CN109422521A - 一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料及其制备方法。本发明涉及无机聚合物基复合材料及其制备方法，具体涉及一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料及其制备方法。本发明是为了解决现有的无机聚合物材料机械性能低、韧性差，加入短碳纤维操作较为复杂的问题。产品由无机聚合物料浆和碳纤维毡制备而成；所述的无机聚合物料浆由氢氧化钾、硅溶胶和铝硅酸盐粉体制备而成。方法：一、配置无机聚合物料浆；二、清洗碳纤维毡；三、制备预制材料坯体；四、制备碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料。本发明的方法工艺简单，成本低，环保，可大面积制备，制得的复合材料力学性能好，适用范围更广泛。

Description

一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及无机聚合物基复合材料及其制备方法，具体涉及一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料及其制备方法。
背景技术
无机聚合物材料具有耐高温、耐热、密度低、成本低并且阻燃性能好等特点，并且制备温度低、工艺简单、消耗能耗少，在建筑和耐火材料及航空领域均已有所应用。然而，无机聚合物材料本身固有脆性、韧性差、机械强度低等因素严重限制了其应用范围。
碳纤维增强陶瓷基复合材料克服了陶瓷材料脆性大的缺点，而保持了陶瓷本身优点而得到了广泛的应用。纤维的添加形式及分布状态对复合材料的性能影响至关重要，目前制备无机聚合物基复合材料的碳纤维主要为一维形式(包括单向碳纤维和短切碳纤维)，已有单向碳纤维增强纤维呈单向分布，平行纤维方向的增强效果受到影响，限制了强化效果；短切碳纤维增强具有较小的长径比，可以弥散分布在无机聚合物基体中，改善了强化效果，但需要纤维辅助分散工艺。
碳纤维毡作为碳纤维的三维形式，具有比表面积大，吸附性能好，并且具有来源广泛，成本低廉等优点，相比于一维碳纤维，碳纤维毡本身具有三维网络状骨骼结构，孔隙率可调，能很好的满足无机聚合物的浸渍要求，并且易于成型，已在复合材料方面得到很好的应用，将碳纤维毡作为无机聚合物的增强体的研究还未见报导。
发明内容
本发明是为了解决现有的无机聚合物材料机械性能低、韧性差，加入短碳纤维操作较为复杂的问题，而提供一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料及其制备方法。
本发明的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料由无机聚合物料浆和碳纤维毡制备而成；所述的无机聚合物料浆由氢氧化钾、硅溶胶和铝硅酸盐粉体制备而成；
所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为1％～5％；
所述的碳纤维毡厚度为1mm～10mm；
所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:(0.5～1.5)；
所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1；
所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为(1～4):1；
所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S-1～80S-1时粘度为150mPa·s～500mPa·s的无机聚合物料浆；
所述的硅溶胶的质量浓度为25％～45％。
本发明的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、配置无机聚合物料浆：将氢氧化钾加入到硅溶胶中，在磁力搅拌速度为10r/min～1000/min的条件下磁力搅拌混合20h～72h，得到混合溶液，然后将混合溶液置于温度为0～5℃的冰水浴中，再加入铝硅酸盐粉体，在搅拌速度为10r/min～2000r/min的条件下机械搅拌25min～35min，得到无机聚合物料浆；
所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:(0.5～1.5)；
所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1；
所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为(1～4):1；
所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S-1～80S-1时粘度为150mPa·s～500mPa·s的无机聚合物料浆；
所述的硅溶胶的质量浓度为25％～45％；
二、清洗碳纤维毡：将碳纤维毡先放入丙酮中清洗1h～3h，再放入无水乙醇中清洗1h～3h，然后平放在玻璃板上，在温度为50～80℃条件下烘干，得到清洗后的碳纤维毡；
所述的清洗后的碳纤维毡厚度为1mm～10mm；
三、制备预制材料坯体：将步骤二得到的清洗后的碳纤维毡加入步骤一得到的无机聚合物料浆中，在超声频率为10kHz～40kHz下超声振荡3min～10min，得到预制材料，然后将预制材料层叠铺设在模具中，共铺设1～10层，每铺设1～3层抽一次真空，每次抽真空后的真空度约为-0.08MPa～-0.1MPa，得到预制材料坯体；
四、制备碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料：将步骤三得到的预制材料坯体置于真空箱内，在真空度为-0.08MPa～-0.1MPa的条件下垂直预制材料坯体表面施加0MPa～1MPa的机械压力，取出后置于温度为60～80℃的干燥箱内养护48h～84h，得到碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料；
所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为1％～5％。
本发明的有益效果
本发明制备得到的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料工艺简单，提高现有材料的热学性能，可大面积制备，适用范围更广泛，制得的复合材料力学性能好，复合材料密度为1.4g/cm3～2g/cm3之间，抗弯强度可以达到55MPa～70MPa，弹性模量可达到3GPa～6GPa，断裂韧性可达到1.0MPa·m1/2～1.1MPa·m1/2，断裂功可达到1500J/m2～2500J/m2，相比于未增强的基体材料均有提高；
