬弗爐中；馬弗爐升以5?IO0C /min的速率從室溫升溫至260?350°C并保溫1.5?3h，對爐內的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體進行熱處理；得到經過熱處理的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布；
[0017]步驟4，疊層:將熱處理后的各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布按碳纖維的取向交錯疊層，各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布按照0° /0?90°疊層；將各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布縫合；得到聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體；
[0018]步驟5，高溫碳化處理:將得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體放置于氮氣氣氛的高溫碳化爐中；該高溫碳化爐升溫至850?1000°C并保溫I?5h，保溫結束后自然降溫；得到聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體。
[0019]本發明利用低成本的靜電紡絲-高溫碳化技術和簡單的疊層縫合，在不損失碳纖維的前提下，制備了碳納米纖維在其內均勻、空間立體分布的碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體，如圖2所示。用該多尺度增強體制備的碳/碳復合材料比單純用碳布疊層制備的碳/碳復合材料，層間剪切強度提高了 30%?50%。【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的流程圖；
[0021]圖2是電泳沉積技術制備的碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體中碳納米纖維的分布形貌；
[0022]圖3是本發明制備的碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體中碳納米纖維的分布形貌。
【具體實施方式】
[0023]實施例1
[0024]本實施例是制備由10層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布組成的聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體的方法，所述聚丙烯腈納米纖維-碳納米纖維多尺度增強體的厚度為2.1mm,邊長為50mmX 50mm,具體過程是:
[0025]步驟I，配置聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液。所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液以聚丙烯腈作為溶質，以N，N 二甲基甲酰胺作為溶劑，其中每100mlN，N 二甲基甲酰胺中加入20g聚丙烯腈。
[0026]每層碳纖維布的聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液用量為10ml，本實施例中，所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液的用量為100ml。
[0027]分別稱量聚丙烯腈和N，N 二甲基甲酰胺。將稱取的聚丙烯腈加入到所述N，N 二甲基甲酰胺中，使用玻璃棒攪拌均勻，使聚丙烯腈溶解于N，N 二甲基甲酰胺中。將配置好的溶液在大氣環境中靜置12h，得到聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液，待用。
[0028]步驟2，紡制聚丙烯腈納米纖維。利用北京永康樂業科技發展有限公司生產的SS-2535DC型電紡絲設備，在單層正交編織的Ik T300碳纖維布上紡制聚丙烯腈納米纖維。具體是:
[0029]將IOml得到的聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液抽入針筒中。
[0030]將一層碳纖維布平鋪于招板上；所述碳纖維布為50mmX 50mm正交編織的lkT300碳纖維布。將所述碳纖維布與SS-2535DC型電紡絲設備的噴絲管之間的距離調節為100mm。通過所述SS-2535DC型電紡絲設備在所述噴絲管和鋁板之間施加IOkV的電壓并保持，使碳纖維布與鋁板接觸，且碳纖維布為導電體，進而在碳布和噴絲管之間也產生了 IOkV的電壓。
[0031]將針筒中的聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液噴射出。當聚所述丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液噴從針筒中噴射出后，形成聚丙烯腈納米纖維，并且該聚丙烯腈納米纖維落在所述碳纖維布的表面上。在碳布和噴絲管之間電壓的作用下，所述聚丙烯腈納米纖維被均勻分散并附著在碳纖維布表面。在噴射聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液時，通過醫用注射泵，控制針筒中聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液的噴出速率為0.25ml/h。
[0032]所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液從針筒中噴出至所形成的聚丙烯腈納米纖維均勻分散并附著在碳纖維布表面的過程即為靜電紡絲的過程。
[0033]紡絲結束后，關閉SS-2535DC型電紡絲設備，并將附著有聚丙烯腈納米纖維的碳纖維布從鋁板上取下，到了第一層的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布。[0034]重復步驟2中所述靜電紡絲的過程，逐層制備其他各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布。
