[发明专利]一种碳纤维与金属复合结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维与金属复合结构的制备方法，1.将金属的粘接面至少进行一遍抛丸或喷丸处理，形成抛粗糙金属；2.将丙酮树脂溶液，喷涂于粗糙金属表面，进行预处理；3.使用粘接剂涂覆在预处理后的粗糙金属表面；4.使用丙酮树脂溶液对芳纶短纤维的薄膜进行浸润处理，将芳纶短纤维的薄膜放置在粗糙金属表面上；5.使用丙酮树脂溶液对碳纤维布进行浸润处理，然后使用粘接剂涂覆在碳纤维布表面，再将碳纤维布覆盖至步骤四处理后的粗糙金属表面，随后静压等待碳纤维与金属复合结构固化成型；实现金属与粘结剂、碳纤维与粘结剂两个界面层和粘结剂层的共同增强。

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及一种碳纤维与金属复合结构及其制备方法。

背景技术

金属结构凭借其高强度、材质均匀、质量稳定、良好的塑性和韧性、施工简便易维护等一系列优点,越来越多的应用到了各个领域之中。碳纤维增强复合材料 Carbon FiberReinforced Polymer，简称CFRP，不仅其具有高强度、高弹性模量、质量轻、抗腐蚀能力强、疲劳性能好以及良好的减震性能等优点，能够最大限度地保证加固构件自重不会大幅增加、截面尺寸以及加固构件的外观不会发生明显改变，碳纤维-金属复合结构已在土木工程、航空、航天、汽车、石油工业等领域广泛应用。

为了提高碳纤维与金属复合结构的强度，目前采用的方法有两方面：一方面增加金属表面的粗糙度，比如喷砂；另一方面增加粘接层的粘接强度，比如在粘接层中加入碳纳米管、玻璃纤维等补强材料。由于碳纳米管具有良好的导电性、长度较短，在碳纤维与金属复合结构中加入碳纳米管，会加速金属表面的腐蚀，降低金属结构的刚度，且只能实现界面增强，如金属与粘接层之间，碳纤维与粘接层之间，或者层间粘结剂增强，并不能实现界面层和粘接层的共同增强。玻璃纤维性脆，延展性差，杨氏模量是芳纶纤维的1/3左右，拉伸强度为芳纶纤维的 1/2，单丝玻璃纤维直径约为，大于单丝芳纶纤维直径，对于相同粗糙度的金属表面，嵌入金属表面的玻璃纤维数量少于嵌入金属表面的芳纶纤维数量。

芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘等优良性能，抗拉强度大于2000MPa，弹性模量大于110GPa，强度为1201.2kN/m。一般采用芳纶纤维增强粘接层的方法是：将芳纶短纤维与粘结剂混合或者随机放置在涂覆有粘结剂且不经过任何处理的粗糙金属表面上。由于粘结剂粘性大、流动性不足，粘结剂无法完全浸润至芳纶纤维内部和金属表面极细小的坑槽或缝隙中，会在粘结剂层、芳纶纤维内部形成气孔，在粗糙金属表面产生缝隙，固化后粘结剂较脆，对缺陷敏感，因此这些缝隙、气孔会降低碳纤维与金属复合结构的粘接强度。如金属表面采用喷砂处理，由于芳纶纤维的直径与喷砂金属表面的坑槽尺寸基本一致，限制了嵌入粗糙金属表面的芳纶纤维数量，将直接影响芳纶纤维增强碳纤维与金属复合结构的增强效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种碳纤维与金属复合结构及其制备方法，实现金属与粘结剂、碳纤维与粘结剂两个界面层和粘结剂层的共同增强，并阻隔碳纤维与粗糙金属表面之间的电偶腐蚀。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种碳纤维与金属复合结构的制备方法，包括以下步骤；

步骤一，将金属的粘接面至少进行一遍抛丸或喷丸处理，形成粗糙金属；

步骤二，将丙酮树脂溶液，喷涂于粗糙金属表面，进行预处理，丙酮树脂溶液中树脂与丙酮质量比为1％～10％；

步骤三，使用粘接剂涂覆在预处理后的粗糙金属表面；

步骤四，使用丙酮树脂溶液对芳纶短纤维的薄膜进行浸润处理，然后将芳纶短纤维的薄膜放置在经步骤三处理后的粗糙金属表面上；

步骤五，使用丙酮树脂溶液对碳纤维布进行浸润处理，然后使用粘接剂涂覆在碳纤维布表面，再将碳纤维布覆盖至步骤四处理后的粗糙金属表面，随后静压等待碳纤维与金属复合结构固化成型。