本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳纖維表面快速復(fù)合強(qiáng)化處理方法。
背景技術(shù)：
碳纖維及其復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良的機(jī)械性能，但是在生產(chǎn)制造或者生產(chǎn)加工過程中，上述機(jī)械性能的優(yōu)劣很大程度上取決于碳纖維表面處理技術(shù)。目前，常見的碳纖維表面處理技術(shù)包括液相氧化法、氣相氧化法、電化學(xué)氧化法、等離子體氧化法等，其中，液相氧化法是采用液相介質(zhì)對(duì)碳纖維表面進(jìn)行氧化的方法，液相氧化處理對(duì)改善碳纖維/樹脂復(fù)合材料的界面層剪切強(qiáng)度很有效，但是對(duì)于液相介質(zhì)而言，濃度過高則易導(dǎo)致碳纖維在氧化過程中被強(qiáng)酸腐蝕，強(qiáng)度損失較大，導(dǎo)致復(fù)合材料性能提高不顯著；氣相氧化法是將碳纖維暴露在氣相氧化劑中，在加溫、加催化劑等特殊條件下使得其表面生成一些活性基團(tuán)，然而，經(jīng)氣相氧化法處理的碳纖維所制成的復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、界面剪切強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能均可得到有效提高，但是材料本身的沖擊強(qiáng)度降低較大；電化學(xué)氧化法是采用碳纖維作為電解池的陽極，石墨作為陰極，在電解水的過程中利用陽極生成的“氧”，氧化碳纖維表面的碳及其含氧官能團(tuán)，將其先氧化成羧基之后，逐步氧化成酮基和二氧化碳的過程，然而，使用該方法對(duì)電解水的純度要求較高，還要求正離子電極位低于氫正離子電極位，以保證陰極只有放氫反應(yīng)，同時(shí)電極還必須是惰性不參與反應(yīng)的；等離子體氧化法采用非聚合性氣體對(duì)材料表面進(jìn)行物理和化學(xué)作用的過程，其中非聚合性氣體可以是惰性氣體，也可以是活性氣體，然而采用該方法處理碳纖維表面時(shí)，對(duì)等離子體發(fā)生設(shè)備的要求較高，技術(shù)尚不成熟。
通過目前上述碳纖維表面處理方法可以看出，通常的單一處理方法由于優(yōu)缺點(diǎn)共存，常常是在提高某方面性能的同時(shí)，而不得不犧牲另一方面性能，對(duì)復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能改善并不理想。雖然，復(fù)合處理方法已經(jīng)引起人們的高度重視，相關(guān)的新技術(shù)也越來越多。例如，現(xiàn)有的氣液雙效法，就是一種復(fù)合處理方法，即對(duì)碳纖維表面采用液相涂層法，在碳纖維的表面形成一層涂液，其中的溶質(zhì)含量<1wt％。溶質(zhì)分子具有一定的活性，沉積在碳纖維表面孔隙處，起到補(bǔ)強(qiáng)的作用。然后，進(jìn)行氣相氧化法，這時(shí)，一方面使得涂層溶劑揮發(fā)，另一方面是使得留在孔隙中的溶質(zhì)發(fā)生氧化，引進(jìn)含氧官能團(tuán)，從而增加碳纖維與基體之間的界面結(jié)合度，還提高了碳纖維自身的抗拉強(qiáng)度。但是，這個(gè)方法不是一種快速的方法，也不能夠在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行處理。因此，亟需一種快速、便捷、高效的碳纖維表面處理技術(shù)具有重要的研究與應(yīng)用意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中碳纖維表面處理方法存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于：提出一種碳纖維表面快速復(fù)合強(qiáng)化處理方法，該處理方法具有快速、高效的特點(diǎn)，并且能夠使得碳纖維表面得到強(qiáng)化，同時(shí)改善其與樹脂基體的粘接性，進(jìn)而很快地用于制備碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，同時(shí)還能夠在制備復(fù)合材料的現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)用，有效提高了生產(chǎn)速度，提高了生產(chǎn)力，確保了復(fù)合材料的力學(xué)性能能夠滿足使用要求。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
