高模量抗沖擊碳纖維復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳纖維復(fù)合材料，具體的說是一種高模量抗沖擊碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)氧樹脂是一種強度高、粘結(jié)性能好、具有優(yōu)良耐熱性、防腐性和承載能力的熱固性高分子材料，大多數(shù)環(huán)氧樹脂由環(huán)氧氯丙烷和雙酚A (酚甲烷)聚合而成。與熱塑性高分子材料相比，環(huán)氧樹脂脆而硬，斷裂能較低，在與金屬對偶件摩擦?xí)r容易發(fā)生脆性斷裂。隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)氧樹脂在這些方面的應(yīng)用不斷擴展，對其強度和模量也提出了更高的要求。同時，為了改善環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的抗沖擊性能，將編織技術(shù)和現(xiàn)代復(fù)合材料融于一體化，形成一種獨特結(jié)構(gòu)的功能復(fù)合材料一碳纖維織物復(fù)合材料，系將碳纖維織物與經(jīng)過改性的環(huán)氧樹脂浸漬而形成。目前常見的是利用球型納米氧化鈦改性環(huán)氧樹脂用于制備碳纖維織物復(fù)合涂層，但其抗沖擊性能和模量有限，難以滿足一些在航空及電子領(lǐng)域?qū)δＡ坑休^高需求的場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種高模量抗沖擊碳纖維復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料是將處理后的碳纖維織物浸漬在改性的環(huán)氧樹脂中而成，制得的復(fù)合材料的剪切模量、拉伸模量和彎曲模量均較高。
[0004]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案為:高模量抗沖擊碳纖維復(fù)合材料，由碳纖維織物置于基體溶液中固化而成，所述基體溶液的原料組成為:45~63重量份的環(huán)氧樹脂、3~5重量份的滑石粉、26~34重量份的二氨基二苯砜、體積與環(huán)氧樹脂總重量的比例為2.4mL:lg的丙酮溶液、1~2重量份的單層氮化硼、1.2~2重量份經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性的氮化硅、1.2-2重量份經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性的二硫化鉬和0.2~1重量份的消泡劑。
[0005]一種高模量抗沖擊碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:步驟一、取碳纖維織物，將其依次浸于濃度為1.5X104g/cm3的碳酸鈉溶液和濃度為0.3-0.5X10 4g/cm3的椰油酰二乙醇胺溶液中，分別清洗15~20min，并將清洗后的碳纖維織物浸于濃度為2.0X 105g/cm3的過二硫酸錢和濃度為1.84g/cm3的硫酸形成的混合溶液中清洗15~20min，然后對碳纖維織物進行水洗，至其表面達到中性，干燥，備用；
步驟二、將步驟一干燥后的碳纖維織物依次通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2~5%的多乙烯多胺溶液槽和溫度為500~600°C的烘箱，待碳纖維織物表面完全干燥后，再利用去離子水將碳纖維織物進行水洗、干燥，備用；
步驟三、取二硫化鉬、體積與二硫化鉬總重量的比例為50mL:lg的濃硫酸混合后，超聲波震蕩處理2~2.5h后，先在100~120°C下恒溫油浴l~1.5h，然后再進行抽濾，并采用去離子水沖洗濾液至其pH=7，在80~100°C的真空干燥箱中烘干后，制得酸化二硫化鉬；將酸化二硫化鉬以及與其重量相同的硅烷偶聯(lián)劑加入到丙酮溶液使其完全溶解，將溶液置于超聲波清洗器中處理20min后，再在80~100°C的真空干燥箱中烘干，制得改性二硫化鉬，備用；步驟四、將氮化硅以及與其重量相同的硅烷偶聯(lián)劑加入到乙醇溶液中，將溶液置于超聲波攪拌器中處理20min后，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%的乙酸調(diào)整溶液pH至5.5，抽濾后在100°C真空干燥24h，制得改性氮化硅，備用；
步驟五、按照所述重量份數(shù)，分別稱取環(huán)氧樹脂、二氨基二苯砜、丙酮、滑石粉、單層氮化硼、消泡劑、步驟三制得的改性二硫化鉬和步驟四制得的改性氮化娃，將環(huán)氧樹脂、二氨基二苯砜、丙酮和混合形成膠液，將滑石粉、單層氮化硼、步驟三制得的改性二硫化鉬和步驟四制得的改性氮化硅加入到膠液中，并置于分散機中，在ISOOOrpm條件下分散5~7min，形成微乳溶液，備用；形成微乳體系，使納米粒子以納米級尺寸充分彌散在樹脂中。
