一种CF表面改性方法及其电磁吸波复合材料的制备

本发明属于碳纤维（cf）表面改性，具体涉及一种cf表面改性方法及其电磁吸波复合材料的制备方法。背景技术：1、碳纤维增强聚合物（cfrp）复合材料具有加工周期短、可回收、重量轻、强度高等优点，越来越多地用于军用飞机和海军舰艇装备。在这些防御领域，复合材料通常需要具有良好的电磁波（emw）吸收性能，这可以防止被敌方雷达系统探测到。然而，由于阻抗失配和相对单一的emw损耗机制，表面光滑、导电性优异的原始cf具有较差的emw吸收性能。因此，需要对cf进行进一步的改性，以实现复合材料结构和功能的一体化。通过在cf表面引入各种emw损耗机制，是提高复合材料emw阻抗匹配和衰减能力的有效手段。同时，cf的本征强度和复合材料的界面性能不受改性过程产生明显下降，从而影响实际应用。然而，现有的cf表面改性方法往往操作步骤复杂、生产周期长、成本高，不利于进一步的商业化生产。技术实现思路1、为了解决cf表面改性方法操作复杂、生产周期长和无法进一步商业转化的问题，本发明的目的在于提供一种快速的cf表面改性方法及其电磁吸波复合材料的制备方法。2、为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：3、一种cf表面改性方法，步骤如下：4、（1）、将连续cf丝束浸入表面活性剂分散溶液中，之后将cf丝束牵引至烘干装置进行烘干处理；其中，cf丝束的规格不大于3 k；所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮（pvp）或纳米纤维素（nc）；当表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮时，表面活性剂分散溶液的浓度为10~30mg/ml；当表面活性剂为纳米纤维素时，表面活性剂分散溶液的浓度为1~10 mg/ml；5、（2）、将步骤（1）所得cf丝束继续牵引至金属盐溶液中，之后将cf丝束牵引至烘干装置进行烘干处理；其中，所述金属盐为可溶性金属盐；金属盐溶液以其提供的金属元素计，金属总浓度为0.05~1 m；所述金属为磁性金属、能提高介电性能的非磁性金属中的一种或多种的组合；6、（3）、将步骤（2）所得cf丝束牵引至微波发生器在空气气氛下进行碳热冲击处理3~7 s，碳热冲击处理结束之后即完成cf的表面改性；其中，微波发生器的功率为600~1200 w。7、较好地，表面活性剂分散溶液和金属盐溶液所采用的溶剂均为水。8、较好地，步骤（1）中，烘干处理的温度为120~240 ℃；步骤（2）中，烘干处理的温度为120~150 ℃。具体地，步骤（1）中，当表面活性剂为pvp时，烘干温度优选120~150 ℃，当表面活性剂为纳米纤维素时，烘干温度优选200~240 ℃。9、较好地，所述金属盐为可溶性的氯化盐、硝酸盐或硫酸盐；所述磁性金属为磁性金属铁（fe）、钴 （co）或镍（ni）；所述非磁性金属为钛（ti）、锌（zn）、钡（ba）或锰（mn）。10、一种电磁吸波复合材料的制备方法，步骤如下：11、（1）、将连续cf丝束浸入表面活性剂分散溶液中，之后将cf丝束牵引至烘干装置进行烘干处理；其中，cf丝束的规格不大于3 k；所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮（pvp）或纳米纤维素（nc）；当表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮时，表面活性剂分散溶液的浓度为10~30mg/ml；当表面活性剂为纳米纤维素时，表面活性剂分散溶液的浓度为1~10 