[0035]步驟3，熱處理。所述的熱處理是對得到的單層的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布進行熱處理。具體是:
[0036]將得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布平鋪在熱處理用馬弗爐中，關閉爐門。調節馬弗爐升溫控制程序，使爐內溫度以8°C /min的速率從室溫升溫至310°C并保溫1.5h，對爐內的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體進行熱處理。熱處理結束后，關閉馬弗爐電源。待馬弗爐內溫度降至室溫時，取出經過熱處理的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布。
[0037]步驟4，疊層。將熱處理后的各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布按碳纖維的取向交錯疊層，本實施例中各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布按照0° /0°疊層，疊層層數為10層。利用商用的Ik T300碳纖維束，采用常規的縫合方法將10層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布縫合，縫合中，每平方厘米均勻分布9個針腳。得到厚度為2.1mm的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體。
[0038]步驟5，高溫碳化處理。對得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體進行高溫碳化處理，制備碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體。具體是:將得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體放置于氮氣氣氛的高溫碳化爐中進行高溫碳化。高溫碳化中，高溫碳化爐升溫至1000°C并保溫lh，保溫結束后自然降溫。當爐內溫度降至室溫時，打開碳化爐，取出樣品，得到聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體。
[0039]實施例2
[0040]本實施例是制備由20層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布組成的聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體的方法，所述聚丙烯腈納米纖維-碳納米纖維多尺度增強體的厚度為4.2mm,邊長為IOOmmX 100mm,具體過程是:
[0041 ] 步驟I，配置聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液。所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液以聚丙烯腈作為溶質，以N，N二甲基甲酰胺作為溶劑，其中每IOOmlN, N二甲基甲酰胺中加入IOg聚丙烯腈。
[0042]每層碳纖維布的聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液用量為10ml，本實施例中，所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液的用量為200ml。
[0043]分別稱量聚丙烯腈和N，N 二甲基甲酰胺。將稱量的聚丙烯腈加入到所述N，N 二甲基甲酰胺中，使用玻璃棒攪拌均勻，使聚丙烯腈溶解于N，N 二甲基甲酰胺中。將配置好的溶液在大氣環境中靜置12h，得到聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液，待用。
[0044]步驟2，紡制聚丙烯腈納米纖維。利用SS-2535DC型電紡絲設備，在單層正交編織的Ik T300碳纖維布上紡制聚丙烯腈納米纖維。具體是:
[0045]將IOml得到的聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液抽入針筒中。
[0046]將一層碳纖維布平鋪于招板上；所述碳纖維布為50mmX 50mm正交編織的lkT300碳纖維布。將所述碳纖維布與SS-2535DC型電紡絲設備的噴絲管之間的距離調節為220mm。通過所述SS-2535DC型電紡絲設備在所述噴絲管和鋁板之間施加13kV的電壓并保持，使碳纖維布與鋁板接觸，且碳纖維布為導電體，進而在碳布和噴絲管之間也產生了 13kV的電壓。
[0047]將針筒中的聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液噴射出。當聚所述丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液噴從針筒中噴射出后，形成聚丙烯腈納米纖維，并且該聚丙烯腈納米纖維落在所述碳纖維布的表面上。在碳布和噴絲管之間電壓的作用下，所述聚丙烯腈納米纖維被均勻分散并附著在碳纖維布表面。在噴射聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液時，通過醫用注射泵，控制針筒中聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液的噴出速率為0.3ml/h。
[0048]所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液從針筒中噴出至所形成的聚丙烯腈納米纖維均勻分散并附著在碳纖維布表面的過程即為靜電紡絲的過程。
[0049]紡絲結束后，關閉SS-2535DC型電紡絲設備，并將附著有聚丙烯腈納米纖維的碳纖維布從鋁板上取下，這樣便得到了第一層的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布。
[0050]重復步驟2中所述靜電紡絲的過程，逐層制備其他各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布。
[0051]步驟3，熱處理。所述的熱處理是對得到的單層的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布進行熱處理。具體是:
