一种各向异性双层纤维复合材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种各向异性双层纤维复合材料、制备方法及其应用，属于材料加工成型技术领域，制备的各向异性双层纤维复合材料材质均一，上下层之间没有明显的界面，上下层内的纤维走向不同使上下层呈现不同的各向异性，使得上下层具有不同的电学特性或者在溶剂溶胀时整体弯曲变形。本发明专利技术应用3D打印成型技术，包括以下操作步骤：（1）含铁磁性金属镀层纤维的表面预处理；（2）外加磁场控制纤维取向，进行双层打印成型。本发明专利技术加工简单易行，应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
一种各向异性双层纤维复合材料、制备方法及其应用
本专利技术属于材料加工成型
，尤其涉及一种各向异性双层纤维复合材料、制备方法及其应用。
技术介绍
复合材料的特性取决于其基体、填料的性能以及它们形成的微结构。高分子复合材料两相系统中，如果其中一相（例如，导热率高的一相）均匀分散但没有任何取向，在相对低的填料含量下导热率的提升是很有限的。当填料含量很高时，可以达到理想的导电导热率，但是以失去高分子本身的优良特性和提高成本为代价。然而当导热率高的一相沿热流方向平行并形成贯穿的结构，导热率会大幅度提升。因此，这种各向异性结构是在减少填料含量但赋予聚合物填料功能的一种有效方法，这种各向异性的复合材料也已经在许多领域得到了应用。目前对于各向异性复合材料已经有不少制备方法，包括剪切力取向、磁场取向、电场取向、预取向、共聚物热梯度自组装取向、溶剂蒸发驱动取向等。
技术实现思路
本专利技术提供了一种各向异性双层纤维复合材料、制备方法及其应用，通过立体光固化3D打印同一种材料形成的双层功能材料之间克服了以往工艺双层材料之间链接的弱点，而且材质均一，通过外加磁场诱导来实现纤维的取向，可以很好的实现不同层各向异性角度的控制。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种各向异性双层纤维复合材料，所述双层纤维复合材料中上下两层都是各向异性，上下层之间的纤维取向在水平平面内呈90°夹角；所述上下两层为同种材料。一种各向异性双层纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：a.将纤维和高分子基体混合均匀后倒入立体光固化3D打印机的液槽中；b.在光固化成型的液槽外侧水平位置X轴方向施加磁场，使得槽液中的纤维沿磁场方向取向，开始打印成型一定的厚度；c.在光固化成型的液槽外侧水平位置Y轴方向施加磁场，使得槽液中的纤维沿磁场方向取向，开始打印成型一定的厚度；d.按步骤b、c中设定的过程进行双层打印成型，得到各向异性双层纤维复合材料。以上所述步骤中，步骤a中所述纤维为具有铁磁性质的纤维，所述铁磁性质的纤维为金属纤维或者表面进行铁磁性质金属镀层的纤维，所述高分子基体为光敏树脂，步骤a中所述纤维和高分子基体按纤维的体积百分比为0.1%-10%混合均匀；步骤b和步骤c中所述磁场的方向夹角为90°；打印过程中上下层的厚度根据需求来设定，通过立体光固化3D打印层厚和层叠次数来实现。所述各向异性双层纤维复合材料应用于有机溶剂泄露报警装置，所述装置包括敏感元件、开关元件和报警电路；敏感元件5为各向异性双层纤维复合材料，敏感元件5一端固定，另一端处于约束状态，在平行于敏感元件5平面的方向可以自由移动；所述开关元件位于敏感元件5的上方，所述开关元件包括两片金属片，远离敏感元件5的金属片b4两端固定，靠近敏感元件5的金属片a3固定方式和敏感元件5相同，金属片a3和金属片b4作为报警电路的两极，当两个金属片联通时，触发报警电路工作。有益效果：本专利技术提供了一种各向异性双层纤维复合材料、制备方法及其应用，所述的复合材料不是单向的各向异性，而是分为上下两层，上下层中的纤维取向相互垂直，使得上下两层间的力学性能呈现不同的方向性；而且采用3D打印成型的方式，使得上下两层间的结合状况和材料内部完全一致，上下层的材料也完全一致，这是其他方法所达不到的效果；本专利技术纤维填充高分子复合材料采用立体光固化3D打印方式时，纤维在光敏树脂中沿着外加磁场方向高度取向，外加磁场的方向也就是复合材料中纤维的取向方向，通过外加磁场的方向可以实现上下两层各向异性方向性的差异；采用本专利技术方法制备的各向异性双层纤维复合材料材质均一，上下层之间没有明显的界面，上下层内的纤维走向不同使上下层呈现不同的各向异性，使得上下层具有不同的电学特性或者在溶剂溶胀时整体弯曲变形；将本专利技术的材料应用于有机溶剂泄露报警装置中，利用各向异性双层纤维复合材料在有机溶剂溶胀时上下层程度的差异，使得复合材料发生弯曲，驱动开关元件闭合，触发有机溶剂泄露报警装置发出报警信号，供报警提示及远程控制选用，使检查人员第一时间了解出现的故障，及时采取措施，避免事故发生，解决有机溶剂泄漏不能及时发现造成的安全隐患。附图说明图1为本专利技术实施例中各向异性双层纤维复合材料的示意图，图中1是纤维、2是树脂；图2为本专利技术实施例中打印示意图，图中M为外加磁场的方向，打印上层时，M为X方向，打印下层时，M为Y方向；图3为本专利技术实施例中有机溶剂泄露报警装置，图中3是金属片a、4是金属片b，5是敏感元件；图4为本专利技术实施例中有机溶剂泄露报警装置工作示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细的说明：实施例1一种各向异性双层纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：基体为环氧丙烯酸酯光敏树脂，纤维选用表层镀镍的短切碳纤维，纤维体积百分比为0.1%，纤维采用硅烷偶联剂KH-550处理后，将光敏树脂和纤维混合均匀后倒入3D打印机的液槽；设定3D打印机面向人的方向为Y方向，水平方向上垂直于Y方向的为X方向，如图2所示，首先在X方向上施加外加磁场，按正常的打印工艺进行打印，单次固化厚度0.1毫米，重复固化流程30次；然后在Y方向上施加外加磁场，按正常的打印工艺进行打印，单次固化厚度0.1毫米，重复固化流程30次。实施例2一种各向异性双层纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：基体为环氧丙烯酸酯光敏树脂，纤维选用表层镀镍的短切碳纤维，纤维体积百分比为10%，纤维采用硅烷偶联剂KH-550处理后，将光敏树脂和纤维混合均匀后倒入3D打印机的液槽。设定3D打印机面向人的方向为Y方向，水平方向上垂直于Y方向的为X方向，如图2所示，首先在X方向上施加外加磁场，按正常的打印工艺进行打印，单次固化厚度0.1毫米，重复固化流程30次；然后在Y方向上施加外加磁场，按正常的打印工艺进行打印，单次固化厚度0.1毫米，重复固化流程30次，得到如图1所示的各向异性双层纤维复合材料，所述双层纤维复合材料中上下两层都是各向异性，上下层之间的纤维取向在水平平面内呈90°夹角；所述上下两层为同种材料。实施例3一种各向异性双层纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：基体为环氧丙烯酸酯光敏树脂，纤维选用表层镀镍的短切碳纤维，纤维体积百分比为2%，纤维采用硅烷偶联剂KH-550处理后，将光敏树脂和纤维混合均匀后倒入3D打印机的液槽。设定3D打印机面向人的方向为Y方向，水平方向上垂直于Y方向的为X方向，如图2所示，首先在X方向上施加外加磁场，按正常的打印工艺进行打印，单次固化厚度0.1毫米，重复固化流程30次；然后在Y方向上施加外加磁场，按正常的打印工艺进行打印，单次固化厚度0.1毫米，重复固化流程30次，得到如图1所示的各向异性双层纤维复合材料，所述双层纤维复合材料中上下两层都是各向异性，上下层之间的纤维取向在水平平面内呈90°夹角；所述上下两层为同种材料。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种各向异性双层纤维复合材料，其特征在于，所述双层纤维复合材料中上下两层都是各向异性，上下层之间的纤维取向在水平平面内呈90°夹角。/n

