CN116589828B - 一种碳纤维增强树脂基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维增强树脂基复合材料及其制备方法，所述碳纤维增强树脂基复合材料的导热系数为0.2‑1.0（W/(m·K))，电磁屏蔽性为20‑50（dB）。所述制备方法包括：对羰基铁粉纳米颗粒和氮化硼纳米颗粒进行处理得氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒；对所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒进行处理，使其表面在溶液中呈第一电性；对所述碳纤维织物进行处理，使其表面在溶液中呈第二电性；对所述碳纤维织物进行处理得改性碳纤维；将制备的表面呈第一电性的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在环氧树脂基体中，经处理得所述碳纤维增强树脂基复合材料。本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种高导热性、良好电磁干扰屏蔽的碳纤维增强树脂基复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种碳纤维增强树脂基复合材料及其制备方法。
背景技术
目前，随着消费类电子产品小型化、高密度、高集成化的快速发展，电子产品的热积累和电磁干扰问题日益突出，为了保证电子器件的稳定性和可靠性，迫切需要具有优良导热性和电磁干扰屏蔽性能的材料。
聚合物具有轻质、易加工、可设计性等优点，广泛应用于电子产品的封装、基片、界面材料等领域。然而，其极低的本征导热系数和电磁干扰屏蔽效率不能满足电子设备对高效导热和良好电磁干扰屏蔽的要求。
碳纤维增强树脂基复合材料因其具有突出的比强度和比模量、较强的可设计性、良好的抗疲劳腐蚀性以及便于整体成型的特点，但其导热性能及电磁干扰屏蔽性能差，限制其广泛的应用。因此，设计和制备具有高导热性、良好电磁干扰屏蔽的碳纤维增强树脂基复合材料是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维增强树脂基复合材料及其制备方法，以解决碳纤维增强树脂基复合材料导热性能及电磁屏蔽性能差的问题。
为实现上述目的，本发明的一种碳纤维增强树脂基复合材料，所述碳纤维增强树脂基复合材料的导热系数为0.2-1.0（W/(m·K))，电磁屏蔽性为20-50（dB）。
一种碳纤维增强树脂基复合材料制备方法，包括以下步骤，
将羰基铁粉纳米颗粒和氮化硼纳米颗粒按照比例分散在溶剂A中，经处理得到氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒；
将所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒用表面活性剂X进行处理，使得所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的表面在溶液中呈第一电性；
将碳纤维织物用表面活性剂Y进行处理，使得所述碳纤维织物的表面在溶液中呈第二电性；
对表面呈第二电性的所述碳纤维织物进行处理，以使表面呈第二电性的所述碳纤维织物的表面均匀沾有分散有所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液，并经干燥得改性碳纤维；
将制备的表面呈第一电性的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在环氧树脂基体中后，其和所述改性碳纤维经处理得所述碳纤维增强树脂基复合材料。
更进一步地，分散在所述溶剂A中的所述羰基铁粉纳米颗粒与所述氮化硼纳米颗粒的质量比为（0.1-10）：（0.1-10）。
更进一步地，所述羰基铁粉纳米颗粒和所述氮化硼纳米颗粒按照比例超声分散在所述溶剂A中，所述超声分散的功率为200-2200W。
更进一步地，所述超声分散的处理时间为0.1-10h。
更进一步地，对所述碳纤维织物进行处理的分散有所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液的质量分数为0.01-50.0%。
更进一步地，所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的第一电性与所述碳纤维织物的第二电性不同，以使表面呈第二电性的碳纤维织物吸附住表面呈第一电性的氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒。
更进一步地，经所述表面活性剂X处理后，所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的第一电性为正电性；
经所述表面活性剂Y处理后，所述碳纤维织物的第二电性为负电性。
更进一步地，所述表面活性剂X为十八烷基三甲基溴化铵；所述表面活性剂Y为十二烷基苯磺酸钠。
更进一步地，在所述环氧树脂基体中分散所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的质量分数为0.1-30%。
本发明通过对羰基铁粉纳米颗粒和氮化硼纳米颗粒进行处理得氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒，并进一步对氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒和碳纤维织物进行处理，使其表面在溶液中呈不同电性，从而使得在对碳纤维织物进行的过程中，表面呈第二电性的碳纤维织物能牢牢吸附住表面呈第一电性的氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒，从而得到质量较佳的改性碳纤维；将制备的表面呈第一电性的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在环氧树脂基体中，经处理即可得到高导热性、良好电磁干扰屏蔽的碳纤维增强树脂基复合材料。