mg/ml；12、（2）、将步骤（1）所得cf丝束继续牵引至金属盐溶液中，之后将cf丝束牵引至烘干装置进行烘干处理；其中，所述金属盐为可溶性金属盐；金属盐溶液以其提供的金属元素计，金属总浓度为0.05~1 m；所述金属为磁性金属、能提高介电性能的非磁性金属中的一种或多种的组合（组合时，各金属之间任意比例都可以）；13、（3）、将步骤（2）所得cf丝束牵引至微波发生器在空气气氛下进行碳热冲击处理3~7 s，碳热冲击处理结束之后即完成cf的表面改性；其中，微波发生器的功率为600~1200 w；14、（4）、将步骤（3）所得表面改性cf与热塑性树脂通过熔融共混和注塑成型工艺进行电磁吸波复合材料的制备；其中，以质量比计，表面改性cf∶热塑性树脂=(10~40)∶(60~90)并且两者之和为100。15、较好地，表面活性剂分散溶液和金属盐溶液所采用的溶剂均为水。16、较好地，步骤（1）中，烘干处理的温度为120~240 ℃；步骤（2）中，烘干处理的温度为120~150 ℃。具体地，步骤（1）中，当表面活性剂为pvp时，烘干温度优选120~150 ℃，当表面活性剂为纳米纤维素时，烘干温度优选200~240 ℃。17、较好地，所述金属盐为可溶性的氯化盐、硝酸盐或硫酸盐；所述磁性金属为磁性金属铁（fe）、钴 （co）或镍（ni）；所述非磁性金属为钛（ti）、锌（zn）、钡（ba）或锰（mn）。18、较好地，热塑性树脂为工程塑料；熔融共混过程中，螺杆转速控制在40~60 r/min；注塑成型温度为热塑性树脂熔点上浮20~40 ℃，注塑压力控制在70~150 mpa。19、较好地，工程塑料为尼龙、聚酰亚胺或聚碳酸酯。20、本发明中，微波碳热冲击处理的时间是指cf丝束上同一个点位从进入到出来微波发生器所经历的时间，微波碳热冲击处理时间取决于cf丝束的牵引速度以及微波发声器的有效长度，在同一微波发声器下，通过调节cf丝束的牵引速度可以实现微波碳热冲击处理时间的调节。本发明整个过程中，牵引速度保持恒定，以控制在1~3 m/min最佳。21、本发明中，纳米纤维素为几~几百纳米尺度的颗粒状或纤维状纤维素，比如直径10~50 nm、长度200~500 nm的纤维素纳米晶。22、有益效果：23、（1）、本发明中，cf反射微波同时和微波发生耦合，产生感生电流导致自身升温，所以本发明利用微波碳热冲击方法在空气气氛下可以在几秒钟内成功合成金属氧化物纳米颗粒，并在cf表面均匀修饰；通过控制金属盐的类型、金属盐溶液的浓度和微波碳热冲击时间，可以有效地调节cf表面金属氧化物纳米颗粒的种类和氧缺陷的数量，这些金属氧化物纳米颗粒的数量和大小可以实现对cf表面电磁性质的调控，从而有效提高表面改性cf增强热塑性树脂复合材料（即本发明的电磁波复合材料）的阻抗匹配和emw衰减能力，cf表面氧缺陷的含量可以有效提高表面改性cf增强热塑性复合材料的界面性能，从而提高表面改性cf增强热塑性树脂复合材料的力学强度；同时，由于cf表面化学活性和粗糙度的协同作用，其界面相容性得到增强，表面改性cf增强热塑性树脂复合材料会表现出优异的emw吸收和力学性能；这种快速微波碳热冲击方法具有操作简单、成本低和短的加工周期，具有大规模生产的巨大潜力；24、（2）、金属盐的种类选择是重要的，磁性金属盐在短时间的微波碳热冲击作用下，可以在空气中快速经过还原和氧化形成磁性金属氧化物，这为cf赋予了磁性能，有效提高了cf复合材料的阻抗匹配和对电磁吸波的衰减能力；有些特定非磁性金属盐，会转化为介电损耗型材料，比如tio2、zno、bao或mno2，这为表面改性cf增强热塑性树脂复合材料提供了强的介电损耗能力，有利于对电磁波的衰减；同时混合金属盐也是可取的，它可以在cf表面形成金属氧化物的混合物，甚至是高熵氧化物。