本发明涉及碳纤维复合材料领域，具体涉及一种高强碳纤维蒙皮材料、制备方法及在翼片结构件中的应用。
背景技术：
1、碳纤维复合材料以其高比强度、高比模量等优异性能，在航空航天领域得到广泛应用。特别是在航空航天等高速飞行器的关键结构件中，碳纤维复合材料常作为蒙皮材料，承担着维持外形、传递载荷、抵御气动力热等重要功能。随着飞行技术的不断发展，对蒙皮材料的强度性能提出了更高要求。一方面，更高的强度意味着更优的结构效率，在相同起飞质量下可获得更大的战斗部载荷比，从而显著提升飞行器的毁伤效能。另一方面，蒙皮材料的高强度也是在苛刻的服役环境下维持结构完整性的关键保障，极端条件包括高马赫数飞行时的气动力热、高过载机动时的惯性载荷等，蒙皮材料只有具备足够强度，才能避免结构损伤，最终确保飞行器的可靠性。因此，发展高强碳纤维蒙皮材料对促进飞行器技术的进步具有重要意义，相关领域亟需开展系统深入的研究工作，以期获得强度性能显著提升的新一代蒙皮材料。
2、目前，尽管碳纤维蒙皮材料已取得诸多进展，但仍存在一些不足之处，(1)高强度仍有待进一步提升，以满足更为苛刻的使用环境要求，如公开号为cn108749229a的中国专利公开了一种碳纤维布增强树脂材料的下蒙皮层材料，但由于碳纤维和树脂基体之间存在天然的物化性质差异，因此碳纤维和树脂基体之间的界面结合强度有待提高。(2)热物理性能较差，低膨胀系数和高热导率的实现与保持仍是技术难点之一，碳纤维蒙皮材料在服役过程中需要实现低膨胀系数和高热导率，这是因为蒙皮材料面临严峻的气动加热环境，温度急剧上升。若材料的膨胀系数过大，热膨胀引起的变形会改变飞行器外形，破坏气动外形，增加空气阻力，降低飞行速度和射程。同时，热变形还会引起应力集中，导致蒙皮开裂、分层等损伤，严重时可能导致结构破坏，影响飞行器的结构完整性和可靠性，在高速飞行过程中，飞行器蒙皮材料会吸收大量的热量。高热导率可以确保这些热量能够迅速传递到飞行器内部或其他散热系统中，从而保持蒙皮材料的温度稳定，防止因过热而导致的性能下降或损坏。因此，低膨胀系数和高热导率对于维持飞行器的气动外形和结构完整性至关重要。
技术实现思路
1、(1)解决的技术问题
2、本发明的目的是提供一种高强碳纤维蒙皮材料、制备方法及在翼片结构件中的应用，解决目前碳纤维蒙皮材料强度、热物理性能不足的问题。
3、(2)技术方案
4、为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
5、一种高强碳纤维蒙皮材料，由以下重量份的原料制备而成：表面改性铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体30～55份、聚酰胺酸混合溶液40～70份；
6、所述的表面改性铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体由铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体经pss-[3-(2-氨乙基)氨基]丙基-取代七异丁基表面改性制备得到；所述铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体包括碳纤维预制体以及负载于所述碳纤维预制体表面的铝掺杂碳化硅纳米线。
7、本发明铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体中，首先，碳化硅纳米线自身的高强度特性也直接贡献于复合材料整体强度的提升。其次，碳化硅作为一种典型的低膨胀系数材料，其纳米级引入可显著影响复合材料的热膨胀行为。碳化硅纳米线在碳纤维表面的均匀分布，形成了一种有效的热应力缓冲层，能够均匀分散并缓解因温度变化引起的热应力集中。此外，碳化硅纳米线与聚酰亚胺树脂基体之间的相互作用，也促进了复合材料内部热应力的均匀分布，从而进一步降低了整体的热膨胀系数。最后，碳化硅纳米线以其优异的热导性能，成为提升复合材料热导率的关键元素。另外，采用铝掺杂碳化硅纳米线，通过构建竹节状形貌和改善纳米线本征力学性能，显著提升了碳纤维复合材料的强度。