实施方式
本发明所述碳纤维增强树脂基复合材料及其制备方法通过具体实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述碳纤维增强树脂基复合材料及其制备方法进行改动或适当变更与组合以来实现和应用本发明技术的，它们都被视为包括在本发明的保护范围内。
以下就本发明所提供的一种碳纤维增强树脂基复合材料及其制备方法做进一步说明。
一种碳纤维增强树脂基复合材料，所述碳纤维增强树脂基复合材料的导热系数为0.2-1.0（W/(m·K))，电磁屏蔽性为20-50（dB）。
一种碳纤维增强树脂基复合材料制备方法，包括以下步骤，
将一定量的羰基铁粉纳米颗粒和氮化硼纳米颗粒按照一定比例超声分散在溶剂A中，经真空抽滤和真空干燥后得到氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒;其中所述溶剂A可为去离子水或乙醇；
将氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒用表面活性剂X进行处理，使得氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的表面在水溶液中呈第一电性；
将碳纤维织物用表面活性剂Y进行处理，使得碳纤维织物的表面在水溶液中呈第二电性；
对表面呈第二电性的碳纤维织物进行处理，以使表面呈第二电性的碳纤维织物的表面均匀沾有分散有氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液，并经干燥得改性碳纤维；
在一具体实施例中，可将表面呈第二电性的碳纤维织物放置在平板容器上，然后将分散有氮化硼负载羰基铁粉的溶剂均匀地喷洒在碳纤维织物的正反面上，以使表面呈第二电性的碳纤维织物的表面均匀沾有分散有氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液，然后将改性碳纤维织物放置在烘箱中干燥后即得改性碳纤维。
将制备的表面呈第一电性氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在环氧树脂基体中后，其和所述改性碳纤维经处理真空树脂转移模塑工艺制备得所述碳纤维增强树脂基复合材料。
在一具体实施例中，分散在所述溶剂A中的所述羰基铁粉纳米颗粒与所述氮化硼纳米颗粒的质量比为（0.1-10）：（0.1-10）。
在一具体实施例中，本发明为使纳米颗粒均匀分散在溶剂中，所述羰基铁粉纳米颗粒和所述氮化硼纳米颗粒按照比例超声分散在溶剂A（去离子水或乙醇）中，所述超声分散的功率为200-2200W。
在一具体实施例中，所述超声分散的处理时间为0.1-10h。
在一具体实施例中，对所述碳纤维织物进行处理的分散有所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液的质量分数为0.01-50.0%。
在一具体实施例中，所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的第一电性与所述碳纤维织物的第二电性不同，以使表面呈第二电性的碳纤维织物吸附住表面呈第一电性的氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒。
在一具体实施例中，所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的第一电性为正电性，所述碳纤维织物的第二电性为负电性。
在一具体实施例中，所述表面活性剂X为十八烷基三甲基溴化铵，所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒经十八烷基三甲基溴化铵处理后，使得氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的表面在溶液中呈正电性；所述表面活性剂Y为十二烷基苯磺酸钠，所述碳纤维织物经十二烷基苯磺酸钠处理后，使得碳纤维织物的表面在溶液中呈负电性。
在一具体实施例中，在所述环氧树脂基体中分散氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的质量分数为0.1-30%。
(实施例1)
将10g的羰基铁粉纳米颗粒和10g氮化硼纳米颗粒超声分散在溶剂A（去离子水或乙醇）中，经真空抽滤和真空干燥后得到氮化硼负载羰基铁粉；将所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒用十八烷基三甲基溴化铵进行处理，使其表面在呈正电性；将碳纤维织物用十二烷基苯磺酸钠处理使其表面在呈负电性；将表面呈负电性的所述碳纤维织物放置在平板容器上，然后将质量分数为10%的表面呈正电性的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液均匀地喷洒在表面呈负电性的所述碳纤维织物的正反面上得到改性碳纤维织物；将所述改性碳纤维织物放置在烘箱中干燥后即得改性碳纤维；将5g制备的氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在100g环氧树脂基体中后，其和所述改性碳纤维采用真空树脂转移模塑工艺制备碳纤维增强树脂基复合材料，所述碳纤维增强树脂基复合材料的抗拉强度为626(Mpa)，杨氏模量为72(GPa)，断裂伸长率为0.9%,导热系数为0.8(W/(m.k))，电磁屏蔽性为45(dB)。
(实施例2)
