CN109896866B - 一种基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料成形加工领域，并公开了一种基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材及其制备方法。该方法在编制纤维布的两侧喷涂纳米陶瓷粉末，加热一段时间获得预浸料；将预浸料裁剪获得单层复合板材，然后将多个单层复合板材放入模具中加热加压使复合板材完全结合；最后停止加热并卸压，待冷却至室温后开模得到编制纤维复合板材。本发明在低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～200℃的温度下加热获得预浸料，能够保证纳米陶瓷粉末和编制纤维布浸渍充分的同时避免加热时间过长而过热；并通过热压成形技术，加热到高于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃或低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃的温度，从而获得兼具陶瓷和纤维性能特点的复合板材。
Description
技术领域
本发明属于复合材料成形加工领域，更具体地，涉及一种基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材及其制备方法。
背景技术
编织碳纤维增强聚合物基复合材料以聚合物为基体，采用长径比超过1000的碳纤维作为其增强相，由于连续纤维的不间断增强效应，具有超高比强度和比刚度。该新型材料是航空航天、汽车等行业承载件“以塑代钢”，实现轻量化的理想材料，应用前景十分广阔，如波音787飞机采用复合材料的零部件占总机重量的50％。
但是碳纤维增强聚合物基复合材料在高于聚合物Tg温度时，机械性能迅速降低至0.1％；同样无机金属材料在高温环境中，机械强度也会严重降低，例如：不锈钢的变形温度在300℃左右。因此，目前的碳纤维增强聚合物复合材料和无机金属材料无法满足航空航天和国防军事等高温领域的应用。
而陶瓷具有高熔点、高硬度、高耐磨性和耐氧化等优点，以陶瓷为基体、纤维为增强相的复合材料可以结合二者的优良性能。但是陶瓷的熔点很高，在复合过程中需要加热的温度过高，这会破坏纤维增强相的结构，使两者难以成功复合。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材及其制备方法，其中通过将纳米陶瓷材料均匀喷涂在编制纤维布上，通过加热加压获得复合板材，相应能够有效降低加热温度，因而尤其适用于制备复合板材之类的应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(a)在编制纤维布的两侧均匀地喷涂纳米陶瓷粉末，然后加热一段时间后获得预浸料；
(b)将冷却后的预浸料按指定的规格裁剪获得单层复合板材，然后将多个单层复合板材放入模具中加热加压使复合板材完全结合；
(c)最后停止加热并缓慢卸压，待冷却至室温后开模得到所述编制纤维复合板材。
作为进一步优选地，所述步骤(a)中纳米陶瓷粉末的粒径优选为1nm～1000nm。
作为进一步优选地，所述步骤(a)中加热的时间优选为5min～10min。
作为进一步优选地，所述步骤(a)中加热的温度低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～200℃。
作为进一步优选地，所述步骤(b)中放入模具中的单层复合板材优选为5个～10个。
作为进一步优选地，所述步骤(b)中加热的温度高于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃或低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃。
作为进一步优选地，所述步骤(b)中施加的压力优选为1MPa～500MPa。
作为进一步优选地，所述步骤(b)中加热加压的时间优选为5min～200min。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述方法制备的基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明将纳米陶瓷粉末喷涂在编制纤维布上，在低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～200℃的温度下加热5min～10min获得预浸料，能够保证纳米陶瓷粉末和编制纤维布浸渍充分的同时避免加热时间过长而过热，使预浸料的结构被破坏；
2.尤其是，本发明使用原位聚合法制备粒径为1nm～1000nm的纳米陶瓷粉末，基于纳米材料的纳米效应(小尺寸效应和表面效应)，能够有效降低陶瓷粉末的熔点，从而保证复合加热的过程中不破坏纤维的结构，实现低熔点的烧结，因此在制备复合板材时通过热压成形技术，将5个～10个单层复合板材置于模具中，加热到高于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃或低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃的温度，同时施加1MPa～500MPa的压力并保持5min～200min，就可以保证纳米陶瓷颗粒具有流动性，能够渗入到纤维结构的空隙内，最终形成高强度且不易被破坏的网状结构，保证基体与增强相有稳定的界面结合，获得的复合板材可以兼具陶瓷和纤维的性能特点，具有密度小、比强高、厚度合适等优点，强度是普通高分子材料的3倍～5倍，并且具有非常好的高温使用性能，可以满足现代结构件向轻质、高强度及在高温等恶劣条件下工作的发展需求；
3.同时，本发明采用的基体是纳米陶瓷粉末，由于纳米材料的小尺寸效应，可以保证制备的复合板材具有良好的韧性、高耐磨性、物理及化学稳定性好、耐氧化等优势，能够大大提高其力学性能和使用性能。
附图说明
图1是本发明提供的基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材的制备流程图；
图2是本发明优选实施例中使用的压片模具及压力机的示意图；
图3是本发明优选实施例中使用的取件模具及压力机的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出了一种基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材的制备方法，该方法包括如下步骤：
(a)在编制方向整齐的编制纤维布的两侧均匀地喷涂粒径优选为1nm～1000nm的纳米陶瓷粉末，该纳米陶瓷粉末采用原位聚合法获得，然后在低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～200℃的温度下加热并保温5min～10min，使纳米陶瓷粉末预浸到编制纤维布中获得预浸料；
