CN116039173A - 一种碳纤维粉增强碳布-聚酰亚胺树脂复合材料及制备方法 - Google Patents
一种碳纤维粉增强碳布-聚酰亚胺树脂复合材料及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维粉增强碳布‑聚酰亚胺树脂复合材料及制备方法，先用纸页成型器以水为分散介质将碳纤维粉均匀沉积于碳布表面，然后再将其按照[0°]s叠加铺层并进行缝合形成“碳布层‑碳纤维粉层”结构形式的预制体。采用聚酰亚胺树脂浸渍预制体后辊压并烘干，最后热压固化得到复合材料。通过水沉积法在碳布层间及表面引入碳纤维粉，对复合材料起到了增强增韧及增磨的作用。本发明所制备的复合材料具有力学性能好、制备工艺简单、效率高且成本低的优点，改性后复合材料的拉伸强度提升了42.77％，剪切强度提高了8.52％，磨损率降低了61.20％。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种碳纤维粉增强碳布-聚酰亚胺树脂复合材料及制备方法。
背景技术
碳布/聚酰亚胺树脂复合材料因具有比强度和比模量高、结构稳定性好、可设计性强以及便捷的整体成型等优点，而作为结构件和功能件被广泛应用于航空航天、车辆机械和体育休闲等领域。然而由于聚酰亚胺树脂脆性大，且碳布/聚酰亚胺树脂复合材料在厚度方向没有增强纤维，层间仅有热压固化后的树脂基体填充且孔隙较多，“碳布层-碳布层”刚性结构使得材料在服役过程中受到的载荷无法跨层间传递而造成应力集中，易导致材料分层破坏，另外材料表面最外层为树脂基体导致耐磨性不足，严重制约碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的应用与发展。
文献1“专利公开号CN 115195260 A的中国专利”公开了一种碳粉晶须增强碳布叠层板的制备方法。该方法将机加碳粉和分散剂、酚醛树脂机械混合形成的浆料填充入碳布的缝隙中，然后进行铺层形成预制体，最后进行热压固化并碳化得到二维碳碳复合材料叠层板，通过碳粉和晶须的合理引入，对叠层板具有增强增韧的作用。但是这种方法填充的碳粉晶须分布不均匀且制备混合浆料过程繁琐。
文献2“专利公开号CN 113059869 B的中国专利”公开了一种预埋碳粉增强介质的玻璃纤维层合板及其制备方法。该方法以玻璃纤维复合材料为基体原料，在最中间层添加一定比例的碳粉增强介质，形成“玻璃纤维预浸料层-碳粉增强介质层-玻璃纤维预浸料层”三层结构，使层合板的力学性能得到提升。但是此方法只在最中间层引入碳粉介质层，其余层间未被处理因此并无增强作用；采用涂覆法引入的碳粉在层间分布不均匀，影响材料的性能及稳定性，且步骤繁琐成本较高。
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粉增强碳布-聚酰亚胺树脂复合材料及制备方法，以克服上述现有技术存在的问题。本发明通过水沉积法简便快捷地在碳布表面均匀沉积碳纤维粉制备碳纤维粉/碳布，然后再将其按照[0°]s叠加铺层并进行缝合形成“碳布层-碳纤维粉层”结构形式的预制体。最后采用聚酰亚胺树脂浸渍预制体后辊压并烘干，热压固化后得到复合材料，明显改善层间结合强度与表面耐磨性。
技术方案
一种制备碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：对碳布和碳纤维粉分别进行预处理，去除表面的上浆剂和杂质；
步骤2：将碳布放于纸页成型器的筛网表面然后进行预加水，利用水为分散介质使碳纤维粉均匀沉积于碳布表面，得到碳纤维粉/碳布；
步骤3：将碳纤维粉/碳布按照[0°]s叠加铺层并进行缝合，形成“碳布层-碳纤维粉层”结构形式的预制体；
步骤4：采用聚酰亚胺树脂溶液对预制体进行浸渍，其取出并采用辊轮辊压，然后置于烘箱烘干，得到预浸料；
步骤5：将预浸料进行热压固化，自然冷却至室温，得到碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料。
所述步骤1对碳布和碳纤维粉进行预处理：将碳纤维粉和碳布放入丙酮中，用保鲜膜密封后置于常温下浸泡36-48h；浸泡结束后用去离子水进行清洗，置于烘箱60-80℃干燥，得到预处理的碳纤维粉和碳布。
所述步骤2：将碳纤维粉加入装有去离子水的烧杯中搅拌呈悬浊液后直接倒入抄取筒中，打开出水阀门，利用水为分散介质使碳纤维粉均匀沉积于碳布表面；沉积结束后置于烘箱干燥，得到碳纤维粉/碳布。
所述采用的碳纤维粉规格为50目-400目，碳布为6K。
所述的纸页成型器采用的筛网目数为与碳纤维粉对应的50目-400目。
所述的纸页成型器预加水量为6L，加入碳纤维粉浓度为0.314-1.256g/L的悬浊液2L，得到的碳纤维粉/碳布表面的碳纤维粉的密度为20-80g/m2。
所述碳纤维粉加入去离子水中搅拌采用磁力搅拌器，搅拌时间为1-3min。
