CN108690322B - 一种碳纤维界面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维界面的制备方法，采用真空浸渍法在碳纤维表面制备聚碳硅烷界面，在烧蚀过程中，能在氧化或低温烧蚀环境下形成SiO2和SiC保护层，从而提高碳纤维的抗氧化和抗烧蚀性能。该界面氧化裂解后可形成多孔弱界面层，提高了碳纤维复合材料的韧性。聚碳硅烷热解后形成多孔界面层，使得烧蚀过程的复合材料有良好的界面匹配性，在800℃氧化0.5h后，分别使三点弯曲强度和断裂韧性提高了59％和37％。这使聚合物基复合材料在热防护系统中实现结构功能一体化应用成为可能。本发明能用于烧蚀型或抗烧蚀型聚合物基复合材料，提高其烧蚀性能和烧蚀过程中的力学性能，实现聚合物基复合材料在热防护领域的应用中结构功能一体化。

Description

一种碳纤维界面的制备方法
技术领域
本发明属于应用于烧蚀型或抗烧蚀型的碳纤维增强聚合物基复合材料的纤维界面的制备方法，涉及一种碳纤维界面的制备方法，通过真空压力浸渍的方式在碳纤维表面制备出聚碳硅烷界面，可以提高聚合物复合材料的抗氧化和抗烧蚀性能，有望实现聚合物热防护材料的结构功能一体化。
背景技术
碳纤维增强聚合物基复合材料因其低成本、低密度、隔热性能好、高比强等一系列优点而被广泛应用于航空航天的热防护领域。但聚合物在超过600℃时会发生热解，造成复合材料力学性能的急剧下降。因而聚合物基复合材料在热防护系统中仅作为烧蚀材料，不能实现结构功能一体化。为提高聚合物基复合材料的抗烧蚀性能，可向基体中添加高温相，如SiO2、ZrO2、ZrSi2等。这些高温相在高温下可与聚合物裂解生成的碳发生反应，生成高温陶瓷相，提高复合材料的抗烧蚀性能。文献中“Jie Ding,Zhixiong Huang,Yan Qin,etal.Improved ablation resistance of carbon–phenolic composites by introducingzirconium silicide particles[J]Composites Part B 82(2015):100-107”，“SrikanthI,Padmavathi N,Kumar S,et al.Mechanical,thermal and ablative properties ofzirconia,CNT modified carbon/phenolic composites[J]Composites Science&Technology 80(2013)1-7.”等分别向聚合物基体中添加ZrSi2、ZrO2等高温相，明显提高了聚合物复合材料的抗烧蚀性能。
但是，上述高温相在和碳反应时，也会和碳纤维发生反应，进而腐蚀纤维，造成纤维强度下降；生成高温陶瓷相后，基体模量升高，造成纤维和基体模量不匹配。这两者的作用分别使得聚合物复合材料强度和韧性急剧下降，难以实现该类型热防护材料的结构功能一体化。而现有可应用于高温环境的界面大都基于陶瓷基复合材料，如通过化学气相沉积方法制备的热解碳界面。但这种界面在应用于聚合物基复合材料时，有制备时间长、制备温度高、与聚合物基体结合较弱从而导致复合材料强度下降等缺点。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种碳纤维界面的制备方法，通过真空浸渍的方法在纤维表面制备出聚碳硅烷界面，提高碳纤维烧蚀过程中的抗氧化性能和力学性能，实现聚合物热防护材料的结构功能一体化。
技术方案
一种碳纤维界面的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、制备聚碳硅烷溶液：将聚碳硅烷溶于有机溶剂中，搅拌溶解得到聚碳硅烷溶液；所述聚碳硅烷占溶液的质量比为1:20～1:3；所述溶液的粘度为20～100mPa·s；