【技术特征摘要】
1.一种各向异性双层纤维复合材料，其特征在于，所述双层纤维复合材料中上下两层都是各向异性，上下层之间的纤维取向在水平平面内呈90°夹角。


2.根据权利要求1所述的各向异性双层纤维复合材料，其特征在于，所述上下两层为同种材料。


3.一种各向异性双层纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将纤维和高分子基体混合均匀后倒入立体光固化3D打印机的液槽中；
b.在光固化成型的液槽外侧水平位置X轴方向施加磁场，使得槽液中的纤维沿磁场方向取向，开始打印成型一定的厚度；
c.在光固化成型的液槽外侧水平位置Y轴方向施加磁场，使得槽液中的纤维沿磁场方向取向，开始打印成型一定的厚度；
d.按步骤b、c中设定的过程进行双层打印成型，得到各向异性双层纤维复合材料。


4.根据权利要求3所述的各向异性双层纤维复合材料的制备方法，其特征在于，
步骤a中所述纤维为具有铁磁性质的纤维，所述高分子基体为光敏树脂。


5.根据权利要求4所述的各向异性双层纤维复合材料的制备方法，其特征在于，
所述铁磁性质的纤维为金属纤维或者表面进行铁磁性质金属镀层的纤维。


6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁庆军，李新宇，赵盖，孙志峻，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32