專利名稱：一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備工藝的制作方法
一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備工藝技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于碳纖維復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制作方法，特別是一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制造工藝。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料是一種新型工程材料，世界各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都在投入大量資金競相從事復(fù)合材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。復(fù)合材料的復(fù)合技術(shù)已能使聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料、玻璃、碳質(zhì)材料等之間進(jìn)行復(fù)合，相互改性，使材料的生產(chǎn)和應(yīng)用得到綜合發(fā)展。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料，與鋼材相比，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、 隔熱吸音、施工簡便、耐久性與柔韌性好、設(shè)計(jì)和成型自由度大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于航空航天、船舶、車輛制造、建筑工程、化學(xué)工程、電子/電器、體育等領(lǐng)域。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (CiarbonFiberRcinforccd Poiy-mor,簡稱CFRP)，是由強(qiáng)度高、模量大的增強(qiáng)碳纖維纖維與有韌性的、模量小的樹脂基體組成。其中纖維長度只有達(dá)到一定后，才能起到增強(qiáng)作用。 因此，人們在研究短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料加工技術(shù)的同時，對連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的加工方法也進(jìn)行了廣泛研究。
碳纖維是纖維狀的碳材料，化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量的90%以上，可形成金剛石、石墨、卡賓等結(jié)晶態(tài)，也可形成非晶態(tài)的各種過渡態(tài)。在空氣中，350°C以上溫度會出現(xiàn)不同程度的氧化，在惰性氣氛中高溫時也不熔融，只是在3500°C以上的高溫直接升華。同其他的纖維相比，碳纖維具有強(qiáng)度及彈性模量高、質(zhì)量輕和極好的耐腐蝕性及抗疲勞性、比強(qiáng)度高、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，碳纖維可單獨(dú)使用，但絕人多數(shù)是以復(fù)合材料的形式使用，其中又以碳纖維增強(qiáng)樹脂基體復(fù)合材料為主要形式。采用碳纖維所制備的增強(qiáng)樹脂基體復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，故它既能作為結(jié)構(gòu)材料，又能作為功能材料使用，因而被泛應(yīng)用于上述各種領(lǐng)域的復(fù)合材料制品(成型品)的制造。碳纖維一般被用作以熱固性樹脂或熱塑性樹脂為基質(zhì)樹脂的復(fù)合材料制品的增強(qiáng)材料，作為基質(zhì)樹脂，由于其成型性和處理性方便，因而多使用熱固性樹脂。