8、进一步的，本发明采用了创新的pss-[3-(2-氨乙基)氨基]丙基-取代七异丁基(cas:444315-16-6)改性铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体，旨在通过界面结构设计和调控，全面提升碳纤维复合材料的力学性能、热物理性能以及碳纤维与聚酰亚胺基体之间的界面相容性和结合强度。首先，pss-[3-(2-氨乙基)氨基]丙基-取代七异丁基的引入可以显著促进聚酰亚胺在铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体表面的结晶行为。这种特殊设计的取代基团可以通过化学键合作用诱导聚酰亚胺分子链在预制体表面形成有序排列，进而诱发结晶。聚酰亚胺结晶区的形成不仅可以提高界面处的结合强度，还能够改善应力在纤维、纳米线和基体之间的传递和分布，从而显著提升复合材料的力学性能，尤其是强度和韧性。其次，pss-[3-(2-氨乙基)氨基]丙基-取代七异丁基的存在可以显著改善铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体与聚酰亚胺基体之间的界面相容性。这种取代基团可以与聚酰亚胺分子链形成氢键等二级相互作用，增加界面处的粘附力。良好的界面相容性有利于实现纤维、纳米线与基体之间的应力传递和协同增强作用，避免因界面脱粘、分层等引起的早期失效。此外，改善的界面相容性还可以促进复合材料内部应力状态的均匀化，提高材料的抗疲劳性能和使用寿命。更为重要的是，聚酰亚胺结晶区在铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体表面的均匀分布，可以形成独特的强-塑性匹配结构。结晶区作为强化相，可以提供优异的强度和刚度；非结晶区则作为塑性基体，赋予材料良好的韧性和延展性。这种强-塑性匹配结构可以有效平衡复合材料的强度和韧性，实现高强高韧的协同优化。同时，结晶区的存在还可以改善复合材料的热物理性能，如提高热导率、降低热膨胀系数等，这对于航空航天等高温应用环境至关重要。综上所述，本发明采用pss-[3-(2-氨乙基)氨基]丙基-取代七异丁基改性铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体，通过促进聚酰亚胺结晶、改善界面相容性以及构建强-塑性匹配结构，在提升复合材料力学性能的同时，显著改善了其热物理性能。这种多尺度、多层次的界面结构调控策略为高性能碳纤维复合材料的设计和制备提供了新的思路，有望推动碳纤维复合材料在航空航天、高端装备制造等领域的广泛应用和技术创新。
9、同时，聚酰胺酸混合溶液经固化后所得的聚酰亚胺树脂基体作为连续相，也提供了良好的热传导路径，与碳化硅纳米线协同作用，共同提升了复合材料的热管理能力。
10、进一步的，所述的铝掺杂碳化硅纳米线的形貌为竹节状，以原位生长方式呈发散状均匀分布在碳纤维预制体表面。
