一种高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆及其制备方法与流程

本发明涉及伸缩立杆，更具体的是涉及一种高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆及其制备方法。

背景技术：

1、便携式可展开立杆在应急通信、野外观测、航空航天等领域的应用日益广泛。这类立杆需要在收纳状态下占据较小的体积以便于运输和携带，在展开状态下具备足够的刚度和承载能力以支撑天线、传感器等顶部负载。复合材料因其比强度高、比刚度大、耐疲劳性能好等优势，已成为制造便携式可展开立杆的优选材料。

2、现有复合材料可展开立杆主要采用纤维增强树脂基复合材料制成，通过将立杆卷绕成圈实现收纳，释放后依靠材料的弹性自恢复特性自动展开。然而，这类立杆在反复卷绕-展开使用过程中面临突出的材料层面的耐久性问题。立杆在卷绕时，其壁厚方向承受较大的弯曲变形，各纤维层之间产生显著的层间剪切应力。该剪切应力集中于纤维与树脂基体的界面处。碳纤维的表面光滑且化学活性较低，与树脂基体的物理和化学相互作用较弱。在反复的剪切应力作用下，纤维与树脂基体的界面容易发生脱粘，进而引发层间分层和基体开裂。随着使用次数的增加，这些微观损伤不断累积，导致立杆的弯曲刚度逐渐下降，形状记忆回复率衰减，最终无法满足使用要求。

3、为解决上述问题，已有技术尝试对碳纤维进行表面氧化处理或上浆处理，以增强纤维与树脂基体之间的界面结合强度。然而，过强的界面结合会使界面处的应力无法得到有效缓冲，在受到剪切应力时裂纹更容易在界面附近脆性扩展，反而加速了界面失效。也有技术尝试在树脂基体中添加增韧剂以提高基体的韧性，但常规增韧手段通常以牺牲树脂的刚性和耐热性为代价，难以同时满足立杆对高刚性和高韧性的双重需求。因此，现有复合材料伸缩立杆在材料层面尚未能有效解决反复卷绕-展开使用条件下的耐久性问题。

4、因此，提出一种高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆及其制备方法来解决上述问题很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：解决背景技术中提出的问题。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、一种高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆，包括立杆本体，所述立杆本体由纤维增强树脂基复合材料制成并呈中空管状；

4、所述纤维增强树脂基复合材料包含增强纤维和树脂基体，所述增强纤维包括碳纤维，所述碳纤维的表面设置有模量梯度界面层，所述模量梯度界面层的模量从靠近所述碳纤维的一侧至远离所述碳纤维的一侧呈连续递减，所述模量梯度界面层靠近所述碳纤维一侧的模量为200gpa至250gpa，所述模量梯度界面层远离所述碳纤维一侧的模量为3gpa至8gpa；

5、所述树脂基体含有噁唑烷酮环结构单元；

6、所述立杆本体的纤维铺层中包含沿立杆轴向延伸的0°方向纤维层和相对立杆轴向倾斜延伸的±45°方向纤维层。

7、上述技术方案中，所述模量梯度界面层的厚度为100nm至300nm。

8、上述技术方案中，所述树脂基体为互穿聚合物网络型环氧树脂体系，所述互穿聚合物网络型环氧树脂体系包括缩水甘油型环氧树脂和含噁唑烷酮环的环氧树脂构成。

9、上述技术方案中，所述缩水甘油型环氧树脂的质量百分比为60%至75%，所述含噁唑烷酮环的环氧树脂的质量百分比为25%至40%。

10、上述技术方案中，所述增强纤维还包括玻璃纤维，所述玻璃纤维分布在所述立杆本体壁厚的内、外表层，所述碳纤维分布在所述玻璃纤维层之间。

11、上述技术方案中，所述0°方向纤维层和所述±45°方向纤维层在所述立杆本体的壁厚方向上交替层叠设置。

12、上述技术方案中，所述立杆本体的横截面为圆弧截面，所述圆弧截面的圆心角为350°至355°。

13、本发明的高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆的制备方法包括以下步骤：

14、对碳纤维进行表面处理，在所述碳纤维的表面形成模量梯度界面层，所述模量梯度界面层的模量从靠近所述碳纤维的一侧至远离所述碳纤维的一侧呈连续递减，所述模量梯度界面层靠近所述碳纤维一侧的模量为200gpa至250gpa，所述模量梯度界面层远离所述碳纤维一侧的模量为3gpa至8gpa；