(b)将冷却后的预浸料按指定的规格裁剪获得单层复合板材，然后将5个～10个单层复合板材放入模具中，在高于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃或低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃的温度下加热，并施加1MPa～500MPa的压力，保持5min～200min使复合板材完全结合；
(c)最后停止加热并缓慢卸压，待冷却至室温后开模得到所述编制纤维复合板材；
更具体地，因为纳米材料的小尺寸效应可以有效降低纳米陶瓷的熔点，从而在较低的烧结温度就可使纳米陶瓷与编制纤维布中的纤维复合，制备预浸料的过程中加热温度低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～200℃即可保证纳米陶瓷粉末运动浸渍充分；而复合过程中加热温度只需高于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃或低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃就能保证纳米陶瓷与纤维复合，同时避免破坏纤维的结构；此外当施加的压力过低时不易成型，施加的压力过高则会使制件出现裂纹，破坏表面。
按照本发明的一个优选实施例，采用的压片模具及压力机如图2所示，将套筒2置于基座4的上方，然后将多个单层复合板材放入模具3中并置于套筒2中，最后将压杆1置于模具3上方，通过压力机加压使复合板材完全结合；采用的取件模具及压力机如图3所示，制备完成后将基座4取出，并将套筒2置于顶出盒5的上方，用于承接被顶出的制件，从而得到编制纤维复合板材。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述方法制备的编制纤维复合板材。
现以具体的基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材的制备方法为例，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
(a)在编制方向整齐的编制纤维布的两侧均匀地喷涂粒径优选为1nm的纳米陶瓷粉末，然后在低于纳米陶瓷粉末的熔点200℃的温度下加热并保温10分钟，使纳米陶瓷粉末预浸到编制纤维布中获得预浸料；
(b)将冷却后的预浸料按指定的规格裁剪获得单层复合板材，然后将10个单层复合板材放入模具中，在高于纳米陶瓷粉末的熔点100℃的温度下加热，并加压1MPa，保持200min使复合板材完全结合；
(c)最后停止加热并缓慢卸压，待冷却至室温后开模得到所述编制纤维复合板材。
实施例2
(a)在编制方向整齐的编制纤维布的两侧均匀地喷涂粒径优选为1000nm的纳米陶瓷粉末，然后在纳米陶瓷粉末的熔点温度下加热并保温5分钟，使纳米陶瓷粉末预浸到编制纤维布中获得预浸料；
(b)将冷却后的预浸料按指定的规格裁剪获得单层复合板材，然后将8个单层复合板材放入模具中，在高于纳米陶瓷粉末的熔点55℃的温度下加热，并加压60MPa，保持5min使复合板材完全结合；
(c)最后停止加热并缓慢卸压，待冷却至室温后开模得到所述编制纤维复合板材。
实施例3
(a)在编制方向整齐的编制纤维布的两侧均匀地喷涂粒径优选为120nm的纳米陶瓷粉末，然后在低于纳米陶瓷粉末的熔点105℃的温度下加热并保温9分钟，使纳米陶瓷粉末预浸到编制纤维布中获得预浸料；
(b)将冷却后的预浸料按指定的规格裁剪获得单层复合板材，然后将5个单层复合板材放入模具中，在纳米陶瓷粉末的熔点温度下加热，并加压120MPa，保持30min使复合板材完全结合；
(c)最后停止加热并缓慢卸压，待冷却至室温后开模得到所述编制纤维复合板材。
实施例4
(a)在编制方向整齐的编制纤维布的两侧均匀地喷涂粒径优选为560nm的纳米陶瓷粉末，然后在低于纳米陶瓷粉末的熔点160℃的温度下加热并保温8分钟，使纳米陶瓷粉末预浸到编制纤维布中获得预浸料；
(b)将冷却后的预浸料按指定的规格裁剪获得单层复合板材，然后将7个单层复合板材放入模具中，在低于纳米陶瓷粉末的熔点45℃的温度下加热，并加压350MPa，保持160min使复合板材完全结合；
(c)最后停止加热并缓慢卸压，待冷却至室温后开模得到所述编制纤维复合板材。
实施例5
(a)在编制方向整齐的编制纤维布的两侧均匀地喷涂粒径优选为780nm的纳米陶瓷粉末，然后在低于纳米陶瓷粉末的熔点70℃的温度下加热并保温7分钟，使纳米陶瓷粉末预浸到编制纤维布中获得预浸料；
(b)将冷却后的预浸料按指定的规格裁剪获得单层复合板材，然后将6个单层复合板材放入模具中，在低于纳米陶瓷粉末的熔点100℃的温度下加热，并加压500MPa，保持70min使复合板材完全结合；
(c)最后停止加热并缓慢卸压，待冷却至室温后开模得到所述编制纤维复合板材。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(a)在编制纤维布的两侧均匀地喷涂纳米陶瓷粉末，然后在低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～200℃的温度下加热一段时间后获得预浸料；
(b)将冷却后的预浸料按指定的规格裁剪获得单层复合板材，然后将多个单层复合板材放入模具中加热加压使复合板材完全结合，加热的温度高于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃或低于纳米陶瓷粉末的熔点0℃～100℃；
(c)最后停止加热并缓慢卸压，待冷却至室温后开模得到所述编制纤维复合板材。
2.如权利要求1所述的基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中加热的时间为5min～10min。
3.如权利要求1所述的基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中放入模具中的单层复合板材为5个～10个。
4.如权利要求1所述的基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中施加的压力为1MPa～500MPa。
5.如权利要求1～4任一项所述的基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中加热加压的时间为5min～200min。
6.一种利用如权利要求1～5任一项所述方法制备的基于纳米陶瓷材料的编制纤维复合板材。
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