[发明专利]一种高体积分数碳粘结短切碳纤维复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种高体积分数碳粘结短切碳纤维复合材料的制备方法，所述制备方法包括：通过机械搅拌分散无胶短切碳纤维，烘干，得到预分散短切碳纤维；采用弹花机对预分散短切碳纤维再次撕咬分散，形成具有交织结构的短切碳纤维蓬松堆积体；将具有交织结构的碳纤维蓬松堆积体压缩，得到预成型短切碳纤维体；将预成型短切碳纤维体成型、浸渗酚醛树脂溶液，得到短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料；再经加热固化，高温碳化裂解酚醛树脂，得到高体积分数碳粘结短切碳纤维复合材料。

技术领域

本发明涉及一种高体积分数碳粘结短切碳纤维复合材料的制备方法，涉及纤维增强复合材料技术领域。

背景技术

碳粘结碳纤维复合材料由于其优异性能受到研究者的关注。王鹏等采用低热导率的粘胶基碳纤维，通过水性浆料压滤成型、干燥、固化、碳化等工艺流程，制备了碳粘结碳纤维复合材料(王鹏，短切碳纤维骨架材料的力学及导热性能研究，哈尔滨工业大学硕士学位论文，2015)。杨威等采用短切碳纤维、热塑性酚醛树脂为原料，聚丙烯酰胺作为分散剂，经溶液混合均匀，真空成型，干燥固化和碳化制备出形貌良好，密度较低的短切碳纤维预制体采用溶液浸渍碳毡，经过溶胶-凝胶反应和常压干燥后，制备了酚醛浸渍烧蚀体(杨威，短切碳纤维预制体的制备、改性和酚醛浸渍研究，华东理工大学硕士学位论文，2016)，通过这种方式制备的改性碳纤维预制体抗压强度最高仅有3.694MPa。发明专利“一种短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料的制备方法专利(申请号CN201010520238.9)”等以分散处理后短切碳纤维为增强材料，将其溶解于无水乙醇中，同时加入酚醛树脂均匀混合，经模压制得短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料，通过这种方法不能够很好地分散短切碳纤维，导致复合材料中分层严重。碳粘结碳纤维复合材料主要通过相互独立的短碳纤维彼此交织堆积，并在其搭接处利用裂解碳作为粘结剂粘结碳纤维，从而形成的网络状结构。

目前该研究领域存在的主要问题包括：短切碳纤维的均匀分散问题，短切纤维在流体作用下取向分层问题及如何提高复合材料中纤维体积分数问题。

发明内容

本发明针对上述问题制备的复合材料，其短切碳纤维形成三维交织结构，一定程度避免了分层问题，增加了层间剪切强度和整体抗冲击性能。

第一方面，本发明提供了一种高体积分数碳粘结短切碳纤维复合材料的制备方法，包括：通过机械搅拌分散无胶短切碳纤维，烘干，得到预分散短切碳纤维；采用弹花机对预分散短切碳纤维再次撕咬分散，形成具有交织结构的短切碳纤维蓬松堆积体；将具有交织结构的碳纤维蓬松堆积体压缩，得到预成型短切碳纤维体；将预成型短切碳纤维体成型、浸渗酚醛树脂溶液，得到短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料；再经加热固化，高温碳化裂解酚醛树脂，得到高体积分数碳粘结短切碳纤维复合材料。

较佳地，在所述浸渗酚醛树脂、加热固化、高温碳化裂解酚醛树脂之后，再进行二次浸渗酚醛树脂、加热固化、高温碳化裂解酚醛树脂，得到高体积分数碳粘结短切碳纤维复合材料。

较佳地，所述分散为将无胶短切碳纤维和分散剂倒入水中；所述分散剂为聚丙烯酰胺、甲基纤维素、羧甲基纤维素钠中的至少一种；所述无胶短切碳纤维的平均长度为3-8mm。

较佳地，所述分散剂：无胶短切碳纤维：水的质量比为1：10-100：500-1500。

较佳地，所述机械搅拌转速为2000-4000r/min，时间为0.5-2h。

较佳地，所述弹花机分散碳纤维的参数包括：给料对辊罗拉的转速为25-35r/min，刺辊的转速为250-350r/min，对辊与刺辊的间距为1-3mm，喂料速度为5-20g/min。