[发明专利]激光辐照引导纤维涂覆前驱体涂层的装备和方法

说明书

本发明公开了一种激光辐照引导纤维涂覆前驱体涂层的装备和方法，包括纤维脱浆装置、纤维扩束装置和激光辐照装置；本发明在非真空条件下，将纤维经过激光辐照后，可使该纤维与热塑性或热固性材料进行加热复合，可增强碳纤维复合材料综合力学性能，并且通入冷却惰性保护气体可以快速完成退火固化。

技术领域

本发明涉及激光辐照引导纤维涂覆前驱体涂层的装备和方法，属于纤维制造技术领域。

背景技术

在纤维表面进行涂层是对纤维进行复合改性的重要方法。涂层能有效的改善纤维界面，弥补纤维表面的缺陷，从而使纤维具有更高的强度，模量等力学性能。涂层也可以使纤维拥有原本没有的性能，如：绝缘性能，导电性能，耐高温性能，疏水性能等。并且，涂层能有效的保护纤维的芯材，使纤维的使用范围更广，使用寿命更长。

目前，常见的纤维涂层方法有以下几种：化学气相沉积法(CVD法)，化学气相反应法(CVR法)粉末烧结法(PS法)及前驱体转化法(3P法)。然而，这些方法的缺点显而易见。CVD法，CVR法形成涂层的过程需要依赖高温，高压，这对生产条件和生产工艺要求苛刻。另外，气相反应物的流动速率，通过纤维表面的流动路程都需要经过精密的设计和控制，难度很高。PS法同样需要高温条件，并且PS法生产的涂层结合力不足，易脱落，纤维与纤维之间的涂层原料经过高温反应，容易出现粘连情况。前驱体转化法(3P法)是一项近年来新兴起的制备技术。同样需要高温，无氧条件进行反应。除此之外，还有使用核辐射源或电子加速器进行辐照交联进行改性从而形成涂层的工艺，但是通过核辐射源或者电子加速器的工艺，存在安全隐患，并且成本高昂。以上这些方法还存在一些共同的弊病：如：反应生成物不仅会作为涂层胶着在纤维表面，并且会胶着在反应室的内壁上。这就使人们不得不在一定的生产次数后对反应室进行清洗，既浪费了反应原料，又增加了生产上不必要的步骤。

自激光诞生以来，无数传统行业工艺被其改变。激光具有高亮度，高准直性，高能量密度，高单色性等特点。激光自发明以来，发展迅速，目前所能生产的激光器从光谱波段来看，已经可以从极紫外波段(0.15纳米)到毫米波段都可以出光。但是由于深空紫外波段(10nm-200nm)会被任何物质所吸收，故而并不适合涂层的加工。常见的激光波段包含了从300nm到11um的波段，并且在此波段内可以生产大功率的激光器。

激光的本质是一种电磁波，具有波粒二象性。我们可以将激光看成是光子流，其本质与高能的电子束并无区别。故而可以用于对材料的辐射改性。并且激光器制造成本低，体型小，使用便捷，无辐射危害，可以用于代替辐射源和电子加速器。

在专利号公开号：CN 105237791B《一种激光辅助SHS工艺在碳纤维增强热塑性复合材料表面制备熔覆涂层的方法》中，该文献描述了借助对碳纤维增强热塑性复合材料进行前处理。将熔覆粉末平铺在处理后的碳纤维增强热塑性复合材料表面上，再将熔覆粉末压实，再在真空室中辐照。该方法需要在真空工作条件下进行，还要用砂纸打磨碳纤维，无水乙醇清洗碳纤维等步骤，操作繁琐。

在专利号公开号：CN 108560243A《一种碳纤维表面处理的方法和应用》中获悉类似的技术方案。上述两篇公开的文献都采用单独的激光入射角辐照，存在以下几个缺点：

1.激光的穿透性差，实压在纤维表面的粉末难以均匀的接受激光的辐照，故而形成的涂层会有不均匀性。

2.仅仅辐照了纤维的单面，处在激光背面的粉末难以接受辐照形成稳定的涂层。

3.纤维与纤维之间由于可能存在涂层粉末，易形成粘连，将会严重影响到纤维的强度。

发明内容

技术问题：本发明公开了一种激光辐照引导纤维涂覆前驱体涂层的装备和方法，针对传统纤维涂层处理中，出现结合力不足，易脱落，纤维与纤维之间的涂层原料经过高温反应，容易粘连的情况。本发明在非真空条件下，将纤维经过上下两个垂直射入角度激光辐照后，可使该纤维与热塑性或热固性材料进行加热复合，可增强碳纤维复合材料综合力学性能，并且通入冷却惰性保护气体可以快速完成退火固化。