11、本发明设计的碳化硅纳米线设计为竹节状并且以原位生长方式呈发散状均匀分布在碳纤维表面其目的在于：1)竹节状铝掺杂碳化硅纳米线以其独特的形态，不仅增加了与碳化硅纳米线表面的接触面积，还通过其节点结构提供了额外的机械锁合效应；这种锁合效应有效阻止了界面滑移和裂纹扩展，显著增强了铝掺杂碳化硅纳米线与聚酰亚胺树脂基体之间的界面结合力。2)竹节状结构不仅增加了纳米线的比表面积，还形成了更多的热传导通道；这些通道在碳纤维表面以发散状均匀分布，构建了一个高效的三维热传导网络；当热量在复合材料中传递时，这些网络能够迅速将热量分散并导出，从而显著提升材料的热导率。3)铝掺杂碳化硅纳米线的竹节状形貌不仅可以大幅增大纳米线的比表面积，提供更多的界面结合位点，还能够引入应力集中效应，激活位错和晶界等增强机制；竹节状结构可以有效阻碍位错的运动，提高位错的存储密度，从而显著增强纳米线的强度。与常规的光滑纳米线相比，竹节状铝掺杂碳化硅纳米线的强度显著提高。
12、综上所述，本发明通过进一步设计铝掺杂碳化硅纳米线的特定形态及分布方式，并结合聚酰亚胺树脂基体的优异性能，成功实现了碳纤维蒙皮材料在强度、膨胀系数和热导率等方面的综合性能提升。这一创新设计不仅拓宽了碳纤维复合材料的应用领域，也为高端装备制造领域提供了更为可靠和高效的材料解决方案。
13、进一步的，所述的碳纤维预制体和铝掺杂碳化硅纳米线之间的界面为半共格界面。
14、本发明在碳纤维表面引入碳化硅纳米线的基础上，精心设计了碳纤维与碳化硅纳米线之间的界面结构，旨在显著提升复合材料的力学性能和热物理性能。本发明碳纤维和碳化硅纳米线之间采用半共格界面设计，这种独特的界面结构可以从多个方面改善材料性能。首先，半共格界面可以大幅提高碳纤维与碳化硅纳米线之间的结合强度。在半共格界面中，碳纤维和碳化硅纳米线在原子尺度上形成规则的原子排列和键合方式，使得两相之间形成强大的化学键合作用。这种强化学键合不仅能够有效传递载荷，还能够抑制界面处的滑移和脱粘现象，从而显著提高复合材料的强度和韧性。与常规的非共格界面相比，半共格界面的结合强度显著提高界面结合强度。其次，半共格界面有利于提高碳纤维与碳化硅纳米线之间的声子传输效率，改善复合材料的热导率。在半共格界面中，由于两相材料的晶格常数具有一定的匹配关系，界面处的声子散射和反射得到有效抑制，形成了"声子传输通道"。这种特殊的界面结构可以显著减少声子在界面处的能量损耗，促进声子在碳纤维和碳化硅纳米线之间的高效传输，从而大幅提升复合材料的导热性能。高热导率不仅有利于材料内部热量的快速消散，降低热应力引起的损伤风险，还可以改善复合材料在高温环境下的使用性能和可靠性。此外，半共格界面还具有独特的应力分布和转移机制。由于界面处的原子排列更加有序，应力可以沿着特定的晶面和方向进行传递，实现应力在纳米线和纤维之间的均匀分散。这种应力分布机制可以有效避免应力集中导致的早期失效，提高复合材料的抗疲劳性能和使用寿命。综上所述，本发明通过在碳纤维表面引入碳化硅纳米线，并采用半共格界面设计，实现了复合材料力学性能和热物理性能的全面提升。半共格界面不仅大幅增强了碳纤维与碳化硅纳米线之间的结合强度，还显著改善了界面处的声子传输效率和应力分布特性，为复合材料的强度、韧性、导热性和可靠性带来了革命性的改善。这种高性能碳纤维复合材料有望在航空航天、高端装备制造等对材料性能要求极高的领域得到广泛应用，引领材料技术的创新发展。
15、进一步的，所述的铝掺杂碳化硅纳米线的平均直径为20～80nm，平均长度为20～100μm。
16、进一步的，所述的表面改性铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体的制备方法包括以下步骤：将2～4份pss-[3-(2-氨乙基)氨基]丙基-取代七异丁基和40～60份n-甲基吡咯烷酮加入容器中先超声处理15～25min，然后再磁力搅拌15～24h得到均匀混合溶液，然后将6～12份铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体浸渍在均匀混合溶液中，接着超声浸渍5～10min，最后将其取出在室温真空干燥箱中干燥18～24h，最后得到表面改性铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体。