但是由于碳纖維表面平滑、活性官能團(tuán)少表面能低，呈現(xiàn)表面化學(xué)隋性， 與樹脂基體浸潤性差，使得復(fù)合材料界而粘合力較弱，嚴(yán)重地影響了復(fù)合材料整體優(yōu)異性能的發(fā)揮。由于熱塑性樹脂的熔體粘度一般都超過IOON · S/m2，很難使增強(qiáng)纖維獲得良好浸漬。因此制備CFRTP的技術(shù)關(guān)鍵是如何解決熱塑性樹脂對連續(xù)增強(qiáng)碳纖維的浸漬，改善碳纖維與熱固性樹脂基質(zhì)的相互潤濕性。碳纖維的表面處理則是提高其使用性能一個重要保證措施，如何對碳纖維表面進(jìn)行處理，提高其與基體樹脂的粘接性，一直是國內(nèi)外復(fù)合材料行業(yè)的研究熱點(diǎn)。因此加強(qiáng)碳纖維表面處理及其制備工藝的研究就顯得十分重要。
對此，各國科學(xué)家進(jìn)行了大量研究，開發(fā)了溶液浸漬、熔融浸漬、粉末浸漬、懸浮浸漬以及反應(yīng)浸漬等多種處理技術(shù)。作為以熱固性樹脂為基質(zhì)樹脂的復(fù)合材料的成型方法， 包括對預(yù)先將增強(qiáng)纖維浸潰在樹脂中形成片狀的預(yù)浸漬材料(中間基材)進(jìn)行成型的方法，其他的成型方法包括拉制成型法、樹脂傳遞成型(RTM)法、纖維纏繞成型(FW)法、片材成型復(fù)合(SMC)法、預(yù)制整體模塑復(fù)合(BMC)法、手工涂教法等。上述技術(shù)均存在著工藝復(fù)雜，成本高，所制備的復(fù)合材料的質(zhì)量差。嚴(yán)重影響了碳纖維復(fù)合材料的性能，制約了該材料的推廣和應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以碳纖維編織物作為增強(qiáng)材料，以熱固性樹脂為基質(zhì)樹脂的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備工藝，所制備的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料既具有有極好的耐腐蝕性及抗疲勞性、比強(qiáng)度高、施工便捷等特點(diǎn)，又具有較高的延伸率和較高的層間剪切力，使制備的碳纖維增強(qiáng)改性熱塑性樹脂復(fù)合材料具有更優(yōu)越的性能。其制作方法在提高復(fù)合材料綜合性能的同時，降低了復(fù)合材料制作成本，更便于材料的推廣應(yīng)用，以解決已有技術(shù)存在的不足。
本發(fā)明提出的一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備工藝，其制造工藝包括以下各步驟
(1)碳纖維的預(yù)處理
配制復(fù)合預(yù)處理溶液，復(fù)合預(yù)處理溶液以重量百分比計(jì)，由以下組分組成50 70%的硝酸，30 50%的硝酸鈉、氯化鐵、高錳酸鉀、酸性重鉻酸鉀中的一種或幾種，5 20%的雙氧水，將上述成分的無機(jī)酸、無機(jī)酸鹽按照比例配制后，加水調(diào)配成濃度為50 60%的復(fù)合預(yù)處理溶液；將待處理的碳纖維編織物浸泡在所配制好的復(fù)合預(yù)處理溶液中， 在40 90°C度的反應(yīng)溫度下，處理30min 150min后，取出用氫氧化鈉溶液和水充分洗滌，直至PH值不顯酸性，然后經(jīng)80 150°C烘干。
(2)壓制成型
采用模壓成型方法，模具分上下模，外包裹加熱套實(shí)現(xiàn)加熱，用熱電偶控溫，變壓器調(diào)整升溫速度，成型時將碳纖維編織物放入預(yù)先清理好的成型模具中并緊貼下模腔，將碳纖維編織物放在可調(diào)控張拉機(jī)構(gòu)中預(yù)張緊，張拉過程中要保證纖維連續(xù)且張緊度一致， 通過調(diào)節(jié)碳纖維編織物的張緊力，使碳纖維編織物在進(jìn)入成型模具前始終處于有張緊力的狀態(tài)，然后通過定位裝置固定在模具上，鋪上所需厚度的熱固性樹脂粉末，然后調(diào)整整個張拉機(jī)構(gòu)至所需高度，重復(fù)上述工藝逐層地將碳纖維編織物和所需厚度的熱固性樹脂粉末鋪在模具上，根據(jù)制成后碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所應(yīng)達(dá)到的力學(xué)性能指標(biāo)及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的寬度與厚度確定板材內(nèi)部所需鋪設(shè)碳纖維編織物的規(guī)格及數(shù)量，由成型模具及碳纖維編織物定位裝置確定碳纖維編織物在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的基體位置及布置形式，直至達(dá)到所設(shè)計(jì)的層數(shù)和厚度，然后蓋上上模，加熱升溫，壓制成型，整個升溫過程分為3個步驟