将0.1g的羰基铁粉纳米颗粒和10g氮化硼纳米颗粒超声分散在溶剂A（去离子水或乙醇）中，经真空抽滤和真空干燥后得到氮化硼负载羰基铁粉；将所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒用十八烷基三甲基溴化铵进行处理，使其表面在呈正电性；将碳纤维织物用十二烷基苯磺酸钠处理使其表面在呈负电性；将表面呈负电性的所述碳纤维织物放置在平板容器上，然后将质量分数为50%的表面呈正电性的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液均匀地喷洒在表面呈负电性的所述碳纤维织物的正反面上得到改性碳纤维织物；将所述改性碳纤维织物放置在烘箱中干燥后即得改性碳纤维；将10g制备的氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在100g环氧树脂基体中后，其和所述改性碳纤维采用真空树脂转移模塑工艺制备碳纤维增强树脂基复合材料，所述碳纤维增强树脂基复合材料的抗拉强度为535(Mpa)，杨氏模量为65(GPa)，断裂伸长率为1.2%,导热系数为1.0(W/(m.k))，电磁屏蔽性为30(dB)。
(实施例3)
将10g的羰基铁粉纳米颗粒和0.1g氮化硼纳米颗粒超声分散在溶剂A（去离子水或乙醇）中，经真空抽滤和真空干燥后得到氮化硼负载羰基铁粉；将所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒用十八烷基三甲基溴化铵进行处理，使其表面在呈正电性；将碳纤维织物用十二烷基苯磺酸钠处理使其表面在呈负电性；将表面呈负电性的所述碳纤维织物放置在平板容器上，然后将质量分数为5%的表面呈正电性的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液均匀地喷洒在表面呈负电性的所述碳纤维织物的正反面上得到改性碳纤维织物；将所述改性碳纤维织物放置在烘箱中干燥后即得改性碳纤维；将25g制备的氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在100g环氧树脂基体中后，其和所述改性碳纤维采用真空树脂转移模塑工艺制备碳纤维增强树脂基复合材料，所述碳纤维增强树脂基复合材料的抗拉强度为512(Mpa)，杨氏模量为61(GPa)，断裂伸长率为1.1%,导热系数为0.1(W/(m.k))，电磁屏蔽性为41(dB)。
(实施例4)
将4g的羰基铁粉纳米颗粒和6g氮化硼纳米颗粒超声分散在溶剂A（去离子水或乙醇）中，经真空抽滤和真空干燥后得到氮化硼负载羰基铁粉；将所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒用十八烷基三甲基溴化铵进行处理，使其表面在呈正电性；将碳纤维织物用十二烷基苯磺酸钠处理使其表面在呈负电性；将表面呈负电性的所述碳纤维织物放置在平板容器上，然后将质量分数为30%的表面呈正电性的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液均匀地喷洒在表面呈负电性的所述碳纤维织物的正反面上得到改性碳纤维织物；将所述改性碳纤维织物放置在烘箱中干燥后即得改性碳纤维；将20g制备的氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在100g环氧树脂基体中后，其和所述改性碳纤维采用真空树脂转移模塑工艺制备碳纤维增强树脂基复合材料，所述碳纤维增强树脂基复合材料的抗拉强度为449(Mpa)，杨氏模量为51(GPa)，断裂伸长率为1.3%,导热系数为0.6(W/(m.k))，电磁屏蔽性为39(dB)。
(实施例5)
将7g的羰基铁粉纳米颗粒和3g氮化硼纳米颗粒超声分散在溶剂A（去离子水或乙醇）中，经真空抽滤和真空干燥后得到氮化硼负载羰基铁粉；将所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒用十八烷基三甲基溴化铵进行处理，使其表面在呈正电性；将碳纤维织物用十二烷基苯磺酸钠处理使其表面在呈负电性；将表面呈负电性的所述碳纤维织物放置在平板容器上，然后将质量分数为30%的表面呈正电性的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液均匀地喷洒在表面呈负电性的所述碳纤维织物的正反面上得到改性碳纤维织物；将所述改性碳纤维织物放置在烘箱中干燥后即得改性碳纤维；将30g制备的氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在100g环氧树脂基体中后，其和所述改性碳纤维采用真空树脂转移模塑工艺制备碳纤维增强树脂基复合材料，所述碳纤维增强树脂基复合材料的抗拉强度为419(Mpa)，杨氏模量为49(GPa)，断裂伸长率为1.3%,导热系数为0.4(W/(m.k))，电磁屏蔽性为38(dB)。
(实施例6)
将1g的羰基铁粉纳米颗粒和4g氮化硼纳米颗粒超声分散在溶剂A（去离子水或乙醇）中，经真空抽滤和真空干燥后得到氮化硼负载羰基铁粉；将所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒用十八烷基三甲基溴化铵进行处理，使其表面在呈正电性；将碳纤维织物用十二烷基苯磺酸钠处理使其表面在呈负电性；将表面呈负电性的所述碳纤维织物放置在平板容器上，然后将质量分数为0.1%的表面呈正电性的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液均匀地喷洒在表面呈负电性的所述碳纤维织物的正反面上得到改性碳纤维织物；将所述改性碳纤维织物放置在烘箱中干燥后即得改性碳纤维；将15g制备的氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在100g环氧树脂基体中后，其和所述改性碳纤维采用真空树脂转移模塑工艺制备碳纤维增强树脂基复合材料，所述碳纤维增强树脂基复合材料的抗拉强度为389(Mpa)，杨氏模量为41(GPa)，断裂伸长率为1.3%,导热系数为0.5(W/(m.k))，电磁屏蔽性为28(dB)。
