本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備技術(shù)，具體涉及一種層層組裝三維功能復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，具有電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等功能及相互轉(zhuǎn)化功能的材料得到了快速發(fā)展，其作用和需求越來越大，導(dǎo)電高分子、壓電陶瓷、光導(dǎo)纖維、光電、熱電、磁電等功能材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子信息、能源交通、生物醫(yī)療、航空航天、儀器儀表等眾多領(lǐng)域。

功能復(fù)合材料是功能材料里最重要的一部分，功能復(fù)合材料主要由功能體(也稱為填充物或增強(qiáng)體)和基體組成，或者由兩種及兩種以上的功能體組成，通過功能體之間相互搭接形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料具有導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸波、透波、摩擦、屏蔽、阻燃、防熱、吸聲、隔熱等功能，同時由于復(fù)合效應(yīng)還可能產(chǎn)生新的功能。

功能體在基體中的分布狀態(tài)決定了功能復(fù)合材料的性能與可靠性，功能體之間的良好搭接、形成穩(wěn)定可靠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是功能復(fù)合材料制備工藝的難點(diǎn)和關(guān)鍵。然而，與傳統(tǒng)的三維編織、Z-Pin等三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不同，對于金屬粒子、石墨、納米金剛石等顆粒功能體，碳納米管、碳纖維、金屬纖維等纖維功能體，石墨烯、鱗片、云母等片狀功能體，由于功能體尺寸小、相互搭接力小，很難預(yù)先搭接形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的功能體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；同時，功能體在基體內(nèi)靈活多變的分布與搭接、三維結(jié)構(gòu)的自主設(shè)計與控制、多種不同功能體的集成等問題，通過傳統(tǒng)的復(fù)合材料工藝很難解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種層層組裝三維功能復(fù)合材料及其制備方法。

本發(fā)明的一個目的在于提出一種層層組裝三維功能復(fù)合材料。

本發(fā)明的三維功能復(fù)合材料包括：多層單層基體、面內(nèi)功能體和軸向功能體；其中，單層基體采用一種高聚物或多種高聚物共混物原料加熱融化后熱壓形成的薄膜；在每一層的單層基體內(nèi)雕刻形成面內(nèi)功能體的雕刻圖案，雕刻圖案中填充功能體材料形成面內(nèi)功能體，面內(nèi)功能體中不同的位置的功能體材料相同或不同；在單層基體內(nèi)打孔形成通孔，各層單層基體的通孔的水平位置相同或不同，多層疊放在一起的單層基體，通孔位置沿垂直方向上下連通或與面內(nèi)功能體的雕刻圖案連通，通孔內(nèi)填充功能體材料形成軸向功能體，軸向功能體上下連通或者與面內(nèi)功能體連通，軸向功能體中不同的位置的功能體材料相同或不同；面內(nèi)功能體和軸向功能體構(gòu)成功能體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；多層疊放在一起的單層基體熔化后層與層之間的界面完全消失，各單層基體形成一個整體，從而形成具有功能體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三維功能復(fù)合材料。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種層層組裝三維功能復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明的層層組裝三維功能復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)三維功能復(fù)合材料的功能與結(jié)構(gòu)需求，設(shè)計三維功能復(fù)合材料的參數(shù)，包括：單層基體的層數(shù)和材料，各層的面內(nèi)功能體的雕刻圖案、功能體材料和相應(yīng)功能體材料的分布位置，以及各層之間軸向功能體的通孔的位置、形狀、功能體材料和相應(yīng)功能體材料的分布位置；

2)制備單層基體：將一種高聚物或多種高聚物共混物原料加熱融化，熱壓成厚度為0.01～10mm的薄膜，形成單層基體；

3)按照步驟1)中設(shè)計的面內(nèi)功能體的雕刻圖案，包括雕刻圖案的水平形狀和深度，使用機(jī)加工鉆頭或激光在單層基體的表面進(jìn)行雕刻，在單層基體內(nèi)形成面內(nèi)功能體的雕刻圖案；

4)按照步驟1)中設(shè)計的軸向功能體的通孔的位置和形狀，使用機(jī)加工鉆頭或激光對單層基體進(jìn)行打孔，單層基體內(nèi)形成通孔，各層單層基體的通孔的水平位置相同或不同，當(dāng)多層單層基體疊放在一起后，各層單層基體的通孔位置沿垂直方向上下連通或與面內(nèi)功能體的雕刻圖案連通；

