CN115785512B - 一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑物加固材料技术领域，具体公开一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料及制备方法。具体制备如下：将碳纤维进行编织，得碳纤维网格；进一步将碳纤维网格浸渍在树脂发泡体系中，将浸渍后的碳纤维网格与离型布共同收卷，分阶段固化处理，冷却，得碳纤维复合材料。本发明提供的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料，能够在受到外界应力时消耗部分应力，起到增加碳纤维复合材料抗冲击性能的作用，从而提升加固构件的抗震性能，还能够有效降低砂浆‑碳纤维网格层间剥离破坏的程度。

Description

一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料及制备方法

技术领域

本发明属于建筑物加固材料技术领域，特别涉及一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料及制备方法。

背景技术

近些年来我国的民建、桥梁领域发展迅猛，目前正处于维修加固与新建并存的阶段，这就对既有建筑的使用寿命和荷载能力等性能提出了更高的要求。但大部分现存建筑在前期设计、施工和后期保养等方面的不完善以及自然因素影响会出现一些诸如裂缝、混凝土剥落等质量隐患，这些都会对建筑结构的安全使用产生严重的消极影响。传统加固材料如增大截面用钢筋混凝土、粘钢和灌钢用钢板等具有自重大、不耐化学腐蚀等缺陷，因此，碳纤维复合材料因其高强、轻质、稳定的耐化学介质等优势逐渐被应用在加固领域，其中，以碳纤维为原材编织而得的碳纤维网格因其优异的性能、自重小、占用面积小和可承受横向、纵向载荷等优势被广泛应用在混凝土结构、砌体结构等建筑加固领域中。

但是碳纤维网格在施工过程中需要与砂浆配合使用，而砂浆与构件基面之间天然存在优异的界面相容性，因此提升碳纤维网格与砂浆界面间的结合力对提升被加固建筑整体的荷载能力及加固效果有着重大意义。近年来对增加碳纤维网格与砂浆界面结合力的方法不断被提出，包括对碳纤维的表面化学改性(液相氧化法、气相氧化法和化学气相沉积法)、浸胶过程中添加硅烷偶联剂、通过喷砂或者脱模布等增大碳纤维网格涂层的粗糙度、砂浆中添加羟甲基纤维素、施工时涂抹界面胶等，但是以上方法也会存在一些问题，比如会造成碳纤维原始强度降低、操作复杂、涉及到危险化学品的使用、界面间嵌合效果不好等问题。这些都会对碳纤维网格加固系统的加固效果产生消极影响，引发诸多安全隐患，还会存在砂浆与碳纤维网格之间界面结合力作用有限、荷载能力差和使用寿命短等问题。因此探索一种提高砂浆和碳纤维复合材料之间界面的结合力，进一步提升被加固构件荷载能力和使用寿命的加固方法具有重大意义。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料及制备方法，通过对发泡技术进行优化，得到在碳纤维网格中具有三维开孔结构的发泡涂层，进一步增大了砂浆与碳纤维网格之间界面接触面积，使砂浆渗透到碳纤维复合材料中形成互穿结构，二者之间从而形成互锁锚固结构，显著提高了砂浆和碳纤维复合材料之间界面的结合力，进一步显著提升了被加固构件的荷载能力和使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

本发明提供一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤a、将碳纤维进行编织，得碳纤维网格；其中，所述碳纤维网格的经线和纬线的扩展宽度为5mm-8mm；

步骤b、将所述碳纤维网格浸渍在树脂发泡体系中，分阶段固化处理，冷却，得初级碳纤维复合材料。

相对于现有技术，本发明提供的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，通过对碳纤维网格进行编织，将其经线和纬线的宽度扩展至5mm-8mm，使得碳纤维网格经线和纬线的内部微观结构不再以集束的形式存在，有利于后续树脂发泡体系的充分浸润，保证泡孔在碳纤维丝束表面、内部的均匀充分分布；通过进行分阶段固化处理，未完全固化且具有一定韧性的树脂体系受到发泡体系分解产生的大量气体冲击而形成开孔发泡结构，从而形成具有特定的相互连通的三维开孔泡沫结构的发泡涂层，可显著提高所制备的碳纤维复合材料与砂浆层的结合力；离型布表面固有的纹路能够在发泡涂层表明形成印痕，在三维开孔泡沫结构的基础上更大程度地增加砂浆与碳纤维复合材料之间的接触面积，从而实现二次机械嵌合。