步骤2、真空压力浸渍：先将碳纤维或碳纤维预制体在真空度为-0.08MPa～-0.10MPa浸渍在聚碳硅烷溶液中，再在压力为0.8MPa～1.0MPa的环境下进一步浸渍，使得聚碳硅烷溶液充分浸渍到碳纤维表面或碳纤维预制体中；
步骤3、干燥固化：将浸渍完成的碳纤维或碳纤维预制体在室温下凉置3～10小时，在120℃～130℃烘箱中固化2～5小时，在140～160℃固化2～5小时，在180～200℃下固化2～5小时，制成碳纤维界面。
所述有机溶剂为能够溶解聚碳硅烷的有机溶剂。
所述有机溶剂为甲苯、二甲苯、正己烷、氯仿或四氢呋喃。
所述碳纤维预制体为碳布、二维叠层、三维针刺、三维穿刺或三维编制的碳纤维预制体。
有益效果
本发明提出的一种碳纤维界面的制备方法，采用真空浸渍法在碳纤维表面制备聚碳硅烷界面，在烧蚀过程中，能在氧化或低温烧蚀环境下形成SiO2和SiC保护层，从而提高碳纤维的抗氧化和抗烧蚀性能。该界面氧化裂解后可形成多孔弱界面层，提高了碳纤维复合材料的韧性。聚碳硅烷热解后形成多孔界面层，使得烧蚀过程的复合材料有良好的界面匹配性，在800℃氧化0.5h后，分别使三点弯曲强度和断裂韧性提高了59％和37％。这使聚合物基复合材料在热防护系统中实现结构功能一体化应用成为可能。
本发明能用于烧蚀型或抗烧蚀型聚合物基复合材料，提高其烧蚀性能和烧蚀过程中的力学性能，实现聚合物基复合材料在热防护领域的应用中结构功能一体化。本发明解决了现有聚合物基复合材料在氧化或烧蚀过程中的纤维氧化导致复合材料强度下降和基体与纤维模量不匹配导致复合材料韧性下降的问题。
附图说明
图1：碳纤维表面聚碳硅烷界面的扫描电子显微镜照片
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1
界面溶液制备：将聚碳硅烷溶于二甲苯中，聚碳硅烷和二甲苯的质量比为1:10；
真空压力浸渍：将碳布(东丽T300 1K平纹)和界面溶液同时放到真空罐中，抽真空为-0.08MPa～-0.10MPa保持20分钟，后缓慢加压，将气压升至0.8MPa，保持30分钟；
干燥固化：取出碳布后，在室温下凉置3-10小时，在120℃～130℃烘箱中固化2～5小时，在140～160℃固化2～5小时，在180～200℃下固化2～5小时；
制备酚醛树脂溶液：将酚醛树脂、六次甲基四胺溶解于无水乙醇中，六次甲基四胺质量为酚醛树脂质量的10％，通过控制无水乙醇含量控制溶液的粘度为50～100mPa·s；
真空压力浸渍：将制备界面后的碳布和树脂溶液同时放到真空罐中，抽真空为-0.08MPa～-0.10MPa保持20分钟，后缓慢加压，将气压升至0.8MPa，保持30分钟；
热压成型：取出碳布后，在室温下凉置3-10小时，80℃烘箱中烘干12小时，然后将其放入温压机中加压固化，温度保持在140℃～160℃，压力保持在1～2MPa，固化2h后制备带有纤维界面的酚醛树脂复合材料。
实施例2
界面溶液制备：将聚碳硅烷溶于二甲苯中，聚碳硅烷和二甲苯的质量比为1:10；
真空压力浸渍：将碳布(东丽T300 1K平纹)和界面溶液同时放到真空罐中，抽真空为-0.08MPa～-0.10MPa保持20分钟，后缓慢加压，将气压升至0.8MPa，保持30分钟；
干燥固化：取出碳布后，在室温下凉置3-10小时，在120℃～130℃烘箱中固化2～5小时，在140～160℃固化2～5小时，在180～200℃下固化2～5小时；
制备硼改性酚醛树脂溶液：将硼改性酚醛树脂溶解于无水乙醇中，通过控制无水乙醇含量控制溶液的粘度为50～100mPa·s；
真空压力浸渍：将制备界面后的碳布和树脂溶液同时放到真空罐中，抽真空为-0.08MPa～-0.10MPa保持20分钟，后缓慢加压，将气压升至0.8MPa，保持30分钟；
