CN106221128A - 一种低摩擦系数碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种低摩擦系数碳纤维复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低摩擦系数碳纤维复合材料及其制备方法，属于碳纤维复合材料技术领域。由重量比为1：（2~4）的改性树脂和碳纤维制成，所述改性树脂由重量比为1：（0.01~0.3）的基体树脂和改性填料制成。本发明工艺简洁，并且无特殊工序，适用于工业化生产，可采用模压、热压罐及真空袋工艺制备复合材料，制备的碳纤维复合材料有较低的滑动摩擦系数和磨损率，并且有很好的综合性能，可广满足高性能航空航天对低摩擦系数碳纤维复合材料的要求，有较好的应用前景。

Description

一种低摩擦系数碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，特别是涉及高性能纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料具有较高的比强度、比模量、良好的耐腐蚀性等，目前除广泛应用在航空航天领域的结构件外，还扩展应用在具有摩擦功能的聚合物基复合材料，如滑动轴承、滑脱机构等。碳纤维在聚合物中不仅能提高材料的强度、刚度、耐腐蚀性、导热性、还能调节复合材料的热胀系数及摩擦系数。但碳纤维复合材料本身的摩擦系数还不能完全满足一些特殊使用环境对摩擦系数的要求。因此，通过改性得到更低摩擦系数和磨损率的碳纤维复合材料是当今研究的重点，通过对树脂的改性、复合材料组成的组分比例及增强材料排布形式等的研究，在保持碳纤维复合材料高性能的前提下开发摩擦系数更低的碳纤维复合材料，以满足高性能航空航天精密结构材料的要求。
发明内容
本发明提供一种低摩擦系数碳纤维复合材料及其制备方法，以解决现有的碳纤维复合材料摩擦系数较大的问题。
本发明采取的技术方案是：由重量比为1：（2~4）的改性树脂和碳纤维制成，
所述改性树脂由重量比为1：（0.01~0.3）的基体树脂和改性填料制成。
本发明所述的基体树脂为环氧树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、双马树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂中的一种。
本发明所述的改性填料为碳纳米管、聚四氟乙烯、石墨、石墨烯、二硫化钼中的一种。
本发明所述的碳纤维为T300碳纤维、T700碳纤维、T800碳纤维、M40J碳纤维、M40JB碳纤维、M55J碳纤维、M55JB碳纤维、M60碳纤维、1K碳纤维布、3K碳纤维布的一种或几种的混合物。
一种低摩擦系数碳纤维复合材料的制备方法，包括下列步骤：
（1）改性树脂的制备；
将一定重量的基体树脂加热到30℃～150℃，恒温，在连续搅拌状态下，向基体树脂中加入相应重量的改性填料，搅拌10-100min后，将混合物置于水温在30℃～150℃的超声波清洗机中超声分散1 h～4h，使改性填料均匀分散在基体树脂基体中；将得到的混合物取出，倒入三辊研磨机进料辊，进辊间隙设为0.01mm-0.5mm，出辊间隙设为0.01mm-0.5mm，反复研磨3～15次，使基体树脂和改性填料混合更加充分均匀，冷却到室温得到改性树脂；
（2）碳纤维复合材料的制备
a．按比例将改性树脂和碳纤维在热熔预浸机上制备碳纤维预浸料；
b．将制备碳纤维预浸料按铺层及角度铺放；
c．将铺放好的碳纤维预浸料按照设计工艺进行成型，得到低摩擦系数碳纤维复合材料。
本发明的有益效果是：
1．工艺简洁，并且无特殊工序，适用于工业化生产；
2．可采用模压、热压罐及真空袋工艺制备复合材料；
3．制备的氰酸酯树脂纤维复合材料有较低的摩擦系数；
4．有很好的综合性能，可广满足高性能航空航天摩擦材料的要求；
5．有较好的应用前景。
具体实施方式
实施例1
改性树脂由基体树脂和改性填料组成，重量比为：
基体树脂：环氧树脂 100份
改性填料：碳纳米管 1份
碳纤维复合材料原料配比按以下重量比计算：
改性树脂 10份
M40JB碳纤维 20份
制备方法：将1kg的环氧树脂加热到30℃，恒温，在连续搅拌状态下，向环氧树脂中加入10g的碳纳米管，搅拌10min后，将混合物置于水温在30℃的超声波清洗机中超声分散4h，使碳纳米管均匀分散在环氧树脂中；将得到的混合物取出，倒入三辊研磨机进料辊，进辊间隙设为0.01mm，出辊间隙设为0.01mm，反复研磨3次，使环氧树脂和碳纳米管混合更加充分均匀，冷却到室温得到改性树脂；