[0052]將得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布平鋪在熱處理用馬弗爐中，關閉爐門。調節馬弗爐升溫控制程序，使爐內溫度以10°c /min的速率從室溫升溫至260°C并保溫2.3h，對爐內的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體進行熱處理。熱處理結束后，關閉馬弗爐電源。待馬弗爐內溫度降至室溫時，取出經過熱處理的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布。
[0053]步驟4，疊層。將熱處理后的各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布按碳纖維的取向交錯疊層，本實施例中各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布按照0° /45°疊層，疊層層數為20層。利用商用的Ik T300碳纖維束，采用常規的縫合方法將20層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布縫合，縫合中，每平方厘米均勻分布9個針腳。得到厚度為4.2mm的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體。
[0054]步驟5，高溫碳化處理。對得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體進行高溫碳化處理，制備碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體。具體是:
[0055]將得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體放置于氮氣氣氛的高溫碳化爐中進行高溫碳化。高溫碳化中，高溫碳化爐升溫至850°C并保溫3h，保溫結束后自然降溫。當爐內溫度降至室溫時，打開碳化爐，取出樣品，得到聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體。
[0056]實施例3
[0057]本實施例是制備由30層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布組成的得到聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體的方法，所述聚丙烯腈納米纖維-碳納米纖維多尺度增強體的厚度為6.3mm，邊長為200mmX 200mm，具體過程是:
[0058]步驟I，配置聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液。所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液以聚丙烯腈作為溶質，以N，N 二甲基甲酰胺作為溶劑，其中每100mlN，N 二甲基甲酰胺中加入30g聚丙烯腈。
[0059]每層碳纖維布的聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液用量為10ml，本實施例中，所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液的用量為300ml。
[0060]按比例稱量聚丙烯腈和N，N 二甲基甲酰胺。將稱量的聚丙烯腈加入到所述N，N 二甲基甲酰胺中，使用玻璃棒攪拌均勻，使聚丙烯腈溶解于N，N二甲基甲酰胺中。將配置好的溶液在大氣環境中靜置12h，得到聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液，待用。[0061]步驟2，紡制聚丙烯腈納米纖維。利用SS-2535DC型電紡絲設備，在單層正交編織的Ik T300碳纖維布上紡制聚丙烯腈納米纖維。具體是:
[0062]將IOml得到的聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液抽入針筒中。
[0063]將一層碳纖維布平鋪于鋁板上；所述碳纖維布為200mmX200mm正交編織的lkT300碳纖維布。將所述碳纖維布與SS-2535DC型電紡絲設備的噴絲管之間的距離調節為300mm。通過所述SS-2535DC型電紡絲設備在所述噴絲管和鋁板之間施加15kV的電壓并保持，使碳纖維布與鋁板接觸，且碳纖維布為導電體，進而在碳布和噴絲管之間也產生了 15kV的電壓。
[0064]將針筒中的聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液噴射出。當聚所述丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液噴從針筒中噴射出后，形成聚丙烯腈納米纖維，并且該聚丙烯腈納米纖維落在所述碳纖維布的表面上。在碳布和噴絲管之間電壓的作用下，所述聚丙烯腈納米纖維被均勻分散并附著在碳纖維布表面。在噴射聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液時，通過醫用注射泵，控制針筒中聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液的噴出速率為0.4ml/h。
[0065]所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液從針筒中噴出至所形成的聚丙烯腈納米纖維均勻分散并附著在碳纖維布表面的過程即為靜電紡絲的過程。
[0066]紡絲結束后，關閉SS-2535DC型電紡絲設備，并將附著有聚丙烯腈納米纖維的碳纖維布從鋁板上取下，這樣便得到了第一層的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布。
[0067]重復步驟2中所述靜電紡絲的過程，逐層制備其他各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布。
[0068]步驟3，熱處理。所述的熱處理是對得到的單層的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布進行熱處理。具體是:
[0069]將得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布平鋪在熱處理用馬弗爐中，關閉爐門。調節馬弗爐升溫控制程序，使爐內溫度以5°C /min的速率從室溫升溫至350°C并保溫3h，對爐內的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體進行熱處理。熱處理結束后，關閉馬弗爐電源。待馬弗爐內溫度降至室溫時，取出經過熱處理的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布。
[0070]步驟4，疊層。將熱處理后的各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布按碳纖維的取向交錯疊層，本實施例中各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布按照0° /90°疊層，疊層層數為30層。利用商用的Ik T300碳纖維束，采用常規的縫合方法將30層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布縫合，縫合中，每平方厘米均勻分布9個針腳。得到厚度為6.3mm的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體。
[0071]步驟5，高溫碳化處理。對得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體進行高溫碳化處理，制備碳纖維-碳納米纖維多尺度增強體。具體是:
[0072]將得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體放置于氮氣氣氛的高溫碳化爐中進行高溫碳化。高溫碳化中，高溫碳化爐升溫至930°C并保溫5h，保溫結束后自然降溫。當爐內溫度降至室溫時，打開碳化爐，取出樣品，得到聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體的制備方法。
【權利要求】
1.聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體的制備方法，其特征在于，具體過程是: 步驟1，配置聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液:所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液以聚丙烯腈作為溶質，以N，N二甲基甲酰胺作為溶劑，將稱取的聚丙烯腈加入到所述N，N二甲基甲酰胺中并攪拌均勻，使聚丙烯腈溶解于N，N 二甲基甲酰胺中；將配置好的溶液在大氣環境中靜置12h，得到聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液，待用； 步驟2，紡制聚丙烯腈納米纖維:利用電紡絲設備，在單層正交編織碳纖維布上紡制聚丙烯腈納米纖維；具體是: a.將IOml得到的聚丙烯腈-N，N二甲基甲酰胺溶液抽入針筒中； b.將一層碳纖維布平鋪于鋁板上；將所述碳纖維布與電紡絲設備的噴絲管之間的距離調節為100?300mm ;在所述噴絲管和鋁板之間施加10?15kV的電壓并保持，使碳纖維布與鋁板接觸，且碳纖維布為導電體，進而在碳布和噴絲管之間也產生了 10?15kV的電壓； c.將針筒中的聚丙烯腈_N，N二甲基甲酰胺溶液噴射出；當聚所述丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液噴從針筒中噴射出后，形成聚丙烯腈納米纖維，并且該聚丙烯腈納米纖維均勻分散并附著在碳纖維布表面；所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液的噴出速率為0.25?0.4ml/h ； 所述聚丙烯腈-N，N 二甲基甲酰胺溶液從針筒中噴出至所形成的聚丙烯腈納米纖維均勻分散并附著在碳纖維布表面的過程即為靜電紡絲的過程； d.紡絲結束后，并將附著有聚丙烯腈納米纖維的碳纖維布從鋁板上取下，到了第一層的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布； e.重復步驟2所述紡制聚丙烯腈納米纖維的過程，逐層制備其他各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布； 步驟3，熱處理:所述的熱處理是對得到的各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布進行熱處理；具體是: 將得到的各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布平鋪在馬弗爐中；馬弗爐升以5?10°C /min的速率從室溫升溫至260?350°C并保溫1.5?3h，對爐內的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體進行熱處理；得到經過熱處理的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布； 步驟4，疊層:將熱處理后的各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布按碳纖維的取向交錯疊層，各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布按照0° /0?90°疊層；將各層聚丙烯腈納米纖維-碳纖維布縫合；得到聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體； 步驟5，高溫碳化處理:將得到的聚丙烯腈納米纖維-碳纖維多尺度增強體的前驅體放置于氮氣氣氛的高溫碳化爐中；該高溫碳化爐升溫至850?1000°C并保溫I?5h，保溫結束后自然降溫；得到聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體。
2.如權利要求1所述聚丙烯腈基碳納米纖維-碳纖維多尺度增強體的制備方法，其特征在于，所述聚丙烯腈_N，N 二甲基甲酰胺溶液中，每100mlN，N 二甲基甲酰胺中加入10?30g聚丙烯腈。
【文檔編號】D06C7/00GK103818042SQ201310654291
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】強琪, 宋強, 劉海平 申請人:西安航空制動科技有限公司