热压成型：取出碳布后，在室温下凉置3-10小时，80℃烘箱中烘干12小时，然后将其放入温压机中加压固化，压力保持在1～2MPa，110～130℃保持2～3小时，140℃～160℃保持2～3小时，170～190℃保持2～3小时，最终制备出带有纤维界面的硼改性酚醛树脂复合材料。
实施例3
界面溶液制备：将聚碳硅烷溶于二甲苯中，聚碳硅烷和二甲苯的质量比为1:10；
真空压力浸渍：将碳布(东丽T300 1K平纹)和界面溶液同时放到真空罐中，抽真空为-0.08MPa～-0.10MPa保持20分钟，后缓慢加压，将气压升至0.8MPa，保持30分钟；
干燥固化：取出碳布后，在室温下凉置3-10小时，在120℃～130℃烘箱中固化2～5小时，在140～160℃固化2～5小时，在180～200℃下固化2～5小时；
制备硼改性树脂浆料：将硼改性酚醛树脂溶解于无水乙醇中，充分溶解后向其加入硼硅玻璃粉，粉体占树脂的质量比为10～40％，通过控制无水乙醇含量控制溶液的粘度为50～100mPa·s；
真空压力浸渍：将制备界面后的碳布和树脂浆料同时放到真空罐中，抽真空为-0.08MPa～-0.10MPa保持20分钟，后缓慢加压，将气压升至0.8MPa，保持30分钟；
热压成型：取出碳布后，在室温下凉置3-10小时，80℃烘箱中烘干12小时，然后将其放入温压机中加压固化，压力保持在1～2MPa，110～130℃保持2～3小时，140℃～160℃保持2～3小时，170～190℃保持2～3小时，最终制备出带有纤维界面和硼硅玻璃填料的硼改性酚醛树脂复合材料。
实施例4
界面溶液制备：将聚碳硅烷溶于二甲苯中，聚碳硅烷和二甲苯的质量比为1:10；
真空压力浸渍：将碳纤维预制体(三维穿刺或三维针刺)和界面溶液同时放到真空罐中，抽真空为-0.08MPa～-0.10MPa保持20分钟，后缓慢加压，将气压升至0.8MPa，保持30分钟；
干燥固化：取出预制体后，在室温下凉置3-10小时，在120℃～130℃烘箱中固化2～5小时，在140～160℃固化2～5小时，在180～200℃下固化2～5小时；
制备硼改性树脂浆料：将硼改性酚醛树脂溶解于无水乙醇中，充分溶解后向其加入硼硅玻璃粉，粉体占树脂的质量比为10～40％，通过控制无水乙醇含量控制溶液的粘度为50～100mPa·s；
真空压力浸渍：将制备界面后的碳纤维预制体和树脂浆料同时放到真空罐中，抽真空为-0.08MPa～-0.10MPa保持20分钟，后缓慢加压，将气压升至0.8MPa，保持30分钟；
固化：取出碳纤维预制体后，在室温下凉置3-10小时，80℃烘箱中烘干12小时，110～130℃固化2～3小时，140℃～160℃固化2～3小时，170～190℃固化2～3小时，最终制备出带有纤维界面和硼硅玻璃填料的硼改性酚醛树脂复合材料。

Claims (2)

1.一种碳纤维界面的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、制备聚碳硅烷溶液：将聚碳硅烷溶于有机溶剂中，搅拌溶解得到聚碳硅烷溶液；所述聚碳硅烷占溶液的质量比为1:20～1:3；所述溶液的粘度为20～100mPa·s；
步骤2、真空压力浸渍：先将碳纤维或碳纤维预制体在真空度为-0.08MPa～-0.10MPa浸渍在聚碳硅烷溶液中，再在压力为0.8MPa～1.0MPa的环境下进一步浸渍，使得聚碳硅烷溶液充分浸渍到碳纤维表面或碳纤维预制体中；
步骤3、干燥固化：将浸渍完成的碳纤维或碳纤维预制体在室温下凉置3～10小时，在120℃～130℃烘箱中固化2～5小时，在140～160℃固化2～5小时，在180～200℃下固化2～5小时，制成碳纤维界面；
所述有机溶剂为能够溶解聚碳硅烷的有机溶剂，为甲苯、二甲苯、正己烷、氯仿或四氢呋喃。
2.根据权利要求1所述碳纤维界面的制备方法，其特征在于：所述碳纤维预制体为碳布、二维叠层、三维针刺、三维穿刺或三维编制的碳纤维预制体。
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