所述步骤4的聚酰亚胺树脂溶剂为N,N-二甲基乙酰胺，溶剂与聚酰亚胺的质量比为4:1-6.5:3.5。
所述的热压固化采用复合材料成型机进行，工艺参数为：温度220-240℃、压力为3.5-6.5MPa、固化时间为20-40min。
一种所述方法制备的碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料，其特征在于：碳纤维粉/碳布按照[0°]s叠加铺层，形成“碳布层-碳纤维粉层”结构，结构之间浸渍有聚酰亚胺树脂；所述的碳纤维粉在层间及表面均匀分布且取向杂乱，在材料破坏过程中从基体中拔出、发生断裂或者纤维间桥联都可吸收裂纹扩展中的能量，阻碍裂纹在层间的传播，提高复合材料的综合性能，拉伸强度升高42.77％，剪切强度提高8.52％，且在材料表面与树脂牢固结合增强耐磨性，磨损率降低61.20％。
有益效果
本发明提出的一种碳纤维粉增强碳布-聚酰亚胺树脂复合材料及制备方法，先用纸页成型器以水为分散介质将碳纤维粉均匀沉积于碳布表面，然后再将其按照[0°]s叠加铺层并进行缝合形成“碳布层-碳纤维粉层”结构形式的预制体。采用聚酰亚胺树脂浸渍预制体后辊压并烘干，最后热压固化得到复合材料。通过水沉积法在碳布层间及表面引入了均匀分布且取向杂乱的碳纤维粉，层间的碳纤维粉交错分布于树脂富集区内与基体充分结合，受到外力时通过碳纤维粉从树脂基体拔出、发生断裂以及纤维粉间桥联吸收裂纹扩展中的能量，阻碍裂纹在层间的传播，而且引入碳纤维粉降低孔隙率减少了缺陷的产生，得到增强增韧的复合材料；同时在材料表面与树脂牢固结合形成耐磨层增强材料耐磨性。本发明所制备的复合材料具有综合性能好、制备工艺简单、效率高且成本低的优点，具有广阔的应用前景。
本发明所制备的复合材料具有力学性能好、制备工艺简单、效率高且成本低的优点，改性后复合材料的拉伸强度提升了42.77％，剪切强度提高了8.52％，磨损率降低了61.20％。
附图说明
图1为本发明对比试样与处理试样力学性能对比图，其中P0为原始试样，P1为沉积40g/m2密度的碳纤维粉的增强试样，可以看出增强后复合材料的拉伸强度提升了42.77％，剪切强度提高了8.52％；
图2为本发明对比试样与处理试样摩擦学性能对比图，其中P0为原始试样，P1为沉积40g/m2密度的碳纤维粉的增强试样，可以看出增强后复合材料的磨损率降低了61.20％；
图3为本发明一种碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的“碳布层-碳纤维粉层”结构预制体示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例一：
步骤1：将100目碳纤维粉和6K碳布放入丙酮中，用保鲜膜密封后置于常温下浸泡48h。浸泡结束后用去离子水进行清洗，置于烘箱80℃干燥，得到预处理的碳纤维粉和碳布。
步骤2：将原始碳布放于纸页成型器的100目筛网表面然后预加6L水。将0.628g碳纤维粉加入装有2L去离子水的烧杯中搅拌1min呈悬浊液后直接倒入抄取筒中，打开出水阀门，利用水为分散介质使碳纤维粉均匀沉积于碳布表面。沉积结束后置于烘箱干燥，得到碳纤维粉/碳布；
步骤3：将4块碳纤维粉/碳布按照[0°]s叠加铺层并进行缝合，形成“碳布层-碳纤维粉层”结构形式的预制体；
步骤4：采用35％质量分数的聚酰亚胺树脂溶液对预制体进行浸渍，待一定时间后将其取出并采用辊轮辊压，然后置于烘箱烘干，得到预浸料；
步骤5：将预浸料进行热压固化，工艺参数为：温度230℃、压力5MPa、固化时间30min。自然冷却至室温后得到碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料。
实施例二：
步骤1：将100目碳纤维粉和6K碳布放入丙酮中，用保鲜膜密封后置于常温下浸泡48h。浸泡结束后用去离子水进行清洗，置于烘箱80℃干燥，得到预处理的碳纤维粉和碳布。
步骤2：将原始碳布放于纸页成型器的100目筛网表面然后预加6L水。将1.256g碳纤维粉加入装有2L去离子水的烧杯中搅拌1min呈悬浊液后直接倒入抄取筒中，打开出水阀门，利用水为分散介质使碳纤维粉均匀沉积于碳布表面。沉积结束后置于烘箱干燥，得到碳纤维粉/碳布；
步骤3：将4块碳纤维粉/碳布按照[0°]s叠加铺层并进行缝合，形成“碳布层-碳纤维粉层”结构形式的预制体；
步骤4：采用35％质量分数的聚酰亚胺树脂溶液对预制体进行浸渍，待一定时间后将其取出并采用辊轮辊压，然后置于烘箱烘干，得到预浸料；
步骤5：将预浸料进行热压固化，工艺参数为：温度230℃、压力5MPa、固化时间30min。自然冷却至室温后得到碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料。
实施例三：
步骤1：将100目碳纤维粉和6K碳布放入丙酮中，用保鲜膜密封后置于常温下浸泡48h。浸泡结束后用去离子水进行清洗，置于烘箱80℃干燥，得到预处理的碳纤维粉和碳布。