17、进一步的，所述的铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体的制备方法包括以下步骤：以重量份数计，将20～40份聚碳硅烷、0.5～0.8份硝酸铝、1～3份硝酸镍和100份乙醇混合均匀后，将5～9份碳纤维预制体完全浸渍其中，浸渍时间为10～25min，浸渍完成后将其放入真空干燥箱中，干燥12～24h，待浸渍纤维预制体干燥完成后将其放入立式真空炉中，在氩气气氛下加热至1200～1400℃，保温2～5h，冷却至室温后得到铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体。
18、本发明在碳纤维预制体表面引入铝掺杂碳化硅纳米线，旨在通过纳米线的形貌调控和组分设计，进一步提升碳纤维复合材料的力学性能，尤其是强度。通过在碳化硅纳米线中引入铝元素，可以显著改变纳米线的生长行为和形貌特征；铝原子的掺入可以诱导碳化硅纳米线形成独特的竹节状结构。且铝掺杂还可以改善碳化硅纳米线的本征力学性能。铝原子的引入可以导致碳化硅晶格发生畸变，形成点缺陷和位错等缺陷结构。这些缺陷可以作为位错的钉扎点，阻碍位错的滑移和运动，从而提高纳米线的强度。
19、综上所述，本发明对碳化硅纳米线进行铝掺杂，不仅诱导碳化硅纳米线形成高强度的竹节状结构，还可以通过引入缺陷等机制，进一步增强纳米线的力学性能。此外，铝掺杂碳化硅纳米线与碳纤维之间形成的优异界面结合，可以有效传递载荷，改善复合材料的韧性和抗冲击性能。这种多尺度协同增强策略为高强高韧碳纤维复合材料的设计提供了新思路，有望推动其在航空航天等领域的应用和发展。
20、进一步的，所述的聚碳硅烷和硝酸铝的质量比为(40～50)：1。
21、进一步的，所述的铝掺杂碳化硅纳米线中铝掺杂量为0.5at％～2.5at％。
22、进一步的，所述的聚酰胺酸混合溶液由以下重量份数的原料制备而成：20～30份对苯二胺、54～81份3,3',4,4'-联苯四甲酸二酐、100份二甲基乙酰胺、2～5份1,8-二氨基-3,6-二氧杂辛烷、3～7份二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯。
23、进一步的，所述的聚酰胺酸混合溶液的制备方法包括以下步骤：在氩气气氛中，将对苯二胺、3,3',4,4'-联苯四甲酸二酐和二甲基乙酰胺混合均匀后，在-10℃～-5℃下搅拌10～20h，然后加入1,8-二氨基-3,6-二氧杂辛烷和二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯，继续搅拌6～10h，即得所述聚酰胺酸混合溶液。
24、进一步的，所述的对苯二胺和3,3',4,4'-联苯四甲酸二酐的质量比为1：2.7。
25、本发明采用了独特的聚酰胺酸混合溶液配方，通过精心设计单体种类和用量，旨在赋予碳纤维复合材料优异的自愈合能力，显著提高其使用寿命和可靠性。本发明的自愈合聚酰亚胺通过引入柔性链段1,8-二氨基-3,6-二氧杂辛烷与刚性聚酰亚胺主链形成交联结构，利用柔性链段赋予聚合物分子链一定的运动性，使材料能够在受损时重新建立分子间相互作用实现自愈合。同时，采用二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯与聚酰亚胺形成脲基交联结构，提高了聚酰亚胺的强度、弹性模量和韧性。此外，使用二甲基乙酰胺作为溶剂使聚酰亚胺形成均一混合溶液，优化溶液浓度和粘度，有助于制备高质量的自愈合聚酰亚胺材料。通过调节单体尤其是柔性链段和异氰酸酯的投料比例，可以优化聚酰亚胺的化学结构和交联密度，实现具有优异的自愈合性能和力学性能的聚酰亚胺的可控制备。
