[发明专利]一种碳纤维增强复合材料及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料技术领域，涉及一种纤维增强复合材料及其制作方法，特别是一种碳纤维增强复合材料及其制造工艺。

背景技术

复合材料是一种新型工程材料，世界各主要工业发达国家和地区都在投入大量资金竞相从事复合材料的基础和应用研究。复合材料的复合技术已能使聚合物材料、金属材料、陶瓷材料、玻璃、碳质材料等之间进行复合，相互改性，使材料的生产和应用得到综合发展。纤维增强复合材料作为结构型复合材料，与钢材相比，具有强度高、重量轻、耐腐蚀、隔热吸音、施工简便、耐久性与柔韧性好、设计和成型自由度大等优点，被广泛用于航空航天、船舶、车辆制造、建筑工程、化学工程、电子/电器、体育等领域。碳纤维增强复合材料(CiarbonFiberRcinforccd Poiy-mor，简称CFRP)，是由强度高、模量大的增强碳纤维纤维与有韧性的、模量小的树脂基体组成。其中纤维长度只有达到一定后，才能起到增强作用。因此，人们在研究短纤维增强热塑性复合材料加工技术的同时，对连续纤维增强热塑性复合材料的加工方法也进行了广泛研究。

碳纤维是纤维状的碳材料，化学组成中碳元素占总质量的90％以上，可形成金刚石、石墨、卡宾等结晶态，也可形成非晶态的各种过渡态。在空气中，350℃以上温度会出现不同程度的氧化，在惰性气氛中高温时也不熔融，只是在3500℃以上的高温直接升华。同其他的纤维相比，碳纤维具有强度及弹性模量高、质量轻和极好的耐腐蚀性及抗疲劳性、比强度高、施工便捷等优点，碳纤维可单独使用，但绝人多数是以复合材料的形式使用，其中又以碳纤维增强树脂基体复合材料为主要形式。采用碳纤维所制备的增强树脂基体复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，故它既能作为结构材料，又能作为功能材料使用，因而被泛应用于上述各种领域的复合材料制品(成型品)的制造。碳纤维一般被用作以热固性树脂或热塑性树脂为基质树脂的复合材料制品的增强材料，作为基质树脂，由于其成型性和处理性方便，因而多使用热固性树脂。但是由于碳纤维表面平滑、活性官能团少表面能低，呈现表面化学隋性，与树脂基体浸润性差，使得复合材料界而粘合力较弱，严重地影响了复合材料整体优异性能的发挥。由于热塑性树脂的熔体粘度一般都超过100N·S/m²，很难使增强纤维获得良好浸渍。因此制备CFRTP的技术关键是如何解决热塑性树脂对连续增强碳纤维的浸渍，改善碳纤维与热固性树脂基质的相互润湿性。碳纤维的表面处理则是提高其使用性能一个重要保证措施，如何对碳纤维表面进行处理，提高其与基体树脂的粘接性，一直是国内外复合材料行业的研究热点。因此加强碳纤维表面处理及其制备工艺的研究就显得十分重要。

对此，各国科学家进行了大量研究，开发了溶液浸渍、熔融浸渍、粉末浸渍、悬浮浸渍以及反应浸渍等多种处理技术。作为以热固性树脂为基质树脂的复合材料的成型方法，包括对预先将增强纤维浸溃在树脂中形成片状的预浸渍材料(中间基材)进行成型的方法，其他的成型方法包括拉制成型法、树脂传递成型(RTM)法、纤维缠绕成型(FW)法、片材成型复合(SMC)法、预制整体模塑复合(BMC)法、手工涂教法等。上述技术均存在着工艺复杂，成本高，所制备的复合材料的质量差。严重影响了碳纤维复合材料的性能，制约了该材料的推广和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以碳纤维编织物作为增强材料，以热固性树脂为基质树脂的碳纤维增强复合材料及其制备工艺，所制备的碳纤维增强复合材料既具有有极好的耐腐蚀性及抗疲劳性、比强度高、施工便捷等特点，又具有较高的延伸率和较高的层间剪切力，使制备的碳纤维增强改性热塑性树脂复合材料具有更优越的性能。其制作方法在提高复合材料综合性能的同时，降低了复合材料制作成本，更便于材料的推广应用，以解决已有技术存在的不足。

本发明提出的一种碳纤维增强复合材料及其制备工艺，其制造工艺包括以下各步骤：

(1)碳纤维的预处理：

配制复合预处理溶液，复合预处理溶液以重量百分比计，由以下组分组成：50～70％的硝酸，30～50％的硝酸钠、氯化铁、高锰酸钾、酸性重铬酸钾中的一种或几种，5～20％的双氧水，将上述成分的无机酸、无机酸盐按照比例配制后，加水调配成浓度为50～60％的复合预处理溶液；将待处理的碳纤维编织物浸泡在所配制好的复合预处理溶液中，在40～90℃度的反应温度下，处理30min～150min后，取出用氢氧化钠溶液和水充分洗涤，直至pH值不显酸性，然后经80～150℃烘干。

(2)压制成型