按比例将改性树脂和碳纤维在热熔预浸机上制备碳纤维预浸料；将制备碳纤维预浸料按M40JB碳纤维预浸料角度（0°/90°）5铺放10层；将铺放好的碳纤维预浸料抽真空固化成型，得到低摩擦系数碳纤维复合材料，所得到的低摩擦系数碳纤维复合材料摩擦系数为0.20。
实施例2
改性树脂由基体树脂和改性填料组成，重量比为：
基体树脂：环氧树脂 100份
改性填料：碳纳米管 1份
碳纤维复合材料原料配比按以下重量比计算：
改性树脂 10份
M40JB碳纤维 20份
1K碳纤维布 4份
制备方法：将1kg的基体树脂加热到50℃，恒温，在连续搅拌状态下，向基体树脂中加入10g的碳纳米管，搅拌20min后，将混合物置于水温在50℃的超声波清洗机中超声分散4h，使碳纳米管均匀分散在环氧树脂中；将得到的混合物取出，倒入三辊研磨机进料辊，进辊间隙设为0.1mm，出辊间隙设为0.05mm，反复研磨10次，使环氧树脂和碳纳米管混合更加充分均匀，冷却到室温得到改性树脂；按比例将改性树脂和碳纤维在热熔预浸机上制备碳纤维预浸料；将制备碳纤维预浸料按M40JB碳纤维预浸料角度（0°/90°）5铺放10层、1K碳纤维布1层铺放；将铺放好的碳纤维预浸料抽真空固化成型，得到低摩擦系数碳纤维复合材料，所得到的低摩擦系数碳纤维复合材料摩擦系数为0.21。
实施例3
改性树脂由基体树脂和改性填料组成，重量比为：
基体树脂：氰酸酯树脂 100份
改性填料：聚四氟乙烯粉 15份
所述的碳纤维复合材料原料配比按以下重量比计算：
改性树脂 10份
T800碳纤维 24份
3K碳纤维布 6份
制备方法：将1kg的氰酸酯树脂加热到90℃，恒温，在连续搅拌状态下，向氰酸酯树脂中加入150g的聚四氟乙烯粉，搅拌55min后，将混合物置于水温在90℃的超声波清洗机中超声分散2.5h，使聚四氟乙烯粉均匀分散在氰酸酯树脂中；将得到的混合物取出，倒入三辊研磨机进料辊，进辊间隙设为0.25mm，出辊间隙设为0.25mm，反复研磨9次，使基体树脂和改性填料混合更加充分均匀，冷却到室温得到改性树脂；
按比例将改性树脂和碳纤维在热熔预浸机上制备碳纤维预浸料；将制备碳纤维预浸料按T800碳纤维预浸料角度（0°/90°/±45°）3铺放12层、3K碳纤维布2层铺放；将铺放好的碳纤维预浸料模压成型，得到低摩擦系数碳纤维复合材料，所得到的低摩擦系数碳纤维复合材料摩擦系数为0.12。
实施例4
改性树脂由基体树脂和改性填料组成，重量比为：
基体树脂：乙烯基酯树脂 100份
改性填料：石墨 5份
所述的碳纤维复合材料原料配比按以下重量比计算：
改性树脂 10份
T700碳纤维 30份
1K碳纤维布 4份
制备方法：将1kg乙烯基酯树脂加热到80℃，恒温，在连续搅拌状态下，向乙烯基酯中加入50g石墨，搅拌40min后，将混合物置于水温在80℃的超声波清洗机中超声分散2h，使石墨均匀分散在乙烯基酯树脂基体中；将得到的混合物取出，倒入三辊研磨机进料辊，进辊间隙设为0.3mm，出辊间隙设为0.4mm，反复研磨12次，使乙烯基酯树脂和石墨混合更加充分均匀，冷却到室温得到改性树脂；
按比例将改性树脂和碳纤维在热熔预浸机上制备碳纤维预浸料；将制备碳纤维预浸料按T700碳纤维预浸料角度（0°/±60°）5铺放15层、1K碳纤维布2层铺放；将铺放好的碳纤维预浸料热压罐成型，得到低摩擦系数碳纤维复合材料。所得到的低摩擦系数碳纤维复合材料摩擦系数为0.19。
实施例5
改性树脂由基体树脂和改性填料组成，重量比为：
基体树脂：氰酸酯树脂 100份
改性填料：二硫化钼 8份
所述的碳纤维复合材料原料配比按以下重量比计算：
改性树脂 10份
M55J碳纤维 26份
3K碳纤维布 8份
制备方法：将1kg的氰酸酯树脂加热到100℃，恒温，在连续搅拌状态下，向氰酸酯树脂中加入80g二硫化钼，搅拌30min后，将混合物置于水温在105℃的超声波清洗机中超声分散2h，使二硫化钼均匀分散在氰酸酯树脂基体中；将得到的混合物取出，倒入三辊研磨机进料辊，进辊间隙设为0.1mm，出辊间隙设为0.2mm，反复研磨6次，使氰酸酯树脂和二硫化钼混合更加充分均匀，冷却到室温得到改性树脂；
按比例将改性树脂和碳纤维在热熔预浸机上制备碳纤维预浸料；将制备碳纤维预浸料按M55J碳纤维预浸料角度（0°/90°）6铺放12层、3K碳纤维布2层铺放；将铺放好的碳纤维预浸料模压成型，得到低摩擦系数碳纤维复合材料。所得到的低摩擦系数碳纤维复合材料摩擦系数为0.17。
实施例6