26、进一步的，所述的碳纤维预制体为根据蒙皮形状，采用2.5d编织或3d编织方式将碳纤维编制成的碳纤维预制体。
27、本发明还提供一种高强碳纤维蒙皮材料的制备方法，包括以下步骤：
28、s1、浸渍：将表面改性铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体放入模具中，然后加入所述聚酰胺酸混合溶液并超声浸渍20～35min；
29、s2、固化成型：将模具先在50℃保温10～16h，然后升温至120℃下保温3～6h，最后在260℃下保温2～5h，聚酰胺酸混合溶液固化得到聚酰亚胺，制备得到所述高强碳纤维蒙皮材料。
30、本发明还公开了高强碳纤维蒙皮材料的应用，该高强碳纤维蒙皮材料用于翼片结构件。
31、(3)有益的技术效果
32、1.本发明通过在碳纤维预制体表面负载碳化硅纳米线，构建了分级结构和多尺度增强机制，从微观和宏观多个层次增强和优化了碳纤维蒙皮材料的性能。碳化硅纳米线的引入，一方面显著增大了纤维与基体的接触面积，形成机械互锁结构，并与聚酰亚胺基体形成化学键合，提高了界面结合强度，抑制了界面分层和破坏；另一方面,碳化硅纳米线作为第二增强相，在基体中形成纳米尺度增强网络，阻碍裂纹扩展，吸收和耗散外力能量，提高了复合材料的强度、模量和韧性。此外，碳化硅纳米线优异的耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，以及一定的导电、导热特性，赋予了复合材料多功能特性，拓宽了其应用范围。本发明采用原位生长方法引入碳化硅纳米线，简化了工艺流程，提高了复合材料的可加工性和成型质量。通过碳化硅纳米线的修饰，本发明赋予了碳纤维蒙皮材料更加优异的综合性能，使其适用于对材料性能要求更高的关键部件和结构件，具有显著的创新性和实用性，为高性能复合材料的设计和制备提供了新的思路和方法。
33、2.本发明采用pss-[3-(2-氨乙基)氨基]丙基-取代七异丁基改性铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体，通过促进聚酰亚胺结晶、增强界面相容性及构建强-塑性匹配结构，全面提升复合材料力学与热物理性能，实现高强度、高韧性及优异的热管理性能。
34、3.本发明设计的竹节状碳化硅纳米线，以原位生长方式均匀分布于碳纤维表面，实现了多重有益效果：增强界面结合力，通过形态与节点结构抑制界面滑移与裂纹扩展；优化热膨胀行为，形成热应力缓冲层，降低热膨胀系数；提升热导率，构建高效三维热传导网络，加速热量分散与导出。综合提升碳纤维复合材料的强度、抗热膨胀性及热导率，拓宽其应用范围，为高端装备提供卓越材料支持。
35、4.本发明在碳纤维上引入碳化硅纳米线，采用半共格界面设计，显著提升复合材料力学与热物理性能：强化界面结合，实现高效载荷传递与抗滑移；优化声子传输，增强热导率，促进热量快速消散；改善应力分布，提升抗疲劳性。
36、5.本发明在碳纤维表面引入铝掺杂碳化硅纳米线，通过调控形貌和组分，形成高强度竹节状结构，并改善纳米线本征力学性能，显著提升复合材料强度。铝掺杂诱导的竹节状形貌与缺陷结构协同作用，增强纳米线强度，同时优化界面结合，提升复合材料韧性和抗冲击性，为高强高韧碳纤维复合材料设计提供新路径。
37、6.本发明采用独特聚酰胺酸混合溶液配方，通过融合柔性链段与刚性聚酰亚胺，构建交联结构，赋予碳纤维复合材料自愈合能力，显著提升耐用性和可靠性。柔性链段增强分子链运动性，促进损伤自愈；异氰酸酯增强材料强度、模量和韧性。溶剂优化溶液性质，精确调控单体比例，实现高性能自愈合聚酰亚胺的可控制备，拓展碳纤维复合材料应用前景。
38、7.本发明不仅设计了具有自愈合能力的高性能碳纤维复合材料，还将其应用于翼片结构件外表面的防护，作为高强碳纤维蒙皮材料。这种应用显著提升了翼片结构件的耐久性、抗损伤能力和整体性能，延长了使用寿命，增强了结构的安全性和可靠性。此创新应用为航空航天及高端装备等领域提供了重要技术支持，推动了材料科学的进步与发展。