本发明创造性地将碳纤维网格的纤维束进行扩展，并浸渍在特定的树脂发泡体系中进一步通过分阶段固化处理形成特定的发泡涂层，得到具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料，使得砂浆在施工过程中能够进入到发泡涂层的三维开孔泡沫结构中，构筑了碳纤维网格与砂浆之间的互穿结构，能够有效提升其与砂浆的界面性能，通过提高了碳纤维复合材料的抗冲击性能，进而可以提升加固构件的抗震性能和荷载能力，降低砂浆-碳纤维网格层间剥离破坏。

需要进一步说明的是，步骤a中，还需将浸渍后的碳纤维网格与离型布共同收卷再进行分阶段固化处理。

优选的，步骤a中碳纤维进行编织的具体步骤为：

通过纱架与送经机构引出碳纤维经线和热熔绞线，通过引纬机构引出碳纤维纬线，将所述碳纤维经线、碳纤维纬线与热熔绞线进行编织，对经线和纬线搭接处进行粘合，得初级碳纤维网格；将所述初级碳纤维网格放置在设置有出气孔的模板上，通过向出气孔吹入气体，将所述经线和纬线吹至扩展宽度为5mm-8mm，得碳纤维网格。

需要进一步说明的是，对碳纤维经线和碳纤维纬线搭接处进行粘合时使用的是热熔胶线。

进一步优选的，所述碳纤维可选用12k碳纤维。

优选的，所述初级碳纤维网格由等间距平行设置的若干碳纤维经线和等间距平行设置的若干碳纤维纬线组成的方形网格组成，所述碳纤维经线和碳纤维纬线相互垂直；相邻两碳纤维经线之间和相邻两碳纤维纬线之间的距离均为20mm-50mm；

所述出气孔设置于每一碳纤维经线和每一碳纤维纬线的正下方，且位于每一所述方形网格的四周线段的中点处；

所述出气孔的孔径为1mm-2mm，气体的吹入速度为0.5L/min-1L/min。

优选的，所述树脂发泡体系包括环氧树脂体系、发泡温度为140℃-160℃的发泡剂和壬基酚类表面活性剂；其中，所述环氧树脂体系包括环氧树脂，固化温度为150℃-160℃的主固化剂和固化温度为180℃-200℃的助固化剂。

优选的发泡剂的发泡温度与主固化剂的固化温度相匹配，有利于前期泡孔的形成，进一步促进后续形成稳定的三维开孔泡沫结构。

优选的，所述环氧树脂为双酚A型、双酚F型或双酚S型环氧树脂中至少一种。

优选的，所述主固化剂为芳香胺或脂环胺中至少一种。

优选的，所述助固化剂为芳香胺或酸酐中至少一种。

优选的，所述发泡剂为偶氮类发泡剂、磺酰肼类发泡剂或苯砜类发泡剂。

示例性的，作为优选的实施例，本发明所述树脂发泡体系还可以添加环氧稀释剂和增韧剂。

示例性的，作为优选的实施例，所述环氧稀释剂的用量与环氧树脂的以用量的比例为1:10-20，其中，环氧稀释剂和环氧树脂均以环氧值计；所述增韧剂的用量为环氧树脂体系质量的1％-3％。

优选的，所述环氧树脂的环氧值为0.5mol/100g-0.6mol/100g。

优选的，所述主固化剂和助固化剂的总量与环氧树脂的摩尔比为0.85-0.95:1，其中，所述主固化剂和助固化剂以活泼氢计，环氧树脂以环氧值计。

优选的，所述主固化剂与环氧树脂的摩尔比为0.4-0.45:1；所述助固化剂与环氧树脂的摩尔比为0.45-0.5:1；其中，所述主固化剂和助固化剂以活泼氢计，环氧树脂以环氧值计。

优选的比例有利于三维开孔泡沫结构的形成；比例过低会造成泡孔壁强度不足而导致泡孔坍塌，比例过高会使环氧树脂具备较高的强度，泡孔不能突破环氧树脂形成三维开孔泡沫结构。

优选的，所述主固化剂的以活泼氢计的投料量与环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例为0.4-0.45:1；所述助固化剂的以活泼氢计的投料量与环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例为0.45-0.5:1；其中，以环氧值计的投料量的单位为mol，以活泼氢计的总投料量的单位为mol。

