CN102492289A - 一种碳纤维增强复合材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明为一种碳纤维增强复合材料及其制备工艺，将碳纤维编织物在50～70％的硝酸，30～50％的硝酸钠、氯化铁、高锰酸钾、酸性重铬酸钾中的一种或几种，5～20％的双氧水所调配成浓度为50～60％的复合预处理溶液中进行预处理；采用模压成型方法，将碳纤维编织物放在可调控张拉机构中预张紧，然后通过定位装置固定在模具上，铺上所需厚度的热固性树脂粉末，并根据所需制造的碳纤维增强复合材料性能指标，逐层地将碳纤维编织物和所需厚度的热固性树脂粉末铺在模具中的基体位置，直至达到所设计的层数和厚度，然后进行加热升温压制成型。通过采用特殊配制的复合溶液对碳纤维进行表面处理，大大提高了碳纤维与热固性材料的相容性，改善了碳纤维与基体树脂的粘合性能。采用模压工艺成型，具有成型工艺简单、生产灵活且周期短，设备投资小，成本低。

Description

一种碳纤维增强复合材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料技术领域，涉及一种纤维增强复合材料及其制作方法，特别是一种碳纤维增强复合材料及其制造工艺。

背景技术

复合材料是一种新型工程材料，世界各主要工业发达国家和地区都在投入大量资金竞相从事复合材料的基础和应用研究。复合材料的复合技术已能使聚合物材料、金属材料、陶瓷材料、玻璃、碳质材料等之间进行复合，相互改性，使材料的生产和应用得到综合发展。纤维增强复合材料作为结构型复合材料，与钢材相比，具有强度高、重量轻、耐腐蚀、隔热吸音、施工简便、耐久性与柔韧性好、设计和成型自由度大等优点，被广泛用于航空航天、船舶、车辆制造、建筑工程、化学工程、电子/电器、体育等领域。碳纤维增强复合材料(CiarbonFiberRcinforccd Poiy-mor，简称CFRP)，是由强度高、模量大的增强碳纤维纤维与有韧性的、模量小的树脂基体组成。其中纤维长度只有达到一定后，才能起到增强作用。因此，人们在研究短纤维增强热塑性复合材料加工技术的同时，对连续纤维增强热塑性复合材料的加工方法也进行了广泛研究。

碳纤维是纤维状的碳材料，化学组成中碳元素占总质量的90％以上，可形成金刚石、石墨、卡宾等结晶态，也可形成非晶态的各种过渡态。在空气中，350℃以上温度会出现不同程度的氧化，在惰性气氛中高温时也不熔融，只是在3500℃以上的高温直接升华。同其他的纤维相比，碳纤维具有强度及弹性模量高、质量轻和极好的耐腐蚀性及抗疲劳性、比强度高、施工便捷等优点，碳纤维可单独使用，但绝人多数是以复合材料的形式使用，其中又以碳纤维增强树脂基体复合材料为主要形式。采用碳纤维所制备的增强树脂基体复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，故它既能作为结构材料，又能作为功能材料使用，因而被泛应用于上述各种领域的复合材料制品(成型品)的制造。碳纤维一般被用作以热固性树脂或热塑性树脂为基质树脂的复合材料制品的增强材料，作为基质树脂，由于其成型性和处理性方便，因而多使用热固性树脂。但是由于碳纤维表面平滑、活性官能团少表面能低，呈现表面化学隋性，与树脂基体浸润性差，使得复合材料界而粘合力较弱，严重地影响了复合材料整体优异性能的发挥。由于热塑性树脂的熔体粘度一般都超过100N·S/m²，很难使增强纤维获得良好浸渍。因此制备CFRTP的技术关键是如何解决热塑性树脂对连续增强碳纤维的浸渍，改善碳纤维与热固性树脂基质的相互润湿性。碳纤维的表面处理则是提高其使用性能一个重要保证措施，如何对碳纤维表面进行处理，提高其与基体树脂的粘接性，一直是国内外复合材料行业的研究热点。因此加强碳纤维表面处理及其制备工艺的研究就显得十分重要。