一種碳纖維表面快速復(fù)合強(qiáng)化處理及制備復(fù)合材料的方法，該方法包括以下步驟：
1)檢測碳纖維參數(shù)：檢測待處理的碳纖維的具體參數(shù)值，該參數(shù)值包括抗拉強(qiáng)度值、彈性模量；其中無明顯的表面缺陷，抗拉強(qiáng)度＞70MPa，模量＞200GPa，纖維直徑均勻且同一束纖維直徑相對(duì)誤差＜5％；
2)選擇微顆粒轟擊處理機(jī)的類型：根據(jù)前一步檢測碳纖維的上述參數(shù)值選擇適合對(duì)該碳纖維進(jìn)行機(jī)械轟擊處理的微顆粒轟擊處理機(jī)，其中該微顆粒轟擊處理機(jī)類型選擇的標(biāo)準(zhǔn)為：微顆粒的直徑應(yīng)當(dāng)與待機(jī)械轟擊碳纖維直徑同一數(shù)量級(jí)且直徑小于待機(jī)械轟擊碳纖維直徑的微顆粒轟擊處理機(jī)；
3)選擇微顆粒的類型：該微顆粒的種類為球形顆?；蛘邫E球形顆粒；
4)控制微顆粒轟擊處理機(jī)處理碳纖維的操作參數(shù)：在選擇好微顆粒轟擊處理機(jī)與微顆粒類型后，控制該微顆粒轟擊處理機(jī)的轟擊壓力為碳纖維的抗拉強(qiáng)度的1/10-1/3，微顆粒的轟擊速率根據(jù)碳纖維纏繞線速度確定，其中，碳纖維纏繞線速度400-500m/s，則每根碳纖維單位長度平均接受的微顆粒數(shù)目為20-100粒/m；
5)選擇輻照處理機(jī)：根據(jù)步驟1)中檢測碳纖維的具體參數(shù)值選擇合適的激光輻照處理機(jī)；其中，輻照處理機(jī)類型的選擇標(biāo)準(zhǔn)為：CO2激光處理機(jī)或光纖激光處理機(jī)；
6)控制輻照處理機(jī)的操作參數(shù)：控制輻照處理機(jī)的功率為50-200W，掃描速度為20-30mm/s，掃描方向?yàn)檠刂祭w維束方向，光斑直徑為2.5-5mm，碳纖維側(cè)向單位截面上激光束停留時(shí)間為0.5-5s，光束入射角為20-30°，光束錐角為10-15°；
7)對(duì)碳纖維進(jìn)行轟擊和輻照處理：在完成上述步驟后，控制微顆粒的轟擊處理機(jī)的上述操作參數(shù)，當(dāng)待機(jī)械轟擊碳纖維表面上均出現(xiàn)轟擊凹部時(shí)，停止微顆粒轟擊處理機(jī)的機(jī)械轟擊動(dòng)作；將機(jī)械轟擊處理后的碳纖維移設(shè)到激光輻照處理機(jī)上，根據(jù)碳纖維轟擊凹部的數(shù)量，進(jìn)行激光輻照處理，控制該階段的輻照處理機(jī)的上述操作參數(shù)值，對(duì)碳纖維轟擊凹部進(jìn)行輻照處理；
激光處理后，輻照強(qiáng)化區(qū)內(nèi)的碳纖維束中各碳纖維抗拉強(qiáng)度和耐折性彎曲強(qiáng)度均達(dá)到其最大值，伸長率達(dá)1.5-2％；
8)對(duì)經(jīng)過輻照處理后的碳纖維進(jìn)行性能檢測：檢測處理后的碳纖維是否滿足制備復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)，其中檢測的種類包括碳纖維的抗拉強(qiáng)度值、彈性模量、應(yīng)變值是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則繼續(xù)下述步驟；如不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則重新返回上述步驟7)；