环氧树脂的交联固化反应与发泡反应同时进行，由于交联固化反应为阶段性进行，而发泡剂的分解为瞬时反应，所以先控制主固化剂与环氧树脂的交联固化反应；通过确定主固化剂的以活泼氢计的投料量和环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例，可控制主固化剂在前期交联反应时仅反应至凝胶状态，有利于后期三维开孔泡沫结构的形成；主固化剂的以活泼氢计的投料量和环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例偏高时，使得泡孔不能突破环氧树脂形成三维开孔泡沫结构，比值太低，会造成泡孔坍塌，不能形成三维开孔泡沫结构；进一步通过控制助固化剂的以活泼氢计的投料量与环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例，有利于消耗环氧树脂剩余的环氧官能团，有利于碳纤维网格结构及三维开孔泡沫结构的定型。

优选的，所述发泡剂的添加量为环氧树脂体系总质量的5％-8％。

优选的发泡剂的添加量有利于后期泡孔形成时产生的气流能够冲击泡孔使其冲破树脂结构进而形成三维开孔泡沫结构，添加量过少导致泡沫形成闭孔结构，添加量过多导致气流释放猛烈泡孔结构过于破碎。

优选的，所述壬基酚类表面活性剂添加量为环氧树脂体系总质量的5％-7％。

壬基酚类表面活性剂的添加量过低会导致树脂体系的表面张力过大，无法浸润到碳纤维网格的经线和纬线内部，壬基酚类表面活性剂的添加量过高会导致形成的泡孔结构过于稳定，难以形成三维开孔泡沫结构，优选的壬基酚类表面活性剂的添加量有利于三维开孔泡沫结构的形成。

优选的，步骤b中，所述分阶段固化处理时，将收卷后的碳纤维网格以6r/min-12r/min的转速翻转。

富胶区的产生会剧烈放气，破坏附近碳纤维网格的结构，最终影响三维开孔泡沫结构，通过步骤b中优选的转速可以有效的防止胶体流坠而在底部产生富胶区。

优选的，步骤b中，所述分阶段固化处理包括第一固化处理阶段、第二固化处理阶段和第三固化处理阶段。

优选的，所述第一固化处理阶段的温度为120℃-130℃，时间为1h-2h；所述第二固化处理阶段的温度为150℃-160℃，时间为1h-1.5h；所述第三固化处理阶段的温度为180℃-200℃，时间为1h-3h。

第一阶段的固化处理的温度过高，导致发泡剂分解产生的气体更多用于泡孔生长，而导致泡孔核产生的数量过少，不利于最终与砂浆的锚固；温度过低，导致化学反应无法发生；优选的第一阶段的固化处理的温度可促进泡孔核的产生与初步生长；第二阶段为发泡剂大量分解产生气体即泡孔生长阶段，此时主固化剂开始参与到环氧树脂的固化交联反应中，此阶段环氧树脂的固化度仅可达到40％-45％左右，环氧树脂体系呈现凝胶状态，其强度不足；此时发泡剂在此温度下分解产生的大量气体冲击泡孔使其突破环氧树脂体系形成三维开孔泡沫结构；第三阶段属于固化定型阶段，发泡反应已进行完全，通过限定第三阶段的固化处理的温度，助固化剂发挥作用迅速提升树脂体系的交联密度，保证碳纤维网格的宏观结构与泡孔的微观结构的稳定性。

本发明还提供一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料，由上述具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法制备得到。

优选的，所述碳纤维网格与树脂发泡体系的比例为1m²:0.15kg-0.2kg。

相对于现有技术，本发明包括如下几个发明点：

(1)通过对碳纤维网格中附着的胶体进行交联固化反应和发泡反应，得到具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料，使得砂浆能够进入到碳纤维复合材料的三维开孔泡沫结构中形成互穿结构以提升二者之间的界面性能与整个加固体系的荷载性能；

(2)通过对碳纤维网格进行展丝处理，有利于发泡前期大量泡孔核进入到碳纤维网格的经线和纬线内部，后期在碳纤维网格的经线和纬线内部及表面形成均匀完善的三维开孔泡沫结构；

(3)本发明采用了梯度固化的方式，其中，第一阶段的固化温度的选择，可以促进泡孔核的产生与初步生长；第二阶段的固化温度的选择，使主固化剂与环氧树脂发生交联固化反应至凝胶状态，以保证泡孔形成时产生的气流能够冲击冲击泡孔使其突破环氧树脂体系形成三维开孔泡沫结构；第三阶段的固化温度的选择，可使助固化剂开始加入到反应中，使三维开孔泡沫结构定型并提升树脂体系的强度，保证在施工过程中能够嵌入到砂浆中；

