Способ получения слоистого углеродного композиционного материала

Изобретение относится к способам создания слоистых композиционных материалов, обладающих высокой устойчивостью к трещинообразованию и расслаиванию. Способ получения слоистого углеродного композиционного материала с высоким сопротивлением к расслаиванию включает пропитку слоистого углеродного материала полимерным связующим, содержащим углеродные нанотрубки, наложение магнитного поля в процессе пропитки и полимеризацию, при этом используют углеродные нанотрубки, содержащие частицы никеля, а магнитное поле в процессе пропитки и полимеризации ориентируют в направлении, перпендикулярном к поверхности слоев композиционного материала, при напряженности магнитного поля 15-25 тесла. Изобретение позволяет получить слоистый композиционный материал с повышенными трещинностойкостью и устойчивостью к расслаиванию.

 

Изобретение относится к области композиционных материалов, в частности к способам получения слоистых композитов.

Рассматриваемые материалы являются составными материалами, в которых слои, выполненные из углеродных волокон, пропитываются эпоксидным связующим, в результате чего получается слоистый композиционный материал, находящийся в неполимеризованном состоянии. Затем в процессе полимеризации эпоксидной матрицы образуется монолитный слоистый композиционный материал. Углеродные слои обеспечивают высокую жесткость и прочность материала, а эпоксидное связующее обеспечивает монолитность материала. Такой материал не является изотропным и по определению является композиционным материалом. Как правило, для получения таких композиционных материалов используются эпоксидные связующие, регламентируемые документами РТМ 1.4.401-87 (РТМ - Руководящие Технические Материалы).

Известен способ [1] получения слоистого композиционного материала, при котором для улучшения механических характеристик композита на его волокнах выращиваются углеродные нанотрубки, при этом наблюдается повышение прочности, трещинностойкости. Также в данном патенте предлагается проращивать углеродные нанотрубки не только в слоях материала по отдельности, но и в уже сформированном пакете слоев, что повышает сопротивление композита к расслаиванию.

Недостатком данного метода является трудность создания целенаправленной сшивки слоев углеродными нановолокнами, так как создание условий для роста нанотрубок в заданном направлении внутри связующего является технологически сложной задачей. А при неориентированном росте нанотрубок вероятность достижения необходимой прочности соединения слоев в каждой единице композитного изделия недостаточна для использования этого метода в серийном производстве.

В [2] предлагается композиционный материал, содержащий в своей матрице аминопризводные фуллерена С60. Испытания этого материала показывают, что он обладает повышенной устойчивостью к образованию трещин. Но это не дает основания утверждать, что при добавлении данного наполнителя в слоистый композит его трещинностойкость существенно повысится, так как для этого требуется усилить связь между слоями композита, что не могут сделать в достаточной степени одномерные частицы фуллеренов.

Методы применения электрического и магнитного полей для ориентирования нанотрубок в композитах предложены в [3] и в [4].

Метод [3] включает в себя наложение электрического поля на еще неполимеризованное связующее, содержащее в себе углеродные нанотрубки. Этот способ предлагается применять для повышения электропроводности метериала в заданном направлении. Вопросы улучшения механических характеристик композита в этом патенте не затрагиваются; изделия, которые получают данным методом, не работают в нагруженном состоянии. Данный патент можно считать только примером целенаправленного ориентирования наноразмерного наполнителя. Для повышения трещинностойкости композитов данный метод не пригоден.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу улучшения характеристик композиционного материала является [4], заключающийся в способе создания композита, содержащего углеродные нановолокна, в состав которых входят наночастицы металлов. После добавления таких композитных наноструктур в матрицу материала, перемешивания и заливки связующего в форму, будущий композит помещается в магнитное поле, под действием которого композитные нанотрубки, являющиеся магнитными диполями, ориентируются по магнитным линиям поля. Таким образом, в получаемом материале создается анизотропия свойств (в том числе механических), связанных с введенными нанотрубками.

Указанный способ предлагается использовать для создания анизотропии внутри однородной матрицы, отдельного слоя или в некоторой области конструкционного материала. Однако и этот метод не позволяет повысить трещинностойкость слоистых композитов, так как нанотрубки, ориентированные в плоскости одного слоя, слабо влияют на поперечные характеристики композита.