5)按照步驟1)中設(shè)計的面內(nèi)功能體的功能體材料和相應(yīng)功能體材料的分布位置以及軸向功能體的功能體材料和相應(yīng)功能體材料的分布位置，采用不同的熱熔擠出頭裝載不同的功能體漿料，沿著雕刻圖案和通孔的位置行進(jìn)，在相應(yīng)的雕刻圖案和通孔的位置分別擠出涂覆對應(yīng)的功能體漿料，同一層單層基體內(nèi)或者不同層的各個單層基體之間，不同位置涂覆相同或不同的功能體漿料；

6)將涂覆了功能體漿料的單層基體自然晾干或加熱烘干，直到功能體漿料中的高聚物預(yù)聚體完全聚合或者溶劑揮發(fā)，功能體漿料成為固體形態(tài)的功能體材料，從而在不同位置形成相同或不同的功能體材料，形成單層復(fù)合材料；

7)重復(fù)步驟1)～6)，直至完成所有的單層復(fù)合材料；

8)將多層單層復(fù)合材料裁切成與模具尺寸一致的形狀，按照先后順序放入模具中，組裝形成多層復(fù)合材料，多層復(fù)合材料中，填充在單層基體的雕刻圖案內(nèi)的功能體材料形成面內(nèi)功能體，填充在各層單層基體之間連通的通孔內(nèi)的功能體材料形成軸向功能體，面內(nèi)功能體和軸向功能體構(gòu)成功能體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

9)將裝有多層復(fù)合材料的模具放入高溫爐，加熱使得單層基體中的高聚物原料剛好熔化，保持一定時間，直到多層復(fù)合材料中層與層之間的界面完全消失，各單層基體形成一個整體，形成三維功能復(fù)合材料初體；

10)進(jìn)行快速冷卻，降溫速度為0～30℃/分鐘，溫度降低至高于熱變形溫度0～50℃，調(diào)整形成三維功能復(fù)合材料初體的外觀形態(tài)；

11)進(jìn)行緩慢冷卻，降溫速度為0～15℃/分鐘，逐漸冷卻至低于熱變形溫度0～50℃時，保持一定時間，直至徹底消除三維功能復(fù)合材料初體中的殘余應(yīng)力，形成不變形的具有功能體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三維功能復(fù)合材料。

其中，在步驟1)中，根據(jù)三維功能復(fù)合材料的功能與結(jié)構(gòu)需求，能夠自由設(shè)計面內(nèi)功能體的雕刻圖案、寬度、深度和材料以及各層之間軸向功能體的通孔的位置、形狀和材料，從而實(shí)現(xiàn)功能體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的寬度、厚度和搭接形式的控制。

在步驟5)中，功能體漿料為由質(zhì)量比0.01～99％的功能體、質(zhì)量比0～99％的高聚物預(yù)聚體、質(zhì)量比0～70％的溶劑、質(zhì)量比0～70％的固化劑和質(zhì)量比0～20％的分散劑配置而成的膏狀物或黏稠物，其中，功能體、高聚物預(yù)聚體、溶劑、固化劑和分散劑的質(zhì)量比總和為100％。功能體為顆粒功能體、纖維功能體和片狀功能體中的一種或多種，顆粒功能體包括金屬粒子、石墨和納米鉆石等；纖維功能體包括碳納米管、碳纖維和金屬纖維等；片狀功能體包括石墨烯、鱗片和云母等。

由于功能體漿料烘烤后組分減少，可能導(dǎo)致寬度和厚度降低；同時，少量多次均勻的熱熔擠出涂敷、烘干處理可以增強(qiáng)功能體與功能體、功能體與基體的結(jié)合界面。因此，根據(jù)需求，在步驟6)后，進(jìn)一步包括多次重復(fù)步驟5)～6)，使得形成的單層復(fù)合材料中的功能體材料不僅滿足設(shè)計要求，而且與單層基體界面結(jié)合緊密。