对此，各国科学家进行了大量研究，开发了溶液浸渍、熔融浸渍、粉末浸渍、悬浮浸渍以及反应浸渍等多种处理技术。作为以热固性树脂为基质树脂的复合材料的成型方法，包括对预先将增强纤维浸溃在树脂中形成片状的预浸渍材料(中间基材)进行成型的方法，其他的成型方法包括拉制成型法、树脂传递成型(RTM)法、纤维缠绕成型(FW)法、片材成型复合(SMC)法、预制整体模塑复合(BMC)法、手工涂教法等。上述技术均存在着工艺复杂，成本高，所制备的复合材料的质量差。严重影响了碳纤维复合材料的性能，制约了该材料的推广和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以碳纤维编织物作为增强材料，以热固性树脂为基质树脂的碳纤维增强复合材料及其制备工艺，所制备的碳纤维增强复合材料既具有有极好的耐腐蚀性及抗疲劳性、比强度高、施工便捷等特点，又具有较高的延伸率和较高的层间剪切力，使制备的碳纤维增强改性热塑性树脂复合材料具有更优越的性能。其制作方法在提高复合材料综合性能的同时，降低了复合材料制作成本，更便于材料的推广应用，以解决已有技术存在的不足。

本发明提出的一种碳纤维增强复合材料及其制备工艺，其制造工艺包括以下各步骤：

(1)碳纤维的预处理：

配制复合预处理溶液，复合预处理溶液以重量百分比计，由以下组分组成：50～70％的硝酸，30～50％的硝酸钠、氯化铁、高锰酸钾、酸性重铬酸钾中的一种或几种，5～20％的双氧水，将上述成分的无机酸、无机酸盐按照比例配制后，加水调配成浓度为50～60％的复合预处理溶液；将待处理的碳纤维编织物浸泡在所配制好的复合预处理溶液中，在40～90℃度的反应温度下，处理30min～150min后，取出用氢氧化钠溶液和水充分洗涤，直至pH值不显酸性，然后经80～150℃烘干。

(2)压制成型

采用模压成型方法，模具分上下模，外包裹加热套实现加热，用热电偶控温，变压器调整升温速度，成型时将碳纤维编织物放入预先清理好的成型模具中并紧贴下模腔，将碳纤维编织物放在可调控张拉机构中预张紧，张拉过程中要保证纤维连续且张紧度一致，通过调节碳纤维编织物的张紧力，使碳纤维编织物在进入成型模具前始终处于有张紧力的状态，然后通过定位装置固定在模具上，铺上所需厚度的热固性树脂粉末，然后调整整个张拉机构至所需高度，重复上述工艺逐层地将碳纤维编织物和所需厚度的热固性树脂粉末铺在模具上，根据制成后碳纤维增强复合材料所应达到的力学性能指标及碳纤维增强复合材料的宽度与厚度确定板材内部所需铺设碳纤维编织物的规格及数量，由成型模具及碳纤维编织物定位装置确定碳纤维编织物在碳纤维增强复合材料中的基体位置及布置形式，直至达到所设计的层数和厚度，然后盖上上模，加热升温，压制成型，整个升温过程分为3个步骤：

①加热升温至230～260℃，恒温10～30min，目的是为了防止温度上升过快，避免超出设定的温度使树脂碳化；

②升温至270～290℃，恒温20～40min，目的是使树脂充分熔融，具有一定的流动性，能较好地浸润碳纤维编织物；

③然后以一定速率冷却，目的是避免迅速降温而引起不必要的体积应力和热应力，从而影响片材的力学性能；当率冷却到40～50℃时脱模，即得到所需性能和尺寸的碳纤维增强复合材料，最后将制得的复合材料加工成各种产品；

所述的热塑性树脂品种包括尼龙、聚碳酸酷、聚甲醛、聚矾、聚醚、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮和聚酷、聚丙烯、聚乙烯等通用级塑料，在复合材料中所占的质量百分比为95％～50％；