(4)本发明限定了主固化剂与助固化剂的以活泼氢计的总投料量和环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例为0.9:1，并进一步限定了主固化剂的以活泼氢计的投料量和环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例以及助固化剂的以活泼氢计的投料量和环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例；通过确定主固化剂的以活泼氢计的总投料量和环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例，可控制主固化剂在前期交联反应时反应至凝胶状态，有利于后期三维开孔泡沫结构的形成；进一步通过控制助固化剂的以活泼氢计的投料量与环氧树脂的以环氧值计的投料量比例，有利于消耗环氧树脂剩余的环氧官能团，有利于碳纤维网格结构及三维开孔泡沫结构的定型；

(5)在浸胶槽中加入离型布，离型布表面固有的纹路能够在发泡涂层表明形成印痕，在三维开孔泡沫结构的基础上更大程度地增加砂浆与碳纤维复合材料之间的接触面积，从而实现二次机械嵌合。

本发明提供的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，不需要对碳纤维网格进行化学处理，最大程度地保留了其初始的高强度，并且操作简单，不会涉及到一些危险化学品的使用，通过特定的方法制备得到的发泡涂层具有三维开孔泡沫结构，能做在受到外界应力时能够消耗部分应力，起到增加碳纤维复合材料抗冲击性能的作用，从而提升加固构件的抗震性能，还能够降低砂浆-碳纤维网格层间剥离破坏的程度。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备得到的发泡涂层的微观结构表征图。

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，以下结合实施例和附图，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。

实施例1

本实施例提供一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，具体操作如下：

步骤a、碳纤维网格的原材料为常规的12k碳纤维，网格的编织采用常规二维编织，将12k碳纤维原丝和热熔胶线通过纱架引出，12k碳纤维原丝作为经线，同时，由引纬机构将12k碳纤维原丝引入经纱层，并通过打纬机构将新引入的的12k碳纤维原丝作为纬线推向织口形成网格织物，其中，网格织物由等间距平行设置的若干经线和等间距平行设置的若干纬线组成的方形网格组成，经线和纬线相互垂直相邻两经线之间和相邻两纬线之间的距离均为20mm；之后结构松散的网格织物通过加热机构后，热熔胶线熔融对经线和纬线搭接处进行粘合，冷却将网格织物结构定型，随后，定型的网格织物进行收卷；将定型的网格织物过模板，将其放置在设置有出气孔的模板上，其中，出气孔设置于每一经线和每一纬线的正下方，且位于每一所述方形网格的四周线段的中点处，孔径为2mm，出气孔出入速度为0.5L/min。以将所述经线和纬线吹至扩展宽度为5mm，得碳纤维网格；

步骤b、在浸胶槽中加入树脂发泡体系和碳纤维网格，将浸渍后的碳纤维网格与离型布共同收卷，进行分阶段固化处理，第一固化处理阶段的温度为120℃，时间为1h，第二固化处理阶段的温度为150℃，时间为1.5h，第三固化处理阶段的温度为200℃，时间为1h，固化处理时，将收卷后的碳纤维网格在鼓风烘箱进行固化处理时保持6r/min的速率翻转，固化完成后冷却至室温，得碳纤维复合材料；

其中，制备1m²碳纤维网格所浸树脂发泡体系使用量为0.2kg，主固化剂与助固化剂的以活泼氢计的总投料量和环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例为0.9:1，其中主固化剂占0.4投料比，助固化剂占0.5投料比，发泡剂投料量为环氧树脂体系总质量的6％，壬基酚类表面活性剂投料量为环氧树脂体系总质量的6％，树脂发泡体系的具体组成比例如下表所示：

实施例2

本实施例提供一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，具体操作如下：

步骤a、碳纤维网格的原材料为常规的12k碳纤维，网格的编织采用常规二维编织，将12k碳纤维原丝和热熔胶线通过纱架引出，12k碳纤维原丝作为经线，同时，由引纬机构将12k碳纤维原丝引入经纱层，并通过打纬机构将新引入的的12k碳纤维原丝作为纬线推向织口形成网格织物，其中，网格织物由等间距平行设置的若干经线和等间距平行设置的若干纬线组成的方形网格组成，经线和纬线相互垂直相邻两经线之间和相邻两纬线之间的距离均为50mm；之后结构松散的网格织物通过加热机构后，热熔胶线熔融对经线和纬线搭接处进行粘合，冷却将网格织物结构定型，随后，定型的网格织物进行收卷；将定型的网格织物过模板，将其放置在设置有出气孔的模板上，其中，出气孔设置于每一经线和每一纬线的正下方，且位于每一所述方形网格的四周线段的中点处，孔径为1mm，出气孔出入速度为1L/min。以将所述经线和纬线吹至扩展宽度为8mm，得碳纤维网格；

