[发明专利]一种三维织物增强体及其制备方法和聚合物基复合材料

说明书

本发明涉及导热功能复合材料技术领域，具体涉及一种三维织物增强体及其制备方法和聚合物基复合材料。本发明提供的三维织物增强体具有三向正交结构，其中，面内为X方向和Y方向，厚度为Z方向，所述X方向、Y方向和Z方向均有连续纤维分布；所述Z方向所用Z向纤维为包覆有聚合物层的碳纤维；所述碳纤维包括中间相沥青基碳纤维和/或高模型聚丙烯腈碳纤维。本发明在碳纤维的表面包覆聚合物层，能够增加碳纤维的韧性，解决高模型碳纤维织造过程中易断丝起毛的问题，保证碳纤维的连续性及其制备复合材料时导热、导电性能的高效转化；将三维织物增强体作为预成型体制备聚合物基复合材料，其厚度方向的导热、导电性能以及层间性能等提升明显。

技术领域

本发明涉及导热功能复合材料技术领域，具体涉及一种三维织物增强体及其制备方法和聚合物基复合材料。

背景技术

纤维复合材料因其轻质高强、可设计、耐腐蚀、抗疲劳、结构-功能一体化等优点，已在航空航天、交通、电子和风机叶片等领域得到了广泛应用，尤其是连续纤维复合材料是先进复合材料的典型代表，传统的纤维复合材料多以一维织物或二维织物为增强体，通过多层铺叠的方法制备而成。由于这种铺层方式缺少层与层之间有效的纤维增强，制成的复合材料厚度方向导热、导电性能差，且层间性能差。

对于聚合物基复合材料，基体导热主要通过晶格振动，导热率很低，故提高聚合物基复合材料导热性能的关键在于基体内形成的导热通路数量以及导热通路的稳定性。通过在基体内添加填料的方式能在一定程度上提高聚合物基复合材料的导热能力，但填料多为颗粒状，而颗粒状填料之间并不能充分接触，热量传递时导热通路杂乱，不能达到较为理想的效果。

高导热纤维作为一维高导热材料，通过在聚合物基复合材料厚度方向贯穿高导热的连续纤维，可以克服颗粒状填料填充的不足，其厚度方向的导热性能以及层间性能均显著改善。高模型碳纤维的晶体结构比较完善，石墨化程度较高，因此其导电、导热等性能都比较优异。但是，高模型碳纤维脆性大，在织造过程中易损伤，限制了其在高导热聚合物基复合材料中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维织物增强体及其制备方法和聚合物基复合材料，本发明提供的三维织物增强体在碳纤维的表面包覆聚合物层，既能够解决高模量碳纤维织造过程中易断丝起毛的问题，同时对碳纤维整体导热、导电性能不会造成影响；将所述三维织物增强体作为预成型体制备聚合物基复合材料，所述聚合物基复合材料厚度方向的导热、导电性能以及层间性能等提升明显。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种三维织物增强体，具有三向正交结构，其中，面内为X方向和Y方向，厚度为Z方向，所述X方向、Y方向和Z方向均有连续纤维分布；所述Z方向所用Z向纤维为包覆有聚合物层的碳纤维；所述碳纤维包括中间相沥青基碳纤维和/或高模型聚丙烯腈碳纤维。

优选地，所述三维织物增强体中X向纤维和Y向纤维的体积分数独立地为35～45％，Z向纤维的体积分数为15～30％。

优选地，所述碳纤维的规格为1～24K。

优选地，所述聚合物层所用聚合物包括聚乙烯醇、聚氨酯、聚丙烯腈或聚苯硫醚树脂。

优选地，所述聚合物层的厚度为0.1～0.5mm。

优选地，所述Z向纤维的制备方法包括以下步骤：

将含有聚合物层所用聚合物和有机溶剂的混合物料涂覆在碳纤维的表面，去除有机溶剂后在所述碳纤维的表面形成聚合物层，得到Z向纤维。

优选地，所述X方向所用X向纤维和Y方向所用Y向纤维独立地包括碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或几种；所述X向纤维和Y向纤维的规格独立地为1～24K。

优选地，所述三维织物增强体的层数为2～5层，单层厚度为1～5mm，层间间距为5～10mm。