所述的碳纤维编织物包括采用混纤法、共编法、多轴向经编法、多轴向立体编织法、三维编织法、立体编织法单向织物及其它编织法所制造的碳纤维编织物，在复合材料中所占的质量百分比为5％～50％；

有益效果

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明的一种碳纤维增强复合材料及其制备工艺，采用特殊配制的复合溶液对碳纤维进行表面处理，所得的碳纤维表面引入含氧极性官能团，增强碳纤维的表面活性，碳纤维表面的凹坑细密而均匀，大大提高了碳纤维与热固性材料的相容性，改善了碳纤维与基体树脂的粘合性能。

2、采用模压法制备碳纤维增强复合材料可以有效地避免分子取向，可以克服其他工艺不能保证纤维平直度的缺点，具有良好的韧性，有效地缓解了应力集中，最大限度的保持了碳纤维原有的强度，提高了复合材料的性能。使所制备的复合材料同时具有高强度、高模量、高耐热和高耐磨、耐腐蚀、重量轻、施工简便、耐久性与柔韧性好等优点，可适合于各种工况条件下的应用。

3、采用模压法制备碳纤维增强复合材料具有成型工艺简单、生产灵活且周期短，设备投资小，成本低。既可以制造大型板材及各种形状的产品，供用户自行切割使用，又可以制造小型成型产品。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详述。

实施例1

(1)碳纤维的预处理：

配制复合预处理溶液，复合预处理溶液以重量百分比计，由以下组分组成：50％的硝酸，40％的硝酸钠，10％的双氧水按照比例配制后，加水调配成浓度为50％的复合预处理溶液；将待处理的混纤法碳纤维编织物浸泡在所配好的复合预处理溶液中，在60℃度的反应温度下，处理40min后，取出用氢氧化钠溶液和水充分洗涤，直至pH值不显酸性，经90℃烘干。

(2)压制成型

采用模压成型方法，模具分上下模，外包裹加热套实现加热，用热电偶控温，变压器调整升温速度，模具内腔尺寸长×宽×高为1200×800×30mm，成型时将碳纤维编织物放入预先清理好的成型模具中并紧贴下模腔，将混纤法碳纤维编织物放在可调控张拉机构中预张紧，通过调节碳纤维编织物的张紧力，使混纤法碳纤维编织物在进入成型模具前始终处于有张紧力的状态，然后通过定位装置固定在模具上，铺上所需厚度的聚苯硫醚热固性树脂粉末，然后调整整个张拉机构至所需高度，重复上述工艺逐层地将碳纤维编织物和所需厚度的热固性树脂粉末铺在模具上，共计3层，然后盖上上模，加热升温，压制成型，整个升温过程分为3个步骤：

①加热升温至250℃，恒温15min，目的是为了防止温度上升过快，避免超出设定的温度使树脂碳化；

②升温至280℃，恒温30min，目的是使树脂充分熔融，具有一定的流动性，能较好地浸润碳纤维编织物；

③然后缓慢冷却，目的是避免迅速降温而引起不必要的体积应力和热应力，从而影响片材的力学性能；当率冷却到50℃时脱模，制造成1200×800×15mm的碳纤维增强复合材料。

实施例2

(1)碳纤维的预处理：

配制复合预处理溶液，复合预处理溶液以重量百分比计，由以下组分组成：60％的硝酸，10％的酸性重铬酸钾，15％的硝酸钠，15％的双氧水按照比例配制后，加水调配成浓度为60％的复合预处理溶液；将待处理的多轴向经编法碳纤维编织物浸泡在所配好的复合预处理溶液中，在55℃度的反应温度下，处理35min后，取出用氢氧化钠溶液和水充分洗涤，直至pH值不显酸性，然后经80℃烘干。

