本發明涉及一種可損傷自感知的玄武巖纖維復合材料及其制備方法，屬于纖維增強復合材料。

背景技術：

1、因其綠色無污染、高強度質量比、優良的力學性能、耐腐蝕性和耐磨性，玄武巖纖維被廣泛應用于航空航天、油氣運輸、建筑結構、能源設備等領域。由玄武巖纖維與聚合物制備而成的玄武巖纖維復合材料具有比玻璃纖維復合材料更高的力學性能，比碳纖維、芳綸纖維復合材料更低的能耗和制造成本，吸引著工業和學術界的廣泛關注。玄武巖纖維具有光滑且惰性的表面，導致其與基體之間的界面粘合強度較差，限制其用于高端領域的需求。

2、現存的玄武巖纖維表面修飾方法主要有化學氣相沉積、電泳沉積、酸堿處理、等離子體處理、硅烷化處理和涂層修飾等。化學氣相沉積、電泳沉積、酸堿處理、等離子體處理、硅烷化處理等表面修飾方法存在著一定的局限性，比如，化學氣相沉積有著苛刻實施條件，修飾后的玄武巖纖維表面殘留難以清除的催化劑；電泳沉積有著復雜繁瑣的實驗步驟；酸堿處理、硅烷化處理和等離子體處理刻蝕和破壞玄武巖纖維的本征結構。目前，涂層修飾被視為玄武巖纖維表面修飾有效的方法。

3、將納米填料涂層直接沉積在玄武巖纖維表面，納米填料與玄武巖纖維之間由于缺乏強力的粘結，在加工過程中，納米填料易從玄武巖纖維表面脫落，因此對玄武巖纖維復合材料的增強受限。為增加納米填料與玄武巖纖維之間的粘結，往往使用聚合物充當粘結劑。然而，大多數聚合物涂層是由環氧基聚合物組成，其初始熱解溫度通常低于250℃，限制了它們在高性能熱塑性復合材料加工中的應用。另外，由導電納米填料與聚合物構成的導電復合材料涂層在玄武巖纖維表面，通過這一方法使玄武巖纖維獲得功能性。但由于聚合物遠低于導電納米填料的電導率，這樣的涂層限制了修飾后玄武巖纖維復合材料的電導率。對于上述挑戰，我們結合玄武巖纖維表面修飾和在基體材料中引入導電納米填料，在玄武巖纖維復合材料中構建一種由纖維修飾和基體納米增強所組成的分級結構，提出一種可同時提高玄武巖纖維復合材料力學性能和損傷自感知功能的方法。相比較于其他功能性玄武巖纖維復合材料的制備方法，本發明提出的方法具有操作簡單、性能提升明顯、經濟效益高等特點。

技術實現思路

1、本發明主要是克服現有技術中的不足之處，提出一種可損傷自感知的玄武巖纖維復合材料的制備方法，該方法制備的玄武巖纖維復合材料擁有高力學性能的同時，具備高電導率和優異的損傷自感知功能。

2、本發明解決上述技術問題所提供的技術方案是：一種可損傷自感知的玄武巖纖維復合材料的制備方法，包括以下步驟：

3、s1、將短切玄武巖纖維束置于管式爐中熱解，冷卻至室溫，清洗干燥，得到脫漿玄武巖纖維；

4、s2、將含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮溶解在n，n-二甲基甲酰胺中得到有機溶液，將碳納米纖維與聚乙二醇超聲分散在去離子水中得到懸浮液；

5、s3、將脫漿玄武巖纖維浸泡在s2得到的有機溶液中，過濾干燥，得到含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮修飾的玄武巖纖維；

6、s4、將含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮修飾的玄武巖纖維浸泡在s2得到的懸浮液中，過濾干燥，得到吸附碳納米纖維的玄武巖纖維；

7、s5、將吸附碳納米纖維的玄武巖纖維置于管式爐中，加熱保溫冷卻，清洗干燥，使得玄武巖纖維表層的碳納米纖維嵌入到含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮涂層中，得到碳納米纖維/含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮復合涂層修飾的玄武巖纖維；

8、s6、將石墨烯納米片與聚芳醚腈熔融預混，加入碳納米纖維/含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮復合涂層修飾的玄武巖纖維，共混，熱壓得到玄武巖纖維復合材料。