本发明制备的复合材料与现有短纤维增强复合材料相比，制备更为简单，工艺性好，纤维分布均匀，分散性好，强度高，韧性好；
本发明制备的复合材料与现有长纤维增强复合材料相比，各向同性性好，制备条件节能环保，该复合材料耐热好，可在高温稳定使用，耐腐蚀，并且不释放有毒气体，成本低，尺寸大小、厚度可控性好，适于制备复杂形状构件、适于制备各种厚度、大尺寸的板材。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料由无机聚合物料浆和碳纤维毡制备而成；所述的无机聚合物料浆由氢氧化钾、硅溶胶和铝硅酸盐粉体制备而成；
所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为1％～5％；
所述的碳纤维毡厚度为1mm～10mm；
所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:(0.5～1.5)；
所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1；
所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为(1～4):1；
所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S-1～80S-1时粘度为150mPa·s～500mPa·s的无机聚合物料浆；
所述的硅溶胶的质量浓度为25％～45％。
本实施方式的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料力学性能好，复合材料密度为1.4g/cm3～2g/cm3之间，抗弯强度可以达到55MPa～70MPa，弹性模量可达到3GPa～6GPa，断裂韧性可达到1.0MPa·m1/2～1.1MPa·m1/2，断裂功可达到1500J/m2～2500J/m2，相比于未增强的基体材料均有提高。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:1。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为1.6:1。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的铝硅酸盐粉体为偏高岭土粉体；所述的偏高岭土粉体是将高岭土在温度为700～800℃条件下煅烧2h～4h得到的。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是所述的硅溶胶的质量浓度为30％。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为4％～5％。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的碳纤维毡厚度为1.5mm。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、配置无机聚合物料浆：将氢氧化钾加入到硅溶胶中，在磁力搅拌速度为10r/min～1000/min的条件下磁力搅拌混合20h～72h，得到混合溶液，然后将混合溶液置于温度为0～5℃的冰水浴中，再加入铝硅酸盐粉体，在搅拌速度为10r/min～2000r/min的条件下机械搅拌25min～35min，得到无机聚合物料浆；
所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:(0.5～1.5)；
所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1；
所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为(1～4):1；
所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S-1～80S-1时粘度为150mPa·s～500mPa·s的无机聚合物料浆；
所述的硅溶胶的质量浓度为25％～45％；
二、清洗碳纤维毡：将碳纤维毡先放入丙酮中清洗1h～3h，再放入无水乙醇中清洗1h～3h，然后平放在玻璃板上，在温度为50～80℃条件下烘干，得到清洗后的碳纤维毡；
所述的清洗后的碳纤维毡厚度为1mm～10mm；
三、制备预制材料坯体：将步骤二得到的清洗后的碳纤维毡加入步骤一得到的无机聚合物料浆中，在超声频率为10kHz～40kHz下超声振荡3min～10min，得到预制材料，然后将预制材料层叠铺设在模具中，共铺设1～10层，每铺设1～3层抽一次真空，每次抽真空后的真空度约为-0.08MPa～-0.1MPa，得到预制材料坯体；
四、制备碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料：将步骤三得到的预制材料坯体置于真空箱内，在真空度为-0.08MPa～-0.1MPa的条件下垂直预制材料坯体表面施加0MPa～1MPa的机械压力，取出后置于温度为60～80℃的干燥箱内养护48h～84h，得到碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料；
所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为1％～5％。
本实施方式制备得到的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料工艺简单，提高现有材料的热学性能，可大面积制备，适用范围更广泛，制得的复合材料力学性能好，复合材料密度为1.4g/cm3～2g/cm3之间，抗弯强度可以达到55MPa～70MPa，弹性模量可达到3GPa～6GPa，断裂韧性可达到1.0MPa·m1/2～1.1MPa·m1/2，断裂功可达到1500J/m2～2500J/m2，相比于未增强的基体材料均有提高；
本实施方式制备的复合材料与现有短纤维增强复合材料相比，制备更为简单，工艺性好，纤维分布均匀，分散性好，强度高，韧性好；