步骤b、在浸胶槽中加入树脂发泡体系和碳纤维网格，将浸渍后的碳纤维网格与离型布共同收卷，进行分阶段固化处理，第一固化处理阶段的温度为130℃，时间为2h，第二固化处理阶段的温度为160℃，时间为1h，第三固化处理阶段的温度为180℃，时间为3h，固化处理时，将收卷后的碳纤维网格在鼓风烘箱进行固化处理时保持6r/min的速率翻转，固化完成后冷却至室温，得碳纤维复合材料；

其中，制备1m²碳纤维网格所浸树脂发泡体系使用量为0.15kg，主固化剂与助固化剂的以活泼氢计的总投料量和环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例为0.95:1，其中主固化剂占0.45投料比，助固化剂占0.5投料比，发泡剂投料量为环氧树脂体系总质量的5％，壬基酚类表面活性剂投料量为环氧树脂体系总质量的7％，树脂发泡体系的具体组成比例如下表所示：

实施例3

本实施例提供一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，具体操作如下：

步骤a、碳纤维网格的原材料为常规的12k碳纤维，网格的编织采用常规二维编织，将12k碳纤维原丝和热熔胶线通过纱架引出，12k碳纤维原丝作为经线，同时，由引纬机构将12k碳纤维原丝引入经纱层，并通过打纬机构将新引入的的12k碳纤维原丝作为纬线推向织口形成网格织物，其中，网格织物由等间距平行设置的若干经线和等间距平行设置的若干纬线组成的方形网格组成，经线和纬线相互垂直相邻两经线之间和相邻两纬线之间的距离均为40mm；之后结构松散的网格织物通过加热机构后，热熔胶线熔融对经线和纬线搭接处进行粘合，冷却将网格织物结构定型，随后，定型的网格织物进行收卷；将定型的网格织物过模板，将其放置在设置有出气孔的模板上，其中，出气孔设置于每一经线和每一纬线的正下方，且位于每一所述方形网格的四周线段的中点处，孔径为1.5mm，出气孔出入速度为0.7L/min。以将所述经线和纬线吹至扩展宽度为7mm，得碳纤维网格；

步骤b、在浸胶槽中加入树脂发泡体系和碳纤维网格，将浸渍后的碳纤维网格与离型布共同收卷，进行分阶段固化处理，第一固化处理阶段的温度为125℃，时间为1.5h，第二固化处理阶段的温度为155℃，时间为1.2h，第三固化处理阶段的温度为190℃，时间为2h，固化处理时，树脂发泡体系和碳纤维网格在鼓风烘箱进行固化处理时保持10r/min的速率翻转，固化完成后冷却至室温，得碳纤维复合材料；

其中，制备1m²碳纤维网格所浸树脂发泡体系使用量为0.2kg，主固化剂与所述助固化剂的以活泼氢计的总投料量和环氧树脂的以环氧值计的投料量的比例为0.95:1，其中主固化剂占0.45投料比，助固化剂占0.45投料比，发泡剂投料量为环氧树脂体系总质量的8％，壬基酚类表面活性剂投料量为环氧树脂体系总质量的5％，树脂发泡体系的具体组成比例如下表所示：

对比例1

与实施例1相比，本对比例与实施例1的不同在于：制备得到的碳纤维网格仅浸渍环氧树脂体系，其他操作步骤和实施例1相同。

应用例

将本发明实施例1-3和对比例1的产品按GB 50550-2010《建筑结构加固工程施工质量验收规范》附录U“粘结材料粘合加固材与基材的正拉粘结强度现场测定方法及评定标准”进行试验与测定，并检测动载条件下的正拉粘结强度以模拟桥梁加固现场车辆过往时的桥体震动，检测结果如表1所示：

检测项目	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1
					正拉粘结强度(MPa)	4.1	3.7	3.9	2.7
动载下正拉粘结强度(MPa)	4.0	3.5	3.8	2.1