①加熱升溫至230 260°C，恒溫10 30min，目的是為了防止溫度上升過快，避免超出設(shè)定的溫度使樹脂碳化；
②升溫至270 290°C，恒溫20 40min，目的是使樹脂充分熔融，具有一定的流動性，能較好地浸潤碳纖維編織物；
③然后以一定速率冷卻，目的是避免迅速降溫而引起不必要的體積應(yīng)力和熱應(yīng)力，從而影響片材的力學(xué)性能；當(dāng)率冷卻到40 50°C時脫模，即得到所需性能和尺寸的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，最后將制得的復(fù)合材料加工成各種產(chǎn)品；
所述的熱塑性樹脂品種包括尼龍、聚碳酸酷、聚甲醛、聚礬、聚醚、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮和聚酷、聚丙烯、聚乙烯等通用級塑料，在復(fù)合材料中所占的質(zhì)量百分比為 95% 50% ；
所述的碳纖維編織物包括采用混纖法、共編法、多軸向經(jīng)編法、多軸向立體編織法、三維編織法、立體編織法單向織物及其它編織法所制造的碳纖維編織物，在復(fù)合材料中所占的質(zhì)量百分比為5% 50% ；
有益效果
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明的一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備工藝，采用特殊配制的復(fù)合溶液對碳纖維進(jìn)行表面處理，所得的碳纖維表面引入含氧極性官能團(tuán)，增強(qiáng)碳纖維的表面活性，碳纖維表面的凹坑細(xì)密而均勻，大大提高了碳纖維與熱固性材料的相容性，改善了碳纖維與基體樹脂的粘合性能。
2、采用模壓法制備碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以有效地避免分子取向，可以克服其他工藝不能保證纖維平直度的缺點(diǎn)，具有良好的韌性，有效地緩解了應(yīng)力集中，最大限度的保持了碳纖維原有的強(qiáng)度，提高了復(fù)合材料的性能。使所制備的復(fù)合材料同時具有高強(qiáng)度、高模量、高耐熱和高耐磨、耐腐蝕、重量輕、施工簡便、耐久性與柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)，可適合于各種工況條件下的應(yīng)用。
3、采用模壓法制備碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有成型工藝簡單、生產(chǎn)靈活且周期短， 設(shè)備投資小，成本低。既可以制造大型板材及各種形狀的產(chǎn)品，供用戶自行切割使用，又可以制造小型成型產(chǎn)品。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
實(shí)施例1
(1)碳纖維的預(yù)處理
配制復(fù)合預(yù)處理溶液，復(fù)合預(yù)處理溶液以重量百分比計(jì)，由以下組分組成50%的硝酸，40%的硝酸鈉，10%的雙氧水按照比例配制后，加水調(diào)配成濃度為50%的復(fù)合預(yù)處理溶液；將待處理的混纖法碳纖維編織物浸泡在所配好的復(fù)合預(yù)處理溶液中，在60°C度的反應(yīng)溫度下，處理40min后，取出用氫氧化鈉溶液和水充分洗滌，直至pH值不顯酸性，經(jīng)90°Cjys T O
(2)壓制成型