(2)压制成型

采用模压成型方法，模具分上下模，外包裹加热套实现加热，用热电偶控温，变压器调整升温速度，模具内腔尺寸长×宽×高为800×600×40mm，成型时将碳纤维编织物放入预先清理好的成型模具中并紧贴下模腔，将多轴向经编法碳纤维编织物放在可调控张拉机构中预张紧，通过调节碳纤维编织物的张紧力，使混纤法碳纤维编织物在进入成型模具前始终处于有张紧力的状态，然后通过定位装置固定在模具上，铺上所需厚度的聚丙烯热固性树脂粉末，然后调整整个张拉机构至所需高度，重复上述工艺逐层地将碳纤维编织物和所需厚度的热固性树脂粉末铺在模具上，共计4层，然后盖上上模，加热升温，压制成型，整个升温过程分为3个步骤：

①加热升温至230℃，恒温20min，目的是为了防止温度上升过快，避免超出设定的温度使树脂碳化；

②升温至290℃，恒温35min，目的是使树脂充分熔融，具有一定的流动性，能较好地浸润碳纤维编织物；

③然后缓慢冷却，目的是避免迅速降温而引起不必要的体积应力和热应力，从而影响片材的力学性能；当率冷却到40℃时脱模，制造成800×600×20mm的碳纤维增强复合材料。

Claims (3)

1.一种碳纤维增强复合材料及其制备工艺，其特征在于，包括以下工艺步骤：

(1)碳纤维的预处理：

配制复合预处理溶液，复合预处理溶液以重量百分比计，由以下组分组成：50～70％的硝酸，30～50％的硝酸钠、氯化铁、高锰酸钾、酸性重铬酸钾中的一种或几种，5～20％的双氧水，将上述成分的无机酸、无机酸盐按照比例配制后，加水调配成浓度为50～60％的复合预处理溶液；将待处理的碳纤维编织物浸泡在所配制好的复合预处理溶液中，在40～90℃度的反应温度下，处理30min～150min后，取出用氢氧化钠溶液和水充分洗涤，直至pH值不显酸性，然后经80～150℃烘干；

(2)压制成型

采用模压成型方法，模具分上下模，外包裹加热套实现加热，用热电偶控温，变压器调整升温速度，成型时将碳纤维编织物放入预先清理好的成型模具中并紧贴下模腔，将碳纤维编织物放在可调控张拉机构中预张紧，张拉过程中要保证纤维连续且张紧度一致，通过调节碳纤维编织物的张紧力，使碳纤维编织物在进入成型模具前始终处于有张紧力的状态，然后通过定位装置固定在模具上，铺上所需厚度的热固性树脂粉末，然后调整整个张拉机构至所需高度，重复上述工艺逐层地将碳纤维编织物和所需厚度的热固性树脂粉末铺在模具上，根据制成后碳纤维增强复合材料所应达到的力学性能指标及碳纤维增强复合材料的宽度与厚度确定板材内部所需铺设碳纤维编织物的规格及数量，由成型模具及碳纤维编织物定位装置确定碳纤维编织物在碳纤维增强复合材料中的基体位置及布置形式，直至达到所设计的层数和厚度，盖上上模，然后盖上上模，加热升温，压制成型，整个升温过程分为3个步骤：

①加热升温至230～260℃，恒温10～30min，目的是为了防止温度上升过快，避免超出设定的温度使树脂碳化；

②升温至270～290℃，恒温20～40min，目的是使树脂充分熔融，具有一定的流动性，能较好地浸润碳纤维编织物；

③然后以一定速率冷却，目的是避免迅速降温而引起不必要的体积应力和热应力，从而影响片材的力学性能；当率冷却到40～50℃时脱模，即得到所需性能和尺寸的碳纤维增强复合材料，最后将制得的复合材料加工成各种产品。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料及其制备工艺，其特征在于，所述的热塑性树脂品种包括尼龙、聚碳酸酷、聚甲醛、聚矾、聚醚、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮和聚酷、聚丙烯、聚乙烯等通用级塑料，在复合材料中所占的质量百分比为95％～50％。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料及其制备工艺，其特征在于，所述的碳纤维编织物包括采用混纤法、共编法、多轴向经编法、多轴向立体编织法、三维编织法、立体编织法单向织物及其它编织法所制造的碳纤维编织物，在复合材料中所占的质量百分比为5％～50％。