Задачей настоящего изобретения является получение слоистого композиционного материала с высокой устойчивостью к трещинообразованию и расслаиванию.

Поставленная задача достигается тем, что способ получения слоистого углеродного композиционного материала с высоким сопротивлением к расслаиванию включает пропитку слоистого углеродного материала полимерным связующим, содержащим углеродные нанотрубки, и наложение магнитного поля в процессе пропитки и полимеризации, при этом используют углеродные нанотрубки, содержащие частицы никеля, а магнитное поле в процессе пропитки и полимеризации ориентируют в направлении, перпендикулярном к поверхности слоев композиционного материала, при этом напряженность магнитного поля лежит в диапазоне 15-25 тесла.

Углеродные нанотрубки с частицами никеля являются магнитными диполями. Под воздействием магнитного поля они ориентируются в направлении, перпендикулярном слоям, «прошивают» слои композита и обеспечивают значительное повышение устойчивости изделия к расслаиванию. В предложенном способе предлагается использовать углеродные нанотрубки, получаемые методом катализа (катализатор - никель) и содержащие в себе частицы металла, что делает их диполями, чувствительными к магнитному полю. Поэтому появляется возможность за счет сильного магнитного поля ориентировать такие нанотрубки в вязком неполимеризованном эпоксидном связующем. Кроме того, нанотрубки предварительно модифицируют для создания дополнительных активных связей, обеспечивающих хорошие адгезионные взаимодействия между нанотрубками и эпоксидным связующим.

Способ получения композита осуществляется следующим образом.

Полимерное эпоксидное связующее модифицируют длинными углеродными нанотрубками (длиной 3-5 мкм), распределяя их равномерно по всему объему. Массовое содержание нанотрубок не превышает 0.5%. Полученным эпоксидным связующим, пропитывают плоскую слоистую структуру с углеродного слоями и помещают композицию в магнитное поле, ориентированное в направлении, перпендикулярном к поверхности слоев. Величина магнитного поля составляет 15-25 тесла. После выдержки в магнитном поле проводят полимеризацию по любой из принятых технологий (в вакууме, прессованием и пр.). Полимеризацию проводят в присутствии магнитного поля.

Пример осуществления указанного способа создания слоистого композита.

Были получены образцы слоистых композитов с модифицированным связующим со структурой (+45, -45,0, 90)s. Использовали связующее ЭД20 (разбавитель ацетон). Слои композита армировались углеродными волоконами LUP 0,1. Следуя предлагаемому методу, в связующее были добавлены углеродные нанотрубки диаметром 60 нм, длиной 3-5 мкм. Коэффициент наполнения связующего нанотрубками составил 0.02% от общей массы. После заливки слоистой композиционной структуры связующим композит помещался в ориентированное магнитное поле с напряженностью 20 Тл. Далее проводилась выдержка в магнитном поле в течение 0,35 часа. Полимеризация образцов производилась прессованием при температуре 120°. Время полимеризации: 9 часов.

Результаты испытаний и исследований полученных образцов показали: получена точность ориентации нановолокон ±3°, сдвиговая прочность составила 60 МПа.

На базе нагружения (поперечный изгиб) в 1000 циклов, с предельной амплитудой 0,6 от предельных нагрузок на верхних волокнах (по паспортным данным: 880 МПа при статическом испытании) получили следующие результаты: не обнаружено расслоения связующего, изгибный модуль упругости вдоль волокон остался практически без изменения (140 ГПа), сдвиговая прочность не изменилась.

Полученные результаты показывают значительное повышение трещинностойкости и сопротивления к расслаиванию композита.

Источники информации

1. Заявка на изобретение RU 2005106198.

2. Заявка на изобретение RU 2004101035/04.

3. Патент CN 1843905.

4. Заявка на изобретение US 2005239948.

Способ получения слоистого углеродного композиционного материала с высоким сопротивлением к расслаиванию, включающий пропитку слоистого углеродного материала полимерным связующим, содержащим углеродные нанотрубки, наложение магнитного поля в процессе пропитки и полимеризацию, отличающийся тем, что используют углеродные нанотрубки, содержащие частицы никеля, при этом магнитное поле в процессе пропитки и полимеризации ориентируют в направлении, перпендикулярном к поверхности слоев композиционного материала, при напряженности магнитного поля 15-25 Тл.