采用模壓成型方法，模具分上下模，外包裹加熱套實(shí)現(xiàn)加熱，用熱電偶控溫，變壓器調(diào)整升溫速度，模具內(nèi)腔尺寸長X寬X高為1200X800X30mm，成型時將碳纖維編織物放入預(yù)先清理好的成型模具中并緊貼下模腔，將混纖法碳纖維編織物放在可調(diào)控張拉機(jī)構(gòu)中預(yù)張緊，通過調(diào)節(jié)碳纖維編織物的張緊力，使混纖法碳纖維編織物在進(jìn)入成型模具前始終處于有張緊力的狀態(tài)，然后通過定位裝置固定在模具上，鋪上所需厚度的聚苯硫醚熱固性樹脂粉末，然后調(diào)整整個張拉機(jī)構(gòu)至所需高度，重復(fù)上述工藝逐層地將碳纖維編織物和所需厚度的熱固性樹脂粉末鋪在模具上，共計(jì)3層，然后蓋上上模，加熱升溫，壓制成型，整個升溫過程分為3個步驟
①加熱升溫至250°C，恒溫15min，目的是為了防止溫度上升過快，避免超出設(shè)定的溫度使樹脂碳化；
②升溫至280°C，恒溫30min，目的是使樹脂充分熔融，具有一定的流動性，能較好地浸潤碳纖維編織物；
③然后緩慢冷卻，目的是避免迅速降溫而引起不必要的體積應(yīng)力和熱應(yīng)力，從而影響片材的力學(xué)性能；當(dāng)率冷卻到50°C時脫模，制造成1200X800X15mm的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
實(shí)施例2
(1)碳纖維的預(yù)處理
配制復(fù)合預(yù)處理溶液，復(fù)合預(yù)處理溶液以重量百分比計(jì)，由以下組分組成60%的硝酸，10%的酸性重鉻酸鉀，15%的硝酸鈉，15%的雙氧水按照比例配制后，加水調(diào)配成濃度為60%的復(fù)合預(yù)處理溶液；將待處理的多軸向經(jīng)編法碳纖維編織物浸泡在所配好的復(fù)合預(yù)處理溶液中，在55°C度的反應(yīng)溫度下，處理35min后，取出用氫氧化鈉溶液和水充分洗滌，直至PH值不顯酸性，然后經(jīng)80°C烘干。
(2)壓制成型
采用模壓成型方法，模具分上下模，外包裹加熱套實(shí)現(xiàn)加熱，用熱電偶控溫，變壓器調(diào)整升溫速度，模具內(nèi)腔尺寸長X寬X高為800X600X40mm，成型時將碳纖維編織物放入預(yù)先清理好的成型模具中并緊貼下模腔，將多軸向經(jīng)編法碳纖維編織物放在可調(diào)控張拉機(jī)構(gòu)中預(yù)張緊，通過調(diào)節(jié)碳纖維編織物的張緊力，使混纖法碳纖維編織物在進(jìn)入成型模具前始終處于有張緊力的狀態(tài)，然后通過定位裝置固定在模具上，鋪上所需厚度的聚丙烯熱固性樹脂粉末，然后調(diào)整整個張拉機(jī)構(gòu)至所需高度，重復(fù)上述工藝逐層地將碳纖維編織物和所需厚度的熱固性樹脂粉末鋪在模具上，共計(jì)4層，然后蓋上上模，加熱升溫，壓制成型， 整個升溫過程分為3個步驟
①加熱升溫至230°C，恒溫20min，目的是為了防止溫度上升過快，避免超出設(shè)定的溫度使樹脂碳化；
②升溫至290°C，恒溫35min，目的是使樹脂充分熔融，具有一定的流動性，能較好地浸潤碳纖維編織物；
③然后緩慢冷卻，目的是避免迅速降溫而引起不必要的體積應(yīng)力和熱應(yīng)力，從而影響片材的力學(xué)性能；當(dāng)率冷卻到40°C時脫模，制造成800 X 600 X 20mm的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備工藝，其特征在于，包括以下工藝步驟(1)碳纖維的預(yù)處理配制復(fù)合預(yù)處理溶液，復(fù)合預(yù)處理溶液以重量百分比計(jì)，由以下組分組成50 70% 的硝酸，30 50 %的硝酸鈉、氯化鐵、高錳酸鉀、酸性重鉻酸鉀中的一種或幾種，5 20 %的雙氧水，將上述成分的無機(jī)酸、無機(jī)酸鹽按照比例配制后，加水調(diào)配成濃度為50 60%的復(fù)合預(yù)處理溶液；將待處理的碳纖維編織物浸泡在所配制好的復(fù)合預(yù)處理溶液中，在40 90°C度的反應(yīng)溫度下，處理30min 150min后，取出用氫氧化鈉溶液和水充分洗滌，直至pH 值不顯酸性，然后經(jīng)80 