9)制備復(fù)合材料：在碳纖維復(fù)合材料機(jī)上進(jìn)行碳纖維與樹脂基體復(fù)合，并對(duì)復(fù)合后的復(fù)合材料進(jìn)行強(qiáng)度檢測，待強(qiáng)度檢測達(dá)標(biāo)后，停止上述步驟1)至步驟8)，或者繼續(xù)重復(fù)上述步驟1)至步驟8)，對(duì)下一批待接轟擊碳纖維進(jìn)行處理。
作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，在上述步驟7)中的微顆粒轟擊處理中，微顆粒轟擊處理機(jī)進(jìn)行轟擊處理時(shí)，微顆粒的直徑為待機(jī)械轟擊碳纖維直徑的1/10-1/3。
作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，在上述步驟7)中微顆粒轟擊處理中，還設(shè)置有碳纖維傳送裝置，該碳纖維傳送裝置分別設(shè)置在微顆粒轟擊處理機(jī)和激光束處理機(jī)前部。
作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述微顆粒轟擊處理機(jī)采用空氣壓縮機(jī)噴射微顆粒，并且該微顆粒轟擊處理機(jī)上還設(shè)置有多個(gè)微顆粒噴頭。
作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，在輻照處理中，輻照處理機(jī)能夠選擇在低溫環(huán)境下進(jìn)行輻照，其中該低溫環(huán)境的溫度為-100-0℃。
作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，在輻照處理中，輻照處理機(jī)還可采用電子束輻照處理或者等離子體輻照處理。
與現(xiàn)有技術(shù)中碳纖維表面處理方法相比，采用本發(fā)明一種碳纖維表面快速復(fù)合強(qiáng)化處理方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)本發(fā)明采用“微顆粒機(jī)械轟擊”和“激光束輻射”兩者相互結(jié)合的方式對(duì)碳纖維表面進(jìn)行處理，并于樹脂基體進(jìn)行復(fù)合，制備碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，這種方式具有高效、快速，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)生產(chǎn)需要，處理足夠數(shù)量的碳纖維，能夠直接應(yīng)用與復(fù)合材料的生產(chǎn)現(xiàn)場，有效提高了生產(chǎn)速度和生產(chǎn)力。
(2)碳纖維表面的強(qiáng)度有效提高，通過轟擊，可以獲得一定數(shù)量的轟擊點(diǎn)，為后續(xù)的激光束輻照處理創(chuàng)造有利條件，能夠確保其與樹脂基體形成特殊的強(qiáng)結(jié)合部，保證復(fù)合材料的性能。
(3)輻照處理能夠在低溫下進(jìn)行處理，避免了高溫對(duì)碳纖維的損傷，能夠確保了碳纖維的強(qiáng)度，另外具有很大的生產(chǎn)應(yīng)用潛力，能夠滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求。
附圖說明
附圖1為本發(fā)明一種碳纖維表面快速復(fù)合強(qiáng)化處理方法的流程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明一種碳纖維表面快速復(fù)合強(qiáng)化處理方法的具體步驟作以詳細(xì)說明。
一種碳纖維表面快速復(fù)合強(qiáng)化處理及制備復(fù)合材料的方法，該方法包括以下步驟：
1)檢測碳纖維參數(shù)：檢測待處理的碳纖維的具體參數(shù)值，該參數(shù)值包括抗拉強(qiáng)度值、彈性模量；其中無明顯的表面缺陷，抗拉強(qiáng)度＞70MPa，模量＞200GPa，纖維直徑均勻且同一束纖維直徑相對(duì)誤差＜5％；