改性树脂由基体树脂和改性填料组成，重量比为：
基体树脂：聚酰亚胺树脂 100份
改性填料：石墨烯 30份
所述的碳纤维复合材料原料配比按以下重量比计算：
改性树脂 10份
M60碳纤维 26份
1K碳纤维布 8份
M40J碳纤维 6份
制备方法：将1kg的聚酰亚胺树脂加热到150℃，恒温，在连续搅拌状态下，向聚酰亚胺树脂中加入300g石墨烯，搅拌100min后，将混合物置于水温在150℃的超声波清洗机中超声分散1h，使石墨烯均匀分散在聚酰亚胺树脂基体中；将得到的混合物取出，倒入三辊研磨机进料辊，进辊间隙设为0.5mm，出辊间隙设为0.5mm，反复研磨15次，使聚酰亚胺树脂和石墨烯混合更加充分均匀，冷却到室温得到改性树脂；
按比例将改性树脂和碳纤维在热熔预浸机上制备碳纤维预浸料；将制备碳纤维预浸料按M60碳纤维预浸料角度（0°/90°）6铺放12层、1K碳纤维布2层铺放、M40J碳纤维1层铺放；将铺放好的碳纤维预浸料模压成型，得到低摩擦系数碳纤维复合材料。所得到的低摩擦系数碳纤维复合材料摩擦系数为0.18。

Claims (8)

1.一种低摩擦系数碳纤维复合材料，其特征在于：由重量比为1：（2~4）的改性树脂和碳纤维制成，
所述改性树脂由重量比为1：（0.01~0.3）的基体树脂和改性填料制成。
2.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数碳纤维复合材料，其特征在于：所述的基体树脂为环氧树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、双马树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数碳纤维复合材料，其特征在于：所述的改性填料为碳纳米管、聚四氟乙烯、石墨、石墨烯、二硫化钼中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数碳纤维复合材料，其特征在于：所述的碳纤维为T300碳纤维、T700碳纤维、T800碳纤维、M40J碳纤维、M40JB碳纤维、M55J碳纤维、M55JB碳纤维、M60碳纤维、1K碳纤维布、3K碳纤维布的一种或几种的混合物。
5.如权利要求1所述的一种低摩擦系数碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
（1）改性树脂的制备；
将一定重量的基体树脂加热到30℃～150℃，恒温，在连续搅拌状态下，向基体树脂中加入相应重量的改性填料，搅拌10-100min后，将混合物置于水温在30℃～150℃的超声波清洗机中超声分散1 h～4h，使改性填料均匀分散在基体树脂基体中；将得到的混合物取出，倒入三辊研磨机进料辊，进辊间隙设为0.01mm-0.5mm，出辊间隙设为0.01mm-0.5mm，反复研磨3～15次，使基体树脂和改性填料混合更加充分均匀，冷却到室温得到改性树脂；
（2）碳纤维复合材料的制备
a．按比例将改性树脂和碳纤维在热熔预浸机上制备碳纤维预浸料；
b．将制备碳纤维预浸料按铺层及角度铺放；
c．将铺放好的碳纤维预浸料按照设计工艺进行成型，得到低摩擦系数碳纤维复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种低摩擦系数碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述的基体树脂为环氧树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、双马树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂中的一种。
7.根据权利要求5所述的一种低摩擦系数碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述的改性填料为碳纳米管、聚四氟乙烯、石墨、石墨烯、二硫化钼中的一种。
8.根据权利要求5所述的一种低摩擦系数碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述的碳纤维为T300碳纤维、T700碳纤维、T800碳纤维、M40J碳纤维、M40JB碳纤维、M55J碳纤维、M55JB碳纤维、M60碳纤维、1K碳纤维布、3K碳纤维布的一种或几种的混合物。
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