[发明专利]中空碳纤维布环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维环氧树脂复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维复合材料由于其中的碳纤维具有超高的拉伸强度、弹性模量和热导率，低的热膨胀系数，优异的抗烧蚀及抗氧化等性能，使碳纤维复合材料成为航天航空工业的基本结构材料，采用碳纤维复合材料制备的宇宙飞行器的结构部件和热防护材料，不仅可以满足苛刻的环境要求，而且由于它质轻耐用，还可以代替钢，节约燃料，减少碳排放等在航空、航天和军事领域中有十分重要的用途。然而，复合材料的质量成为制约飞行器性能的一个主要瓶颈。现有的碳纤维环氧树脂复合材料的密度在1.5g/cm³～1.9g/cm³之间，要想提高飞行器的飞行速度和飞行距离，如何制备密度更小的复合材料成为关键；碳纤维环氧树脂复合材料在制备过程中，要首先对碳纤维进行表面改性，增强碳纤维与环氧树脂的结合强度，存在改性过程复杂的缺点。

发明内容

本发明是为了解决现有的碳纤维环氧树脂复合材料密度大及碳纤维环氧树脂复合材料的过程中需要首先要对碳纤维进行复杂的表面改性的问题，而提供中空碳纤维布环氧树脂复合材料及其制备方法。

中空碳纤维布环氧树脂复合材料是由中空碳纤维布和环氧树脂胶制成的；其中中空碳纤维布是由尿素和乙二醇按质量比为50～100：1制成的；环氧树脂胶是由双酚A型环氧树脂、丙酮和二乙烯三胺组成的，其中双酚A型环氧树脂和丙酮的质量比100：5～10、双酚A型环氧树脂和二乙烯三胺的质量比为100：8～12。

本发明的中空碳纤维布环氧树脂复合材料的制备方法按以下步骤进行：一、按尿素和乙二醇的质量比为50～100：1称取尿素和乙二醇并混合均匀，然后放入石墨坩埚中，将石墨坩埚置于气氛烧结炉中，再将气氛烧结炉抽真空，使炉内真空度达到0.1Pa～1Pa；二、向气氛烧结炉内充入高纯氮气或氩气，使气氛烧结炉内气体压强达到0.2MPa～2.0MPa；三、以5℃/min～30℃/min的速度使气氛烧结炉内的温度升至900℃～1600℃后保温0.5h～4h，然后随炉冷却到15℃～30℃，从石墨坩埚上揭下中空碳纤维布；四、称取双酚A型环氧树脂、丙酮和二乙烯三胺，然后将丙酮加入到双酚A型环氧树脂中，搅拌均匀之后再加入二乙烯三胺，再搅拌均匀，得到环氧树脂胶；其中双酚A型环氧树脂和丙酮的质量比100：5～10、双酚A型环氧树脂和二乙烯三胺的质量比为100：8～12；五、将经步骤三制备的中空碳纤维布浸入到经步骤四得到的环氧树脂胶中保持5min～20min，然后将浸渍好的中空碳纤维布逐层叠加平铺在模具中，得到待压件；六、将经步骤五得到的待压件先在温度为15℃～30℃、压力为5MPa～10MPa的条件下保持1h～4h，然后再将待压件放在真空干燥箱中，在真空度为0.1～1Pa、温度为80℃～120℃的条件下保持0.5h～2h，得到中空碳纤维布环氧树脂复合材料。

本发明利用化学气相生长所得到的中空碳纤维布是由管径在500nm，壁厚在10nm左右，长度达到厘米级的高纯中空碳纤维自组装生成的，该中空碳纤维布是在低温下原位合成的，石墨化程度良好，并且在合成过程中，在中空碳纤维表面上接枝上了氨基，显著提高了与环氧树脂基体的结合，在复合材料制备时无需再进行任何的表面处理。中空碳纤维布的制备方法简单，通过调整石墨坩埚的底面积和加料量就能达到调控中空碳纤维布的面积和厚度的目的，中空碳纤维布的厚度在50μm～200μm范围内，面积与石墨坩埚的底面积相同，中空碳纤维布的中空碳纤维具有纳米碳管很多优异的性能，中空碳纤维的抗拉强度为700MPa～1200MPa，弹性模量为0.5TPa～1.2TPa，电阻率为1.2×10^-9Ω·m～2.5×10^-8Ω·m，具有高强度、高模量、高导电性的优点，而且中空碳纤维的密度仅为碳纤维的二十分之一，强度比碳纤维还要高，使本发明的方法制备的中空碳纤维布环氧树脂复合材料的重量大大减轻，该中空碳纤维布环氧树脂复合材料的拉伸强度为130MPa～210MPa，弹性模量为10GPa～20GPa，密度为1.00g/cm³～1.05g/cm³，可以将其用于宇宙飞船、人造卫星、航天飞机和导弹上，可以大大减轻部件的质量，显著提高有效载荷、航程或射程。

附图说明