对实施例1-3及对比例1进行与C30混凝土的正拉粘结强度测试，试验构件选用C30强度的混凝土梁，试验位置为顶面试验。观察试验结果，发现实施例1-3制得的碳纤维复合材料正拉粘结相较于对比例1，强度分别提升了52％、37％、44％，这是由于具有三维开孔泡沫结构的碳纤维网格在施工时可以嵌入砂浆层，由于机械啮合作用形成三维穿插结构，待砂浆固化后二者紧密结合协同受力，具有更高的正拉粘结强度；实施例1-3在振荡器外力作用下正拉粘结强度分别下降2.4％、5.4％、2.6％，而对比例1下降了22.2％，由于三维穿插结构相比于界面粘合具有更高的抗动载荷作用，且中空的三维开孔泡沫结构可以在外界施加动载时起到更好的能量吸收作用。因此本发明所制备的一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料相比于传统制备工艺，在与砂浆层界面结合及抗震方面具有显著的提升效果，有效的保障了加固后构件的承载力提升及加固安全性。

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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a、将碳纤维进行编织，得碳纤维网格；其中，所述碳纤维网格的经线和纬线的扩展宽度为5mm-8mm；

步骤b、将所述碳纤维网格浸渍在树脂发泡体系中，分阶段固化处理，冷却，得初级碳纤维复合材料；

步骤b中，所述树脂发泡体系包括环氧树脂体系、发泡温度为140℃-160℃的发泡剂和壬基酚类表面活性剂；

步骤b中，所述分阶段固化处理包括第一固化处理阶段、第二固化处理阶段和第三固化处理阶段；所述第一固化处理阶段的温度为120℃-130℃，时间为1h-2h；所述第二固化处理阶段的温度为150℃-160℃，时间为1h-1.5h；所述第三固化处理阶段的温度为180℃-200℃，时间为1h-3h。

2.如权利要求1所述的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤a中碳纤维进行编织的具体步骤为：

通过纱架与送经机构引出碳纤维经线和热熔绞线，通过引纬机构引出碳纤维纬线，将所述碳纤维经线、碳纤维纬线与热熔绞线进行编织，对经线和纬线搭接处进行粘合，得初级碳纤维网格；将所述初级碳纤维网格放置在设置有出气孔的模板上，通过向出气孔吹入气体，将所述经线和纬线吹至扩展宽度为5mm-8mm，得碳纤维网格。

3.如权利要求2所述的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述初级碳纤维网格由等间距平行设置的若干碳纤维经线和等间距平行设置的若干碳纤维纬线组成的方形网格组成，所述碳纤维经线和碳纤维纬线相互垂直；相邻两碳纤维经线之间和相邻两碳纤维纬线之间的距离均为20mm-50mm；

所述出气孔设置于每一碳纤维经线和每一碳纤维纬线的正下方，且位于每一所述方形网格的四周线段的中点处；

所述出气孔的孔径为1mm-2mm，气体的吹入速度为0.5L/min-1L/min。

4. 如权利要求1所述的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述环氧树脂体系包括环氧树脂，固化温度为150℃-160℃的主固化剂和固化温度为180℃-200℃的助固化剂。

5. 如权利要求4所述的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述环氧树脂为双酚A型、双酚F型或双酚S型环氧树脂中至少一种；和/或

所述主固化剂为芳香胺或脂环胺中至少一种；和/或

所述助固化剂为芳香胺或酸酐中至少一种；和/或

所述发泡剂为偶氮类发泡剂、磺酰肼类发泡剂或苯砜类发泡剂。

6. 如权利要求4所述的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述环氧树脂的环氧值为0.5mol/100g-0.6mol/100g；和/或

所述主固化剂和助固化剂的总量与环氧树脂的摩尔比为0.85-0.95:1，其中，所述主固化剂和助固化剂以活泼氢计，环氧树脂以环氧值计；和/或

所述主固化剂与环氧树脂的摩尔比为0.4-0.45:1；所述助固化剂与环氧树脂的摩尔比为0.45-0.5:1；其中，所述主固化剂和助固化剂以活泼氢计，环氧树脂以环氧值计。

7.如权利要求4所述的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述发泡剂的添加量为环氧树脂体系总质量的5%-8%；和/或

所述壬基酚类表面活性剂添加量为环氧树脂体系总质量的5%-7%。

8.如权利要求1所述的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤b中，所述分阶段固化处理时，将收卷后的碳纤维网格以6r/min-12r/min的转速翻转。

9.一种具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料的制备方法制备得到。

10.如权利要求9所述的具有三维开孔泡沫结构的碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维网格与树脂发泡体系的比例为1m²:0.15kg-0.2kg。