本發(fā)明涉及碳化硅，具體涉及具有激光響應(yīng)性的碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光響應(yīng)材料在智能制造、柔性電子、信息加密和傳感領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。這類材料通常在激光作用下發(fā)生物理或化學(xué)變化，例如局部升溫、形變、熔化或顏色變化，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的功能化響應(yīng)。

2、碳化硅(sic)作為一種性能優(yōu)異的功能材料，因其獨(dú)特的光熱效應(yīng)、機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性而備受關(guān)注。如果將碳化硅應(yīng)用至復(fù)合材料中，具有如下優(yōu)勢：光熱效應(yīng)：碳化硅能夠高效吸收激光能量，尤其是紅外波段的激光，迅速轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)高敏感度響應(yīng)。機(jī)械性能增強(qiáng)：碳化硅顆粒具有高硬度和高模量，能夠顯著增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，包括抗拉強(qiáng)度、硬度和耐磨性。熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)性：碳化硅在高溫和惡劣環(huán)境下的優(yōu)異性能使復(fù)合材料適用于嚴(yán)苛條件。

3、多線切割技術(shù)作為加工碳化硅的重要手段，會(huì)產(chǎn)生大量微細(xì)碎片和粉末。這些碳化硅廢料長期未被充分利用，既浪費(fèi)了資源，又可能造成環(huán)境污染。聚乙烯作為一種應(yīng)用廣泛的熱塑性聚合物，具有低成本、易加工、柔韌性好和化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4、如果將多線切割產(chǎn)生的碳化硅廢料與聚乙烯復(fù)合，制備高性能的激光響應(yīng)材料，不僅可以提升材料的物理性能，賦予材料激光響應(yīng)能力，還實(shí)現(xiàn)了資源化利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種具有激光響應(yīng)性的碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料及其制備方法，所述制備方法包括：利用碳化硅廢料制備碳化硅分散液，將低密度聚乙烯顆粒溶解制備聚乙烯溶液，將碳化硅分散液加入聚乙烯溶液中，所得混合溶液進(jìn)行溶劑去除，得到的初始復(fù)合物料，最后經(jīng)過成型工藝，得到具有激光響應(yīng)性的碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料。本發(fā)明利用濕法納米分散技術(shù)，重點(diǎn)將多線切割產(chǎn)生的碳化硅廢料與聚乙烯復(fù)合，制備高性能的激光響應(yīng)材料，不僅可以提升材料的物理性能，賦予材料激光響應(yīng)能力，還實(shí)現(xiàn)了資源化利用。本發(fā)明制備得到的具有激光響應(yīng)性的碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料，不僅具備優(yōu)異的力學(xué)性能，還能夠在激光照射下展現(xiàn)特定的熱響應(yīng)行為，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2、為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種具有激光響應(yīng)性的碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

4、(1)將碳化硅廢料進(jìn)行預(yù)處理，得到的碳化硅顆粒與第一有機(jī)溶劑、表面活性劑混合均勻，得到碳化硅分散液；

5、(2)將低密度聚乙烯顆粒與第二有機(jī)溶劑混合均勻，使得低密度聚乙烯顆粒溶解完全，得到聚乙烯溶液；

6、(3)將步驟(1)所述碳化硅分散液加入步驟(2)所述聚乙烯溶液中，經(jīng)過攪拌，得到混合溶液；

7、(4)將步驟(3)所述混合溶液進(jìn)行溶劑去除，得到的初始復(fù)合物料經(jīng)過成型工藝，得到具有激光響應(yīng)性的碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料；

8、其中，步驟(1)與步驟(2)無先后順序。

9、本發(fā)明利用濕法納米分散技術(shù)，重點(diǎn)將多線切割產(chǎn)生的碳化硅廢料與聚乙烯復(fù)合，制備高性能的激光響應(yīng)材料，不僅可以提升材料的物理性能，賦予材料激光響應(yīng)能力，還實(shí)現(xiàn)了資源化利用。本發(fā)明制備得到的具有激光響應(yīng)性的碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料，不僅具備優(yōu)異的力學(xué)性能，還能夠在激光照射下展現(xiàn)特定的熱響應(yīng)行為，具有廣泛的應(yīng)用前景。

10、需要說明的是，聚乙烯是結(jié)晶型高聚物，采用高壓聚乙烯生產(chǎn)方式得到的產(chǎn)物即為低密度聚乙烯(ldpe)，熔點(diǎn)為110～115℃，加工溫度為150～210℃。