15、将经表面处理后的碳纤维与树脂基体复合，所述树脂基体含有噁唑烷酮环结构单元，形成纤维增强树脂基复合材料预浸料；

16、将所述纤维增强树脂基复合材料预浸料按照包含沿立杆轴向延伸的0°方向纤维层和相对立杆轴向倾斜延伸的±45°方向纤维层的铺层方案进行铺层，形成立杆本体预制体；当所述增强纤维还包括玻璃纤维时，将玻璃纤维与所述树脂基体复合形成预浸料，并与碳纤维预浸料共同进行铺层；

17、对立杆本体预制体进行固化成型，得到高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆。

18、上述制备方法中，所述碳纤维的表面处理采用化学气相沉积法，将所述碳纤维置于化学气相沉积反应炉中，通入碳源气体和惰性气体的混合气，在500℃至600℃的温度下反应10分钟至20分钟。

19、上述制备方法中，所述碳纤维的表面处理采用电化学聚合法，将所述碳纤维置于含有导电聚合物单体的电解液中，以所述碳纤维为工作电极进行电化学聚合；

20、所述铺层方案中，所述0°方向纤维层和所述±45°方向纤维层交替层叠，总层数为9层至14层

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、本发明通过在碳纤维表面设置模量从内向外连续递减的梯度界面层，在纤维与树脂基体之间引入了一个模量连续过渡的缓冲区域。该界面层在立杆卷绕时能够吸收和耗散层间剪切应变能，降低纤维与树脂基体界面处的应力峰值，从而抑制界面脱粘的发生。同时，含有噁唑烷酮环结构单元的树脂基体在分子层面上实现了刚性与韧性的兼顾，能够在承受较大变形时通过分子链段的运动耗散能量而不发生脆性断裂。模量梯度界面层与增韧树脂基体的协同作用，使得立杆在反复卷绕-展开循环过程中能够有效抑制微裂纹的萌生和扩展，保持较高的弯曲刚度保持率和形状记忆回复。

1.一种高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆，其特征在于，包括立杆本体，所述立杆本体由纤维增强树脂基复合材料制成并呈中空管状；

2.根据权利要求1所述的高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆，其特征在于，所述模量梯度界面层的厚度为100nm至300nm。

3.根据权利要求1所述的高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆，其特征在于，所述树脂基体为互穿聚合物网络型环氧树脂体系，所述互穿聚合物网络型环氧树脂体系包括缩水甘油型环氧树脂和含噁唑烷酮环的环氧树脂构成。

4.根据权利要求3所述的高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆，其特征在于，所述缩水甘油型环氧树脂的质量百分比为60%至75%，所述含噁唑烷酮环的环氧树脂的质量百分比为25%至40%。

5.根据权利要求1所述的高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆，其特征在于，所述增强纤维还包括玻璃纤维，所述玻璃纤维分布在所述立杆本体壁厚的内、外表层，所述碳纤维分布在所述玻璃纤维层之间。

6.根据权利要求1所述的高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆，其特征在于，所述0°方向纤维层和所述±45°方向纤维层在所述立杆本体的壁厚方向上交替层叠设置。

7.根据权利要求1所述的高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆，其特征在于，所述立杆本体的横截面为圆弧截面，所述圆弧截面的圆心角为350°至355°。

8.一种用于制备权利要求1-7任一项所述的高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆的制备方法，其特征在于，所述碳纤维的表面处理采用化学气相沉积法，将所述碳纤维置于化学气相沉积反应炉中，通入碳源气体和惰性气体的混合气，在500℃至600℃的温度下反应10分钟至20分钟。

10.根据权利要求8所述的高柔性便携复合材料记忆伸缩立杆的制备方法，其特征在于，所述碳纤维的表面处理采用电化学聚合法，将所述碳纤维置于含有导电聚合物单体的电解液中，以所述碳纤维为工作电极进行电化学聚合；