步骤2：将原始碳布放于纸页成型器的100目筛网表面然后预加6L水。将1.884g碳纤维粉加入装有2L去离子水的烧杯中搅拌1min呈悬浊液后直接倒入抄取筒中，打开出水阀门，利用水为分散介质使碳纤维粉均匀沉积于碳布表面。沉积结束后置于烘箱干燥，得到碳纤维粉/碳布；
步骤3：将4块碳纤维粉/碳布按照[0°]s叠加铺层并进行缝合，形成“碳布层-碳纤维粉层”结构形式的预制体；
步骤4：采用35％质量分数的聚酰亚胺树脂溶液对预制体进行浸渍，待一定时间后将其取出并采用辊轮辊压，然后置于烘箱烘干，得到预浸料；
步骤5：将预浸料进行热压固化，工艺参数为：温度230℃、压力5MPa、固化时间30min。自然冷却至室温后得到碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料。
Claims (10)
1.一种制备碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：对碳布和碳纤维粉分别进行预处理，去除表面的上浆剂和杂质；
步骤2：将碳布放于纸页成型器的筛网表面然后进行预加水，利用水为分散介质使碳纤维粉均匀沉积于碳布表面，得到碳纤维粉/碳布；
步骤3：将碳纤维粉/碳布按照[0°]s叠加铺层并进行缝合，形成“碳布层-碳纤维粉层”结构形式的预制体；
步骤4：采用聚酰亚胺树脂溶液对预制体进行浸渍，其取出并采用辊轮辊压，然后置于烘箱烘干，得到预浸料；
步骤5：将预浸料进行热压固化，自然冷却至室温，得到碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述制备碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的方法，其特征在于：所述步骤1对碳布和碳纤维粉进行预处理：将碳纤维粉和碳布放入丙酮中，用保鲜膜密封后置于常温下浸泡36-48h；浸泡结束后用去离子水进行清洗，置于烘箱60-80℃干燥，得到预处理的碳纤维粉和碳布。
3.根据权利要求1或2或3所述制备碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的方法，其特征在于：所述步骤2：将碳纤维粉加入装有去离子水的烧杯中搅拌呈悬浊液后直接倒入抄取筒中，打开出水阀门，利用水为分散介质使碳纤维粉均匀沉积于碳布表面；沉积结束后置于烘箱干燥，得到碳纤维粉/碳布。
4.根据权利要求1或2或3所述制备碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的方法，其特征在于：所述采用的碳纤维粉规格为50目-400目，碳布为6K。
5.根据权利要求1所述制备碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的方法，其特征在于：所述的纸页成型器采用的筛网目数为与碳纤维粉对应的50目-400目。
6.根据权利要求1所述制备碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的方法，其特征在于：所述的纸页成型器预加水量为6L，加入碳纤维粉浓度为0.314-1.256g/L的悬浊液2L，得到的碳纤维粉/碳布表面的碳纤维粉的密度为20-80g/m2。
7.根据权利要求1所述制备碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的方法，其特征在于：所述碳纤维粉加入去离子水中搅拌采用磁力搅拌器，搅拌时间为1-3min。
8.根据权利要求1所述制备碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的方法，其特征在于：所述步骤4的聚酰亚胺树脂溶剂为N,N-二甲基乙酰胺，溶剂与聚酰亚胺的质量比为4:1-6.5:3.5。
9.根据权利要求1所述制备碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料的方法，其特征在于：所述的热压固化采用复合材料成型机进行，工艺参数为：温度220-240℃、压力为3.5-6.5MPa、固化时间为20-40min。
10.一种权利要求1～9任一项所述方法制备的碳纤维粉增强碳布/聚酰亚胺树脂复合材料，其特征在于：碳纤维粉/碳布按照[0°]s叠加铺层，形成“碳布层-碳纤维粉层”结构，结构之间浸渍有聚酰亚胺树脂；所述的碳纤维粉在层间及表面均匀分布且取向杂乱，在材料破坏过程中从基体中拔出、发生断裂或者纤维间桥联都可吸收裂纹扩展中的能量，阻碍裂纹在层间的传播，提高复合材料的综合性能，拉伸强度升高42.77％，剪切强度提高8.52％，且在材料表面与树脂牢固结合增强耐磨性，磨损率降低61.20％。
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