11、需要說明的是，步驟(1)所述碳化硅廢料包括碳化硅晶體切割過程中產(chǎn)生的碳化硅廢料(如微小粉末、碎片)，依次經(jīng)過篩分、清洗和干燥等處理步驟，去除雜質(zhì)，獲得高純度的碳化硅粉末；根據(jù)需要，可以對碳化硅廢料進(jìn)行進(jìn)一步的研磨或熱處理，以增強(qiáng)其分散性和與塑料基體(聚乙烯)的結(jié)合力。

12、需要說明的是，本發(fā)明所述制備方法還可以根據(jù)需要加入其他助劑，如流動(dòng)改性劑、增韌劑等，以改善復(fù)合材料的加工性能和韌性，其他助劑可以選擇在步驟(2)中加入，用于制備聚乙烯溶液。

13、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(1)中，所述第一有機(jī)溶劑包括甲苯和/或二氯甲烷，所述表面改性劑包括硅烷偶聯(lián)劑。

14、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(1)中，所述碳化硅顆粒與第一有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為1:(4-6)，例如1:4、1:4.3、1:4.5、1:4.8、1:5、1:5.2、1:5.5、1:5.8或1:6等，所述碳化硅顆粒與表面活性劑的質(zhì)量比為1:(0.1-0.3)，例如1:0.1、1:0.13、1:0.15、1:0.18、1:0.2、1:0.23、1:0.25、1:0.27或1:0.3等。

15、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(1)所述碳化硅分散液中碳化硅顆粒的平均粒徑小于50μm。

16、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(1)中混合均勻包括依次進(jìn)行的加熱攪拌與超聲波振蕩，所述加熱攪拌的溫度為60-80℃，例如60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等。

17、需要說明的是，本發(fā)明步驟(1)中的加熱攪拌在60-80℃下進(jìn)行，可以使表面改性劑與碳化硅表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成具有親和性的小分子基團(tuán)，進(jìn)行表面改性處理的目的在于：提高碳化硅顆粒的分散性，增強(qiáng)其與聚乙烯基體的相容性，從而改善復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。進(jìn)一步地，步驟(1)中混合均勻還包括超聲波振蕩，通過超聲波振蕩(超聲波清洗機(jī)，功率約300w，頻率約20khz)，可以將表面改性后的碳化硅顆粒進(jìn)行高強(qiáng)度分散，分散時(shí)間控制在30分鐘至1小時(shí)，確保碳化硅顆粒的均勻分布，通過超聲波的空化效應(yīng)，使得顆粒團(tuán)聚被打破，達(dá)到納米顆粒的均勻分散。

18、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(2)所述第二有機(jī)溶劑包括甲苯和/或二氯甲烷，用于將聚乙烯溶解并作為分散介質(zhì)。

19、和/或，步驟(2)所述混合均勻包括加熱攪拌，所述加熱攪拌的溫度為80-90℃，例如80℃、81℃、83℃、85℃、86℃、88℃或90℃等。

20、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(2)所述聚乙烯溶液的濃度為5-10wt％，例如5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％等。

21、需要說明的是，溶解后的聚乙烯溶液可根據(jù)需要控制濃度，通常在5-10wt％之間，以確保顆粒能夠均勻地分散。

22、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(3)中，所述碳化硅分散液中碳化硅顆粒與所述聚乙烯溶液中聚乙烯的質(zhì)量比為1:(15-25)，例如1:15、1:17、1:20、1:21、1:23或1:25等。

23、需要說明的是，碳化硅分散液中碳化硅顆粒與聚乙烯溶液中聚乙烯的質(zhì)量比決定了碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料中兩者的配比，假如聚乙烯的質(zhì)量較少，會(huì)導(dǎo)致碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料的流動(dòng)性變得很差，不利于成型工藝的進(jìn)行，假如聚乙烯的質(zhì)量較多，會(huì)導(dǎo)致單位體積的碳化硅顆粒較少，平均激光響應(yīng)時(shí)間延長，抗拉強(qiáng)度、耐磨性(磨損率)均下降。

24、和/或，步驟(3)中，所述攪拌的攪拌速度為1500-3000rpm，例如1500rpm、1800rpm、2000rpm、2300rpm、2500rpm、2700rpm或3000rpm等，攪拌時(shí)間為0.5-1h，例如0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h或1h等。

25、需要說明的是，本發(fā)明步驟(3)中將碳化硅分散液緩慢加入到聚乙烯溶液中，同時(shí)進(jìn)行攪拌，確保兩種組分均勻混合。采用高剪切攪拌機(jī)(如高速均質(zhì)機(jī))，通過高速攪拌進(jìn)一步確保碳化硅顆粒在聚乙烯溶液中的均勻分布。通?？刂茢嚢璧臄嚢杷俣葹?500-3000rpm，攪拌時(shí)間為0.5-1h。