在步驟9)中，加熱的溫度高于單層基體中的高聚物原料的熔點(diǎn)溫度0～50℃。

在步驟10)中，外觀形態(tài)包括表面粗糙度和紋路等。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明通過熔融熱壓、雕刻、打孔、熱熔擠出涂覆、烘干、裁切、組裝、熱處理及溫控等工藝，制備層層組裝的高聚物基三維功能復(fù)合材料；通過對復(fù)合材料中每層的獨(dú)立設(shè)計，實(shí)現(xiàn)功能體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的寬度、厚度、搭接形式的自由設(shè)計與控制；通過在不同位置熱熔擠出涂覆不同的功能體漿料，三維功能復(fù)合材料能夠同時集成一種或多種功能體，形成靈活多變的功能體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有助于復(fù)合材料的多功能化與性能調(diào)控；通過功能體材料直接在預(yù)定位置處原位固化，同時借助少量多次均勻熱熔擠出涂覆、烘干工藝，可以極大地增強(qiáng)功能體與功能體、功能體與基體的結(jié)合界面，形成結(jié)構(gòu)精確穩(wěn)定、完整性好的功能體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？偟膩碚f，本發(fā)明制備的層層組裝三維功能復(fù)合材料具有設(shè)計自由度高、性能優(yōu)異、功能多、調(diào)控范圍大、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時工藝條件實(shí)現(xiàn)簡單，流程容易控制，不會產(chǎn)生殘留雜質(zhì)或反應(yīng)物，成本低，成品率高，便于批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的層層組裝三維功能復(fù)合材料的制備方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的層層組裝三維功能復(fù)合材料的制備方法的一個實(shí)施例得到的三維功能復(fù)合材料的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的層層組裝三維功能復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)三維功能復(fù)合材料的功能與結(jié)構(gòu)需求，設(shè)計三維功能復(fù)合材料的參數(shù)，包括：單

層基體的層數(shù)為五層，材料采用熱塑性聚氨酯TPU，各層的面內(nèi)功能體的雕刻圖案、功

能體材料和相應(yīng)功能體的分布位置，以及各層之間軸向功能體的通孔的位置、形狀、功

能體材料和相應(yīng)功能體的分布位置；

2)制備單層基體：將高聚物原料加熱融化，熱壓成厚度為1mm的薄膜，形成單層基體；

3)按照步驟1)中設(shè)計的面內(nèi)功能體的雕刻圖案，包括雕刻圖案的水平形狀和深度，使用機(jī)加工鉆頭或激光在單層基體的表面進(jìn)行雕刻，在單層基體內(nèi)形成面內(nèi)功能體的雕刻圖案；

4)按照步驟1)中設(shè)計的軸線功能體的通孔的位置和形狀，使用機(jī)加工鉆頭或激光對單層基體進(jìn)行打孔，單層基體內(nèi)形成通孔，各層單層基體的通孔的水平位置相同或不同，當(dāng)多層單層基體疊放在一起后，各層單層基體的通孔位置沿垂直方向上下連通或與面內(nèi)功能體的雕刻圖案連通；

5)按照步驟1)中設(shè)計的面內(nèi)功能體的功能體材料和相應(yīng)功能體材料的分布位置以及軸向功能體的功能體材料和相應(yīng)功能體材料的分布位置，采用不同的熱熔擠出頭裝載不同的功能體漿料，沿著雕刻圖案和通孔的位置行進(jìn)，在相應(yīng)的雕刻圖案和通孔的位置分別擠出涂覆對應(yīng)的功能體漿料，同一層單層基體內(nèi)或者不同層的各個單層基體之間，不同位置涂覆相同或不同的功能體漿料；

6)將涂覆了功能體漿料的單層基體自然晾干或加熱烘干，直到功能體漿料中的高聚物預(yù)聚體完全聚合或者溶劑揮發(fā)，功能體漿料成為固體形態(tài)的功能體材料，從而在不同位置形成相同或不同的功能體材料，形成單層復(fù)合材料；

7)重復(fù)步驟1)～6)，直至完成五層單層復(fù)合材料；

8)將五層單層復(fù)合材料裁切成與模具尺寸一致的形狀，按照先后順序放入模具中，組裝形成多層復(fù)合材料，多層復(fù)合材料中，填充在單層基體的雕刻圖案內(nèi)的功能體材料形成面內(nèi)功能體，填充在各層單層基體之間連通的通孔內(nèi)的功能體材料形成軸向功能體，形成功能體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

9)將裝有多層復(fù)合材料的模具放入高溫爐，加熱溫度高于單層基體中的高聚物原料熔化溫度15℃，保持一定時間，直到多層復(fù)合材料中層與層之間的界面完全消失，各單層基體形成一個整體，形成三維功能復(fù)合材料初體；

10)進(jìn)行快速冷卻，降溫速度為15℃/分鐘，溫度降低至高于熱變形溫度15℃，調(diào)整形成三維功能復(fù)合材料初體的外觀形態(tài)；

11)進(jìn)行緩慢冷卻，降溫速度為5℃/分鐘，逐漸冷卻至溫度低于熱變形溫度15℃時，保持一定時間，直至徹底消除三維功能復(fù)合材料初體中的殘余應(yīng)力，形成不變形的具有功能體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三維功能復(fù)合材料。

如圖2所示，制備得到的三維功能復(fù)合材料包括多層單層基體1、面內(nèi)功能體2和軸向功能體3。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。