[0006]步驟六、將步驟二制得的碳纖維織物置于步驟五制備的微乳溶液中，浸泡30~40min后取出碳纖維織物，然后將碳纖維織物置于80°C的烘箱中固化5min，將固化后的碳纖維織物再次置于微乳溶液中浸泡lOmin，取出并在80°C的烘箱中固化3min，制得碳纖維復(fù)合材料。
[0007]本發(fā)明中，步驟一對碳纖維織物進行去油和粗化，使碳纖維織物表面呈現(xiàn)微觀的粗糙，增大碳纖維與多乙烯多胺的接觸面積，增強氨基與環(huán)氧基團之間氫鍵的結(jié)合力。步驟二引入氮，碳纖維表面氧含量減少，這是因為表面含氧官能團與多乙烯多胺發(fā)生了反應(yīng)，使得碳纖維表面引入氮元素，氮元素以氨基的形式存在，而氨基可以與水、環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基團發(fā)生氫鍵鍵合作用，改善碳纖維在環(huán)氧樹脂溶液中的浸潤性，且避免碳纖維織物表面出現(xiàn)裂解現(xiàn)象。
[0008]本發(fā)明中，步驟三通過酸化處理二硫化鉬，使二硫化鉬的表面變得粗糙，且二硫化鉬的表面增加了羥基和羧基等活性基團，使二硫化鉬能夠均勻分散在環(huán)氧樹脂中，分散性好。
[0009]本發(fā)明中，二氨基二苯砜為固化劑，能夠與環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基等反應(yīng)，產(chǎn)生交聯(lián)而固化，變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子，能起內(nèi)增塑作用，極大地提高了固化物的抗沖強度，固化物收縮性小，具有較好的粘結(jié)強度、柔韌性、絕緣性和抗化學(xué)品性。消泡劑的加入，能夠消除復(fù)合材料內(nèi)部的界面缺陷，使材料在受力過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中的點變少，提高其力學(xué)性能。
[0010]有益效果:(1)、本發(fā)明中，單層氮化硼是一種類似石墨烯結(jié)構(gòu)的材料，層與層之間以弱的范德華力結(jié)合，很容易相對滑動。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)平面內(nèi)是以共價鍵結(jié)合，具有高硬度、良好的電絕緣性、導(dǎo)熱性和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，其能夠與環(huán)氧樹脂形成牢固黏合，并在碳纖維織物基體表面形成復(fù)相硬質(zhì)顆粒層，使界面粘結(jié)牢固。二硫化鉬經(jīng)過改性后，二硫化鉬的表面包覆有低聚物，其端部的化學(xué)鍵能夠?qū)⑻祭w維和樹脂連接在一起，提高拉伸模量；而且，在受熱條件下，二硫化鉬會生成三氧化鉬，進而阻止樹脂向?qū)ε济孓D(zhuǎn)移，提高界面結(jié)合強度，提高抗沖擊性能。
[0011](2)、在碳纖維表面，生成有氮化硅晶須，能夠在碳纖維表面生長非常細的高強度化合物單晶，提高復(fù)合材料的層間剪切強度；且氮化硅的加入延緩了碳纖維的氧化，提高了復(fù)合材料的抗燒蝕性能；改性氮化硅具有優(yōu)異的自潤滑性能，能夠增加碳纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面相容性，使界面結(jié)合強度提高，進而使彎曲模量增加，加強了界面結(jié)合力，分子鏈間有較大程度的相互擴散，形成很強的纏結(jié)，因此在摩擦過程中，碳纖維不易從復(fù)合材料中拔出，進一步提高復(fù)合材料的耐磨損性能；本發(fā)明通過改性氮化硅、改性二硫化鉬和氮化硼三者的協(xié)同作用，顯著降低復(fù)合材料的表面摩擦力，提高抗磨損能力，還可有效傳遞應(yīng)力，阻止裂紋擴展，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
[0012](3)、步驟一對碳纖維織物進行去油和粗化，使碳纖維織物表面呈現(xiàn)微觀的粗糙，固化時，步驟五微乳溶液中的無機粒子能夠粘附在碳纖維表面，使滑石引入的氧化鎂和二氧化硅以納米形式存在碳纖維表面，納米二氧化硅表面存在的不飽和鍵和不同鍵合狀態(tài)的羥基，具有很高的活性，而且，改性的氮化硅和二硫化鉬，進一步增強碳纖維與環(huán)氧樹脂的結(jié)合，提高復(fù)合材料的拉伸強度。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的高模量抗沖擊碳纖維復(fù)合材料及其制備方法作進一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限定。
[0014]一種高模量抗沖擊碳纖維復(fù)合材料，由碳纖維織物置于基體溶液中固化而成，所述基體溶液的原料組成為:45~63重量份的環(huán)氧樹脂、3~5重量份的滑石粉、26~34重量份的二氨基二苯砜