26、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(4)所述溶劑去除包括減壓蒸發(fā)和/或烘箱加熱，用于去除多余的溶劑。此時(shí)，聚乙烯與碳化硅顆粒已經(jīng)形成均勻的復(fù)合物料，溶劑去除后，復(fù)合材料會(huì)呈現(xiàn)出類似塑料顆粒的狀態(tài)。

27、和/或，步驟(4)所述成型工藝包括熱壓成型或擠出成型。

28、需要說明的是，如果成型工藝采用擠出成型，包括：將溶劑去除后的初始復(fù)合物料加熱至約160-180℃(具體溫度取決于聚乙烯的類型)，通過模具擠出形成所需的形狀，如薄膜、片材、管材或型材；如果成型工藝使用熱壓成型，包括：將溶劑去除后的初始復(fù)合物料放入模具中，進(jìn)行加熱和加壓(約170℃，壓力為10-20mpa)，然后冷卻固化成所需形狀。

29、第二方面，本發(fā)明提供了一種具有激光響應(yīng)性的碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料，采用第一方面所述制備方法制備得到。

30、本發(fā)明制備得到的具有激光響應(yīng)性的碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料，不僅具備優(yōu)異的力學(xué)性能，還能夠在激光照射下展現(xiàn)特定的熱響應(yīng)行為，具有廣泛的應(yīng)用前景。具體地，1.激光響應(yīng)性。高效光熱轉(zhuǎn)換：碳化硅顆粒能夠高效吸收激光能量，尤其是在紅外波段，對光熱轉(zhuǎn)換的效率極高；快速響應(yīng)速率：激光作用下材料表面迅速升溫，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的熱處理和局部形變；均勻熱擴(kuò)散：通過優(yōu)化碳化硅的粒徑分布，材料具有均勻的光熱響應(yīng)特性，避免局部過熱。2.力學(xué)性能。高抗拉強(qiáng)度：碳化硅顆粒的增強(qiáng)作用顯著提升了復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，適用于高載荷場景；耐磨性：碳化硅的高硬度特性使材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性，延長使用壽命；優(yōu)異的抗沖擊性：聚乙烯的韌性結(jié)合碳化硅的硬度，使材料具有較強(qiáng)的抗沖擊性能，適用于復(fù)雜工況。3.熱學(xué)性能。高熱穩(wěn)定性：碳化硅顆粒賦予材料優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，可在高溫環(huán)境中保持性能穩(wěn)定；低熱膨脹系數(shù)：材料在加熱或冷卻過程中尺寸變化小，適用于精密器件和高溫應(yīng)用；優(yōu)異的耐熱疲勞性：在多次熱循環(huán)中性能衰減小，適用于重復(fù)激光加工的場景。4.化學(xué)性能?？寡趸芰Γ禾蓟桀w粒的引入顯著增強(qiáng)了材料的抗氧化能力，可在腐蝕性環(huán)境中保持穩(wěn)定；耐化學(xué)腐蝕：材料能夠抵抗酸堿和多種化學(xué)試劑的侵蝕，適用于特殊化學(xué)環(huán)境。5.加工與成型性能。良好的成型性：復(fù)合材料在成型過程中具有較高的流動(dòng)性，可加工為復(fù)雜形狀的器件?？烧{(diào)性強(qiáng)：通過調(diào)整碳化硅的填充比例和粒徑，可實(shí)現(xiàn)對材料性能的定制化調(diào)控。

31、與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

32、(1)本發(fā)明利用濕法納米分散技術(shù)，重點(diǎn)將多線切割產(chǎn)生的碳化硅廢料與聚乙烯復(fù)合，制備高性能的激光響應(yīng)材料，不僅可以提升材料的物理性能，賦予材料激光響應(yīng)能力，還實(shí)現(xiàn)了資源化利用。

33、(2)本發(fā)明制備得到的具有激光響應(yīng)性的碳化硅-聚乙烯復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度≥35mpa，熱穩(wěn)定性≥125℃，平均激光響應(yīng)時(shí)間≤10ms，相比于純聚乙烯材料，耐磨性(磨損率)降低20％，不僅具備優(yōu)異的力學(xué)性能，還能夠在激光照射下展現(xiàn)特定的熱響應(yīng)行為，具有廣泛的應(yīng)用前景。