9、進一步的技術方案是，所述步驟s1中的短切玄武巖纖維束的長度為3mm。

10、進一步的技術方案是，所述熱解的環境為高溫無氧環境，保護氣體為氮氣，氣體流量為1l/min。

11、進一步的技術方案是，所述步驟s1中的熱解分為兩段。

12、其中更進一步的是，所述第一段熱解溫度為250℃，熱解時間為30min，到達第一段熱解溫度的加熱速率為5℃/min。

13、其中更進一步的是，所述第二段熱解溫度為400℃，熱解時間為1h，到達第二段熱解溫度的加熱速率為10℃/min。

14、進一步的技術方案是，所述冷卻方式為自然冷卻。

15、進一步的技術方案是，所述步驟s2中的含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮的濃度為5-10mg/ml。

16、進一步的技術方案是，所述碳納米纖維的濃度為0.3-0.5mg/ml，碳納米纖維與聚乙二醇的質量比為1：4。

17、進一步的技術方案是，所述步驟s3中的浸泡時間為20min。

18、進一步的技術方案是，所述含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮修飾的玄武巖纖維的粗糙度為20-30nm。

19、進一步的技術方案是，所述步驟s4中的浸泡時間為30min。

20、進一步的技術方案是，所述步驟s4中吸附碳納米纖維的玄武巖纖維的粗糙度為50-65nm。

21、進一步的技術方案是，所述步驟s5中管式爐的保護氣體為氬氣和氮氣的混合氣體。

22、其中更進一步的是，氬氣與氮氣的體積比為1：2，氣體流速為9l/min。

23、其中更進一步的是，在加熱前10min開始通氣，保溫結束停止通氮氣。

24、進一步的技術方案是，所述加熱速率為10℃/min。

25、進一步的技術方案是，所述保溫溫度為350℃，保溫時間為1h。

26、進一步的技術方案是，所述冷卻方式為惰性氣體冷卻，惰性氣體為氬氣，氣體流速為3l/min。

27、進一步的技術方案是，所述步驟s5中碳納米纖維/含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮復合涂層修飾的玄武巖纖維的粗糙度為40-50nm。

28、進一步的技術方案是，步驟s6中預混、共混設備為計算機控制轉矩流變儀。

29、進一步的技術方案是，所述石墨烯納米片的質量分數為3-5wt%，碳納米纖維/含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮復合涂層修飾的玄武巖纖維的質量分數為5-40wt%。

30、進一步的技術方案是，所述預混溫度為280℃，時間為5min，轉速為100rpm。

31、進一步的技術方案是，所述共混溫度為300℃，時間為10min，轉速為120rpm。

32、本發明所要解決的第二個技術問題是提供一種由上述方法制備而成的一種可損傷自感知的玄武巖纖維復合材料。

33、本發明具有以下有益效果：

34、（1）本發明利用含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮涂層包裹玄武巖纖維表面，修復玄武巖纖維表面缺陷的同時保持其自身結構；并通過高溫熔化含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮涂層將碳納米纖維焊接在涂層上，加強了導電納米填料與玄武巖纖維之間的粘結，可有效避免加工過程中導電納米填料的脫落；并且含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮、碳納米纖維與聚芳醚腈以及聚芳醚腈中的石墨烯納米片之間存在的共軛作用提升了玄武巖纖維和基體之間的界面粘合強度，有利于實現應力從基體到纖維的傳遞，從而提升玄武巖纖維復合材料的力學性能。

35、（2）本發明通過二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮涂層將碳納米纖維焊接在玄武巖纖維表面，提高了玄武巖纖維表面的粗糙度，增加玄武巖纖維與基體之間的機械嚙合作用；并且，二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚砜酮和碳納米纖維共同在玄武巖纖維和聚芳醚腈基體之間形成模量過渡層，減緩從玄武巖纖維到聚芳醚腈的模量突變；此外，分散在聚芳醚腈中的石墨烯納米片起到鈍化裂紋尖端、阻礙裂紋擴展和納米增強的作用，這些因素進一步提高玄武巖纖維復合材料的力學性能。

36、（3）本發明中分散在聚芳醚腈基體中的石墨烯納米片以及分布在玄武巖纖維表面的碳納米纖維，分別在玄武巖纖維復合材料的基體和纖維表面形成了導電網絡結構；玄武巖纖維表面的導電網絡實現了電子的長程導電路徑，而分散在聚芳醚腈基體中的導電網絡實現的是電子的短程導電路徑，兩者共同構建多尺度導電分級結構，提高玄武巖纖維復合材料的電導率；并且，這樣的導電分級結構使玄武巖纖維復合材料能夠準確靈敏地感知外界加載，將受到的加載轉化為電信號輸出，從而賦予玄武巖纖維復合材料損傷自感知功能。