表1 样品的力学性能、导热系数及电磁屏蔽性能
| 样品 | 抗拉强度（MPa） | 杨氏模量（GPa） | 断裂伸长率（%） | 导热系数（W/(m·K)) | 电磁屏蔽性（dB） |
| 实施例1 | 626 | 72 | 0.9 | 0.8 | 45 |
| 实施例2 | 535 | 65 | 1.2 | 1.0 | 30 |
| 实施例3 | 512 | 61 | 1.1 | 0.1 | 41 |
| 实施例4 | 449 | 51 | 1.3 | 0.6 | 39 |
| 实施例5 | 419 | 49 | 1.3 | 0.4 | 38 |
| 实施例6 | 389 | 41 | 1.3 | 0.5 | 28 |
由上述实施例以及结合表1可得，本发明通过对羰基铁粉纳米颗粒和氮化硼纳米颗粒进行处理得氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒，并进一步对氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒和碳纤维织物进行处理，使其表面在溶液中呈不同电性，从而增强两者之间的吸附性，从而得到质量较佳的改性碳纤维；将制备的表面呈第一电性的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在环氧树脂基体中后，其和较佳的改性碳纤维经处理即可得到高导热性、良好电磁干扰屏蔽的碳纤维增强树脂基复合材料，且所得碳纤维增强树脂基复合材料其在抗拉强度、杨氏模量、断裂伸长率、导热系数以及电磁屏蔽性上均有更优的表现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳纤维增强树脂基复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
将羰基铁粉纳米颗粒和氮化硼纳米颗粒按照比例分散在溶剂A中，经处理得到氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒；
将所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒用表面活性剂X进行处理，使得所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的表面在溶液中呈第一电性；
将碳纤维织物用表面活性剂Y进行处理，使得所述碳纤维织物的表面在溶液中呈第二电性；
对表面呈第二电性的所述碳纤维织物进行处理，以使表面呈第二电性的所述碳纤维织物的表面均匀沾有分散有所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液，并经干燥得改性碳纤维；
将制备的表面呈第一电性的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒均匀分散在环氧树脂基体中后，其和所述改性碳纤维经真空树脂转移模塑工艺处理得所述碳纤维增强树脂基复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基复合材料制备方法，其特征在于，分散在所述溶剂A中的所述羰基铁粉纳米颗粒与所述氮化硼纳米颗粒的质量比为（0.1-10）：（0.1-10）。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基复合材料制备方法，其特征在于，所述羰基铁粉纳米颗粒和所述氮化硼纳米颗粒按照比例超声分散在所述溶剂A中，所述超声分散的功率为200-2200W。
4.根据权利要求3所述的碳纤维增强树脂基复合材料制备方法，其特征在于，所述超声分散的处理时间为0.1-10h。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基复合材料制备方法，其特征在于，对所述碳纤维织物进行处理的所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的溶液的质量分数为0.01-50.0%。
6.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基复合材料制备方法，其特征在于，所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的第一电性与所述碳纤维织物的第二电性不同，以使表面呈第二电性的碳纤维织物吸附住表面呈第一电性的氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒。
7.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基复合材料制备方法，其特征在于，
经所述表面活性剂X处理后，所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的第一电性为正电性；
经所述表面活性剂Y处理后，所述碳纤维织物的第二电性为负电性。
8.根据权利要求7所述的碳纤维增强树脂基复合材料制备方法，其特征在于，所述表面活性剂X为十八烷基三甲基溴化铵；所述表面活性剂Y为十二烷基苯磺酸钠。
9.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基复合材料制备方法，其特征在于，在所述环氧树脂基体中分散所述氮化硼负载羰基铁粉纳米颗粒的质量分数为0.1-30%。
10.一种碳纤维增强树脂基复合材料，其特征在于，由权利要求1至9任一所述的碳纤维增强树脂基复合材料制备方法制得，所述碳纤维增强树脂基复合材料的导热系数为0.2-1.0（W/(m·K))，电磁屏蔽性为20-50（dB）。
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