本实施方式制备的复合材料与现有长纤维增强复合材料相比，各向同性性好，制备条件节能环保，该复合材料耐热好，可在高温稳定使用，耐腐蚀，并且不释放有毒气体，成本低，尺寸大小、厚度可控性好，适于制备复杂形状构件、适于制备各种厚度、大尺寸的板材。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤一中所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:1。其他步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是：步骤一中所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为1.6:1。其他步骤及参数与具体实施方式八或九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式八至十之一不同的是：步骤一中所述的铝硅酸盐粉体为偏高岭土粉体；所述的偏高岭土粉体是将高岭土在温度为700～800℃条件下煅烧2h～4h得到的。其他步骤及参数与具体实施方式八至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式八至十一之一不同的是：步骤一中所述的硅溶胶的质量浓度为30％。其他步骤及参数与具体实施方式八至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式八至十二之一不同的是：步骤二中在温度为60℃条件下烘干，得到清洗后的碳纤维毡。其他步骤及参数与具体实施方式八至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式八至十三之一不同的是：步骤二中所述的清洗后的碳纤维毡厚度为1.5mm。其他步骤及参数与具体实施方式八至十三之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式八至十四之一不同的是：步骤三中共铺设6～10层，每铺设2层抽一次真空，每次抽真空后的真空度约为-0.1MPa。其他步骤及参数与具体实施方式八至十四之一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式八至十五之一不同的是：步骤四中所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为4％～5％。其他步骤及参数与具体实施方式八至十五之一相同。
用以下试验来验证本发明的有益效果
试验一、本试验的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料由无机聚合物料浆和碳纤维毡制备而成；所述的无机聚合物料浆由氢氧化钾、硅溶胶和铝硅酸盐粉体制备而成；
所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为5％；
所述的碳纤维毡厚度为1.5mm；
所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:1；
所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1；
所述的铝硅酸盐粉体为偏高岭土粉体；
所述的偏高岭土粉体是将高岭土在温度为800℃条件下煅烧2h得到的；
所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为1.6:1；
所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S-1～80S-1时粘度为150mPa·s～500mPa·s的无机聚合物料浆；
所述的硅溶胶的质量浓度为30％。
试验二、制备试验一的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的方法按以下步骤进行：
一、配置无机聚合物料浆：将氢氧化钾加入到硅溶胶中，在磁力搅拌速度为10r/min～1000/min的条件下磁力搅拌混合72h，得到混合溶液，然后将混合溶液置于温度为0℃的冰水浴中，再加入铝硅酸盐粉体，在搅拌速度为10r/min～2000r/min的条件下机械搅拌30min，得到无机聚合物料浆；
所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:1；
所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1；
所述的铝硅酸盐粉体为偏高岭土粉体；
所述的偏高岭土粉体是将高岭土在温度为800℃条件下煅烧2h得到的；
所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为1.6:1；
所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S-1～80S-1时粘度为150mPa·s～500mPa·s的无机聚合物料浆；
所述的硅溶胶的质量浓度为30％；
二、清洗碳纤维毡：将碳纤维毡先放入丙酮中清洗3h，再放入无水乙醇中清洗3h，然后平放在玻璃板上，在温度为60℃条件下烘干，得到清洗后的碳纤维毡；
所述的清洗后的碳纤维毡厚度为1.5mm；
三、制备预制材料坯体：将步骤二得到的清洗后的碳纤维毡加入步骤一得到的无机聚合物料浆中，在超声频率为40kHz下超声振荡10min，得到预制材料，然后将预制材料层叠铺设在模具中，共铺设6层，每铺设2层抽一次真空，每次抽真空后的真空度约为-0.1MPa，得到预制材料坯体；
四、制备碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料：将步骤三得到的预制材料坯体置于真空箱内，在真空度为-0.1MPa的条件下垂直预制材料坯体表面施加1MPa的机械压力，取出后置于温度为70℃的干燥箱内养护72h，得到碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料；
所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为5％。
(一)根据GB/T1965-1996检测标准对试验二得到的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料性能进行检测，过程如下：
抗弯强度测试，在岛津AG-50KNIS型万能试验机上通过三点弯曲法测定，试样尺寸为3×4×36mm3，上压头移动速率为0.5mm·min-1，跨距为30mm。
采用试样受拉面贴应变片法测量弯曲试验过程中材料的应变，并根据斜率法计算弹性模量。
断裂韧性通过单边缺口梁弯曲试验测定材料，试样尺寸为2×4×24mm3，跨距16mm，切口深度为2mm。
断裂功根据抗弯强度测试的载荷-位移曲线上，载荷下降10％时的载荷位移曲线的面积，根据公式：断裂功＝曲线面积/试样宽度·试样高度。
每个数据取6个测试样的平均值。
本试验的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的抗弯强度为60.59±2.34MPa，弹性模量为5.3±0.4GPa，断裂功为2466.4±324.7J/m2，断裂韧性为1.04±0.36MPa·m1/2。