150°C烘干；(2)壓制成型采用模壓成型方法，模具分上下模，外包裹加熱套實(shí)現(xiàn)加熱，用熱電偶控溫，變壓器調(diào)整升溫速度，成型時將碳纖維編織物放入預(yù)先清理好的成型模具中并緊貼下模腔，將碳纖維編織物放在可調(diào)控張拉機(jī)構(gòu)中預(yù)張緊，張拉過程中要保證纖維連續(xù)且張緊度一致，通過調(diào)節(jié)碳纖維編織物的張緊力，使碳纖維編織物在進(jìn)入成型模具前始終處于有張緊力的狀態(tài)，然后通過定位裝置固定在模具上，鋪上所需厚度的熱固性樹脂粉末，然后調(diào)整整個張拉機(jī)構(gòu)至所需高度，重復(fù)上述工藝逐層地將碳纖維編織物和所需厚度的熱固性樹脂粉末鋪在模具上，根據(jù)制成后碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所應(yīng)達(dá)到的力學(xué)性能指標(biāo)及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的寬度與厚度確定板材內(nèi)部所需鋪設(shè)碳纖維編織物的規(guī)格及數(shù)量，由成型模具及碳纖維編織物定位裝置確定碳纖維編織物在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的基體位置及布置形式，直至達(dá)到所設(shè)計(jì)的層數(shù)和厚度，蓋上上模，然后蓋上上模，加熱升溫，壓制成型，整個升溫過程分為 3個步驟①加熱升溫至230 260°C，恒溫10 30min，目的是為了防止溫度上升過快，避免超出設(shè)定的溫度使樹脂碳化；②升溫至270 290°C，恒溫20 40min，目的是使樹脂充分熔融，具有一定的流動性， 能較好地浸潤碳纖維編織物；③然后以一定速率冷卻，目的是避免迅速降溫而引起不必要的體積應(yīng)力和熱應(yīng)力，從而影響片材的力學(xué)性能；當(dāng)率冷卻到40 50°C時脫模，即得到所需性能和尺寸的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，最后將制得的復(fù)合材料加工成各種產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備工藝，其特征在于，所述的熱塑性樹脂品種包括尼龍、聚碳酸酷、聚甲醛、聚礬、聚醚、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮和聚酷、聚丙烯、聚乙烯等通用級塑料，在復(fù)合材料中所占的質(zhì)量百分比為95% 50%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備工藝，其特征在于，所述的碳纖維編織物包括采用混纖法、共編法、多軸向經(jīng)編法、多軸向立體編織法、三維編織法、 立體編織法單向織物及其它編織法所制造的碳纖維編織物，在復(fù)合材料中所占的質(zhì)量百分比為 5%~ 50%。
全文摘要
本發(fā)明為一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備工藝，將碳纖維編織物在50～70％的硝酸，30～50％的硝酸鈉、氯化鐵、高錳酸鉀、酸性重鉻酸鉀中的一種或幾種，5～20％的雙氧水所調(diào)配成濃度為50～60％的復(fù)合預(yù)處理溶液中進(jìn)行預(yù)處理；采用模壓成型方法，將碳纖維編織物放在可調(diào)控張拉機(jī)構(gòu)中預(yù)張緊，然后通過定位裝置固定在模具上，鋪上所需厚度的熱固性樹脂粉末，并根據(jù)所需制造的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能指標(biāo)，逐層地將碳纖維編織物和所需厚度的熱固性樹脂粉末鋪在模具中的基體位置，直至達(dá)到所設(shè)計(jì)的層數(shù)和厚度，然后進(jìn)行加熱升溫壓制成型。通過采用特殊配制的復(fù)合溶液對碳纖維進(jìn)行表面處理，大大提高了碳纖維與熱固性材料的相容性，改善了碳纖維與基體樹脂的粘合性能。采用模壓工藝成型，具有成型工藝簡單、生產(chǎn)靈活且周期短，設(shè)備投資小，成本低。
文檔編號C08L71/10GK102492289SQ20111035879
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者丁剛, 丁家偉, 商林方, 孫健, 徐祝方, 李仁府, 李頂根, 耿德英 申請人:丹陽丹金航空材料科技有限公司