1.一种高强碳纤维蒙皮材料，其特征在于，由以下重量份数的原料制备而成：表面改性铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体30～55份、聚酰胺酸混合溶液40～70份；
2.如权利要求1所述的高强碳纤维蒙皮材料，其特征在于，所述的铝掺杂碳化硅纳米线的形貌为竹节状，以原位生长方式呈发散状均匀分布在碳纤维预制体表面；
3.如权利要求1或2所述的高强碳纤维蒙皮材料，其特征在于，所述的铝掺杂碳化硅纳米线的平均直径为20～80nm，平均长度为20～100μm。
4.如权利要求1或2所述的高强碳纤维蒙皮材料，其特征在于，所述的表面改性铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体的制备方法包括以下步骤：将2～4份pss-[3-(2-氨乙基)氨基]丙基-取代七异丁基和40～60份n-甲基吡咯烷酮加入容器中先超声处理15～25min，然后再磁力搅拌15～24h得到均匀混合溶液，然后将6～12份铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体浸渍在均匀混合溶液中，接着超声浸渍5～10min，最后将其取出在室温真空干燥箱中干燥18～24h，最后得到表面改性铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体。
5.如权利要求1或2所述的高强碳纤维蒙皮材料，其特征在于，所述的铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体的制备方法包括以下步骤：以重量份数计，将20～40份聚碳硅烷、0.5～0.8份硝酸铝、1～3份硝酸镍和100份乙醇混合均匀后，将5～9份碳纤维预制体完全浸渍其中，浸渍时间为10～25min，浸渍完成后将其放入真空干燥箱中，干燥12～24h，待浸渍纤维预制体干燥完成后将其放入立式真空炉中，在氩气气氛下加热至1200～1400℃，保温2～5h，冷却至室温后得到铝掺杂碳化硅纳米线/碳纤维复合预制体。
6.如权利要求1或2所述的高强碳纤维蒙皮材料，其特征在于，所述的聚酰胺酸混合溶液由以下重量份数的原料制备而成：20～30份对苯二胺、54～81份3,3',4,4'-联苯四甲酸二酐、100份二甲基乙酰胺、2～5份1,8-二氨基-3,6-二氧杂辛烷、3～7份二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯。
7.如权利要求6所述的高强碳纤维蒙皮材料，其特征在于，所述的聚酰胺酸混合溶液的制备方法包括以下步骤：在氩气气氛中，将对苯二胺、3,3',4,4'-联苯四甲酸二酐和二甲基乙酰胺混合均匀后，在-10℃～-5℃下搅拌10～20h，然后加入1,8-二氨基-3,6-二氧杂辛烷和二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯，继续搅拌6～10h，即得所述的聚酰胺酸混合溶液。
8.如权利要求1或2所述的高强碳纤维蒙皮材料，其特征在于，所述的碳纤维预制体为根据蒙皮形状，采用2.5d编织或3d编织方式将碳纤维编制成的碳纤维预制体。
9.一种如权利要求1～8中任意一项所述的高强碳纤维蒙皮材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.一种如权利要求1～8中任意一项所述的高强碳纤维蒙皮材料或如权利要求9所述的制备方法制备得到的高强碳纤维蒙皮材料在翼片结构件中的应用。