试验三、制备试验一的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的方法按以下步骤进行：
一、配置无机聚合物料浆：将氢氧化钾加入到硅溶胶中，在磁力搅拌速度为10r/min～1000/min的条件下磁力搅拌混合72h，得到混合溶液，然后将混合溶液置于温度为0℃的冰水浴中，再加入铝硅酸盐粉体，在搅拌速度为10r/min～2000r/min的条件下机械搅拌30min，得到无机聚合物料浆；
所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:1；
所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1；
所述的铝硅酸盐粉体为偏高岭土粉体；
所述的偏高岭土粉体是将高岭土在温度为800℃条件下煅烧2h得到的；
所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为1.6:1；
所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S-1～80S-1时粘度为150mPa·s～500mPa·s的无机聚合物料浆；
所述的硅溶胶的质量浓度为30％；
二、清洗碳纤维毡：将碳纤维毡先放入丙酮中清洗3h，再放入无水乙醇中清洗3h，然后平放在玻璃板上，在温度为60℃条件下烘干，得到清洗后的碳纤维毡；
所述的清洗后的碳纤维毡厚度为1.5mm；
三、制备预制材料坯体：将步骤二得到的清洗后的碳纤维毡加入步骤一得到的无机聚合物料浆中，在超声频率为40kHz下超声振荡10min，得到预制材料，然后将预制材料层叠铺设在模具中，共铺设8层，每铺设2层抽一次真空，每次抽真空后的真空度约为-0.1MPa，得到预制材料坯体；
四、制备碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料：将步骤三得到的预制材料坯体置于真空箱内，在真空度为-0.1MPa的条件下垂直预制材料坯体表面施加1MPa的机械压力，取出后置于温度为70℃的干燥箱内养护72h，得到碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料；
所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为4.5％。
(一)根据GB/T1965-1996检测标准对试验二得到的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料性能进行检测，过程如下：
抗弯强度测试，在岛津AG-50KNIS型万能试验机上通过三点弯曲法测定，试样尺寸为3×4×36mm3，上压头移动速率为0.5mm·min-1，跨距为30mm。
采用试样受拉面贴应变片法测量弯曲试验过程中材料的应变，并根据斜率法计算弹性模量。
断裂韧性通过单边缺口梁弯曲试验测定材料，试样尺寸为2×4×24mm3，跨距16mm，切口深度为2mm。
断裂功根据抗弯强度测试的载荷-位移曲线上，载荷下降10％时的载荷位移曲线的面积，根据公式：断裂功＝曲线面积/试样宽度·试样高度。
每个数据取6个测试样的平均值。
本试验的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的抗弯强度为58.0±7.5MPa，弹性模量为4.1±0.4GPa，断裂功为2269.5±209.8J/m2，断裂韧性为1.03±0.13MPa·m1/2。
试验四、制备试验一的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的方法按以下步骤进行：
一、配置无机聚合物料浆：将氢氧化钾加入到硅溶胶中，在磁力搅拌速度为10r/min～1000/min的条件下磁力搅拌混合72h，得到混合溶液，然后将混合溶液置于温度为0℃的冰水浴中，再加入铝硅酸盐粉体，在搅拌速度为10r/min～2000r/min的条件下机械搅拌30min，得到无机聚合物料浆；
所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:1；
所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1；
所述的铝硅酸盐粉体为偏高岭土粉体；
所述的偏高岭土粉体是将高岭土在温度为800℃条件下煅烧2h得到的；
所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为1.6:1；
所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S-1～80S-1时粘度为150mPa·s～500mPa·s的无机聚合物料浆；
所述的硅溶胶的质量浓度为30％；
二、清洗碳纤维毡：将碳纤维毡先放入丙酮中清洗3h，再放入无水乙醇中清洗3h，然后平放在玻璃板上，在温度为60℃条件下烘干，得到清洗后的碳纤维毡；
所述的清洗后的碳纤维毡厚度为1.5mm；
三、制备预制材料坯体：将步骤二得到的清洗后的碳纤维毡加入步骤一得到的无机聚合物料浆中，在超声频率为40kHz下超声振荡10min，得到预制材料，然后将预制材料层叠铺设在模具中，共铺设10层，每铺设2层抽一次真空，每次抽真空后的真空度约为-0.1MPa，得到预制材料坯体；
四、制备碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料：将步骤三得到的预制材料坯体置于真空箱内，在真空度为-0.1MPa的条件下垂直预制材料坯体表面施加1MPa的机械压力，取出后置于温度为70℃的干燥箱内养护72h，得到碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料；
所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为4％。
(一)根据GB/T1965-1996检测标准对试验二得到的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料性能进行检测，过程如下：
抗弯强度测试，在岛津AG-50KNIS型万能试验机上通过三点弯曲法测定，试样尺寸为3×4×36mm3，上压头移动速率为0.5mm·min-1，跨距为30mm。
采用试样受拉面贴应变片法测量弯曲试验过程中材料的应变，并根据斜率法计算弹性模量。
断裂韧性通过单边缺口梁弯曲试验测定材料，试样尺寸为2×4×24mm3，跨距16mm，切口深度为2mm。
断裂功根据抗弯强度测试的载荷-位移曲线上，载荷下降10％时的载荷位移曲线的面积，根据公式：断裂功＝曲线面积/试样宽度·试样高度。
每个数据取6个测试样的平均值。