2)選擇微顆粒轟擊處理機(jī)的類型：根據(jù)前一步檢測碳纖維的上述參數(shù)值選擇適合對(duì)該碳纖維進(jìn)行機(jī)械轟擊處理的微顆粒轟擊處理機(jī)，其中該微顆粒轟擊處理機(jī)類型選擇的標(biāo)準(zhǔn)為：微顆粒的直徑應(yīng)當(dāng)與待機(jī)械轟擊碳纖維直徑同一數(shù)量級(jí)且直徑小于待機(jī)械轟擊碳纖維直徑的微顆粒轟擊處理機(jī)；
3)選擇微顆粒的類型：該微顆粒的種類為球形顆粒或者橢球形顆粒；
4)控制微顆粒轟擊處理機(jī)處理碳纖維的操作參數(shù)：在選擇好微顆粒轟擊處理機(jī)與微顆粒類型后，控制該微顆粒轟擊處理機(jī)的轟擊壓力為碳纖維的抗拉強(qiáng)度的1/10-1/3，微顆粒的轟擊速率根據(jù)碳纖維纏繞線速度確定，其中，碳纖維纏繞線速度400-500m/s，則每根碳纖維單位長度平均接受的微顆粒數(shù)目為20-100粒/m；
5)選擇輻照處理機(jī)：根據(jù)步驟1)中檢測碳纖維的具體參數(shù)值選擇合適的激光輻照處理機(jī)；其中，輻照處理機(jī)類型的選擇標(biāo)準(zhǔn)為：CO2激光處理機(jī)或光纖激光處理機(jī)；
6)控制輻照處理機(jī)的操作參數(shù)：控制輻照處理機(jī)的功率為50-200W，掃描速度為20-30mm/s，掃描方向?yàn)檠刂祭w維束方向，光斑直徑為2.5-5mm，碳纖維側(cè)向單位截面上激光束停留時(shí)間為0.5-5s，光束入射角為20-30°，光束錐角為10-15°；
7)對(duì)碳纖維進(jìn)行轟擊和輻照處理：在完成上述步驟后，控制微顆粒的轟擊處理機(jī)的上述操作參數(shù)，當(dāng)待機(jī)械轟擊碳纖維表面上均出現(xiàn)轟擊凹部時(shí)，停止微顆粒轟擊處理機(jī)的機(jī)械轟擊動(dòng)作；將機(jī)械轟擊處理后的碳纖維移設(shè)到激光輻照處理機(jī)上，根據(jù)碳纖維轟擊凹部的數(shù)量，進(jìn)行激光輻照處理，控制該階段的輻照處理機(jī)的上述操作參數(shù)值，對(duì)碳纖維轟擊凹部進(jìn)行輻照處理；
激光處理后，輻照強(qiáng)化區(qū)內(nèi)的碳纖維束中各碳纖維抗拉強(qiáng)度和耐折性彎曲強(qiáng)度均達(dá)到其最大值，伸長率達(dá)1.5-2％；
8)對(duì)經(jīng)過輻照處理后的碳纖維進(jìn)行性能檢測：檢測處理后的碳纖維是否滿足制備復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)，其中檢測的種類包括碳纖維的抗拉強(qiáng)度值、彈性模量、應(yīng)變值是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則繼續(xù)下述步驟；如不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則重新返回上述步驟7)；
9)制備復(fù)合材料：在碳纖維復(fù)合材料機(jī)上進(jìn)行碳纖維與樹脂基體復(fù)合，并對(duì)復(fù)合后的復(fù)合材料進(jìn)行強(qiáng)度檢測，待強(qiáng)度檢測達(dá)標(biāo)后，停止上述步驟1)至步驟8)，或者繼續(xù)重復(fù)上述步驟1)至步驟8)，對(duì)下一批待接轟擊碳纖維進(jìn)行處理。
在上述步驟7)中的微顆粒轟擊處理中，微顆粒轟擊處理機(jī)進(jìn)行轟擊處理時(shí)，微顆粒的直徑為待機(jī)械轟擊碳纖維直徑的1/10-1/3。
在上述步驟7)中微顆粒轟擊處理中，還設(shè)置有碳纖維傳送裝置，該碳纖維傳送裝置分別設(shè)置在微顆粒轟擊處理機(jī)和激光束處理機(jī)前部。
所述微顆粒轟擊處理機(jī)采用空氣壓縮機(jī)噴射微顆粒，并且該微顆粒轟擊處理機(jī)上還設(shè)置有多個(gè)微顆粒噴頭。
在輻照處理中，輻照處理機(jī)能夠選擇在低溫環(huán)境下進(jìn)行輻照，其中該低溫環(huán)境的溫度為-100-0℃。
上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。