本试验的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的抗弯强度为52.4±0.6MPa，弹性模量为5.5±0.5GPa，断裂功为1618.2±162.8J/m2，断裂韧性为1.09±0.21MPa·m1/2。

Claims (10)

1.一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料，其特征在于一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料由无机聚合物料浆和碳纤维毡制备而成；所述的无机聚合物料浆由氢氧化钾、硅溶胶和铝硅酸盐粉体制备而成；
所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为1％～5％；
所述的碳纤维毡厚度为1mm～10mm；
所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:(0.5～1.5)；
所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1；
所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为(1～4):1；
所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S-1～80S-1时粘度为150mPa·s～500mPa·s的无机聚合物料浆；
所述的硅溶胶的质量浓度为25％～45％。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料，其特征在于所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:1；所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为1.6:1。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料，其特征在于所述的铝硅酸盐粉体为偏高岭土粉体；所述的偏高岭土粉体是将高岭土在温度为700～800℃条件下煅烧2h～4h得到的。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料，其特征在于所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为4％～5％；所述的碳纤维毡厚度为1.5mm。
5.一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、配置无机聚合物料浆：将氢氧化钾加入到硅溶胶中，在磁力搅拌速度为10r/min～1000/min的条件下磁力搅拌混合20h～72h，得到混合溶液，然后将混合溶液置于温度为0～5℃的冰水浴中，再加入铝硅酸盐粉体，在搅拌速度为10r/min～2000r/min的条件下机械搅拌25min～35min，得到无机聚合物料浆；
所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:(0.5～1.5)；
所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1；
所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为(1～4):1；
所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S-1～80S-1时粘度为150mPa·s～500mPa·s的无机聚合物料浆；
所述的硅溶胶的质量浓度为25％～45％；
二、清洗碳纤维毡：将碳纤维毡先放入丙酮中清洗1h～3h，再放入无水乙醇中清洗1h～3h，然后平放在玻璃板上，在温度为50～80℃条件下烘干，得到清洗后的碳纤维毡；
所述的清洗后的碳纤维毡厚度为1mm～10mm；
三、制备预制材料坯体：将步骤二得到的清洗后的碳纤维毡加入步骤一得到的无机聚合物料浆中，在超声频率为10kHz～40kHz下超声振荡3min～10min，得到预制材料，然后将预制材料层叠铺设在模具中，共铺设1～10层，每铺设1～3层抽一次真空，每次抽真空后的真空度为-0.08MPa～-0.1MPa，得到预制材料坯体；
四、制备碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料：将步骤三得到的预制材料坯体置于真空箱内，在真空度为-0.08MPa～-0.1MPa的条件下垂直预制材料坯体表面施加0MPa～1MPa的机械压力，取出后置于温度为60～80℃的干燥箱内养护48h～84h，得到碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料；
所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为1％～5％。
6.根据权利要求5所述的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:1；所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为1.6:1。
7.根据权利要求5所述的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的铝硅酸盐粉体为偏高岭土粉体；所述的偏高岭土粉体是将高岭土在温度为700～800℃条件下煅烧2h～4h得到的。
8.根据权利要求5所述的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中在温度为60℃条件下烘干，得到清洗后的碳纤维毡；所述的清洗后的碳纤维毡厚度为1.5mm。
9.根据权利要求5所述的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中共铺设6～10层，每铺设2层抽一次真空，每次抽真空后的真空度约为-0.1MPa。
10.根据权利要求5所述的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为4％～5％。
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CN111718180A (zh) * 2020-07-01 2020-09-29 北京玻钢院复合材料有限公司 一种短切碳纤维增强硅酸铝类陶瓷基复合材料及其制备方法

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