環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳纖維增強(qiáng)材料領(lǐng)域，特別涉及一種環(huán)氧樹脂/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/碳纖維復(fù)合材料是一種高強(qiáng)度材料，其具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，廣泛用于航天、汽車、電子、體育用品、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。由于環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料的性能決定于所用的碳纖維本體、環(huán)氧樹脂基體以及兩者之間的結(jié)合力度。然而，由于環(huán)氧樹脂和碳纖維的熱膨脹系數(shù)有較大差距，這容易使得固化后的環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料存在較大的界面熱殘余應(yīng)力。此外，該環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料還因環(huán)氧樹脂的固化而存在收縮殘余應(yīng)力。這些界面應(yīng)力的存在非常容易造成環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料損壞。所以，提供一種具有低界面應(yīng)力的環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料的十分必要。
[0003]舉例來說，現(xiàn)有技術(shù)通常通過向環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料中引入膨脹性單體，例如螺環(huán)原碳酸酯類、螺環(huán)原酸酯類、雙環(huán)原酸酯類、縮酮內(nèi)酯類等，從而在一定程度上減小環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料的界面應(yīng)力。
[0004]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:
[0005]現(xiàn)有技術(shù)在環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料中加入膨脹性單體，會使得環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度損失，且各組分之間的相容性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供了一種相容性好且界面應(yīng)力小的環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。具體技術(shù)方案如下:
[0007]一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料，所述復(fù)合材料中含有硅橡膠，所述硅橡膠同時(shí)與環(huán)氧樹脂和碳纖維交聯(lián)在一起。
[0008]具體地，作為優(yōu)選，所述環(huán)氧樹脂為雙酚F型環(huán)氧樹脂。
[0009]具體地，作為優(yōu)選，所述硅橡膠為聚甲基乙烯基硅氧烷。
[0010]具體地，作為優(yōu)選，所述碳纖維為碳纖維布。
[0011]另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了上述任意一種復(fù)合材料的制備方法，包括:
[0012]步驟a、選取預(yù)定鋪層的碳纖維布作為碳纖維原料，并對所述碳纖維布進(jìn)行除雜，然后采用空氣冷等離子體對除雜后的碳纖維布進(jìn)行活化處理，得到活化的碳纖維布；
[0013]步驟b、按重量份計(jì)，將10-20份的液體硅橡膠、4-6份的交聯(lián)劑以及1_2份的催化劑混合，配制成預(yù)定重量的液體硅橡膠處理液；
[0014]步驟C、將所述活化的碳纖維布浸漬在所述液體硅橡膠處理液中，使碳纖維布的內(nèi)部及表面均布滿所述液體硅橡膠處理液，然后進(jìn)行風(fēng)干，得到厚度為150-600 μ m的附有硅橡膠的碳纖維布；
[0015]步驟d按重量份計(jì)，將10份的環(huán)氧樹脂和2-3份的環(huán)氧樹脂固化劑混合均勻，配制成預(yù)定重量的環(huán)氧樹脂處理液，然后通過真空袋壓成型法，將所述環(huán)氧樹脂處理液浸潤至所述附有硅橡膠的碳纖維布中，然后進(jìn)行固化處理，得到所述復(fù)合材料。
[0016]具體地，作為優(yōu)選，所述步驟a中，通過將所述碳纖維布置于有機(jī)溶劑中浸泡2-3h，然后在真空干燥箱中于50-80°C的溫度下干燥30-60min，來對所述碳纖維布進(jìn)行除雜O
[0017]具體地，作為優(yōu)選，所述有機(jī)溶劑選自丙酮、四氫呋喃、乙醇中的至少一種。
[0018]具體地，作為優(yōu)選，所述步驟b中，所述液體硅橡膠為聚甲基乙烯基硅氧烷，所述交聯(lián)劑為聚甲基氫硅氧烷，所述催化劑為鉑及鉑的絡(luò)合物。
[0019]具體地，作為優(yōu)選，所述鉑的絡(luò)合物為氯鉑酸與環(huán)烷烴、醇或者醛的絡(luò)合物。
[0020]具體地，作為優(yōu)選，所述步驟c包括:將所述活化的碳纖維布浸漬在所述液體硅橡膠處理液中3-8min，使所述碳纖維布的內(nèi)部及表面均布滿所述液體硅橡膠處理液，然后進(jìn)行風(fēng)干，重復(fù)該過程3-5次，獲取厚度為150-600 μm的附有硅橡膠的碳纖維布。
[0021]具體地，作為優(yōu)選，所述步驟d中，所述固化處理包括:在70_90°C下固化處理1-1.5h，然后升溫至110-130 °C固化處理1.5-2.5h，然后升溫至140-160 °C固化處理1.5~2.5h。
[0022]本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:
[0023]本發(fā)明實(shí)施例提供的環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料，通過向其中加入硅橡膠，使硅橡膠同時(shí)與環(huán)氧樹脂和碳纖維交聯(lián)在一起，制備得到環(huán)氧樹脂、碳纖維和硅橡膠相容性較好復(fù)合材料。通過在該復(fù)合材料中加入硅橡膠，能夠有效降低該復(fù)合材料的界面應(yīng)力，并同時(shí)提高其強(qiáng)度，其沖擊強(qiáng)度相比常規(guī)的不含有硅橡膠的環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料提高了30-45%。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0025]一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料，該復(fù)合材料中含有硅橡膠，硅橡膠同時(shí)與環(huán)氧樹脂和碳纖維交聯(lián)在一起。
[0026]本發(fā)明實(shí)施例提供的環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料，通過向其中加入硅橡膠，使硅橡膠同時(shí)與環(huán)氧樹脂和碳纖維交聯(lián)在一起，制備得到環(huán)氧樹脂、碳纖維和硅橡膠相容性較好復(fù)合材料。通過在該復(fù)合材料中加入硅橡膠，能夠有效降低該復(fù)合材料的界面應(yīng)力，并同時(shí)提高其強(qiáng)度，其沖擊強(qiáng)度相比常規(guī)的不含有硅橡膠的環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料提高了30-45%。
[0027]可以理解的是，本發(fā)明實(shí)施例中所用的碳纖維為本領(lǐng)域常見的碳纖維材料，其更優(yōu)選為耐高溫、抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大的碳纖維布。舉例來說，該碳纖維布的厚度可以為Illym或者167μπι。進(jìn)一步優(yōu)選地，本發(fā)明所選用的碳纖維布的抗拉強(qiáng)度為3000-4500MPa、模量為250_400GPa、伸長率為1.6-1.8%。相應(yīng)地，本發(fā)明實(shí)施例所用的環(huán)氧樹脂也為本領(lǐng)域常用的環(huán)氧樹脂類型，作為一種優(yōu)選方式，其可以為雙酚F型環(huán)氧樹脂，該類樹脂粘度小(1000-2500mPa*S)，更適合采用真空袋壓成型法進(jìn)行成型處理。由上述可知，本發(fā)明實(shí)施例提供的環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料同樣具有比強(qiáng)度、比模量高，密度小，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定、耐熱、耐低溫及材料性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，其既可以作為結(jié)構(gòu)材料承載又可以作為功能材料發(fā)揮作用。而本發(fā)明實(shí)施例所采用的硅橡膠具有良好的抗沖擊力及彈性，通過將硅橡膠、環(huán)氧樹脂和碳纖維互相交聯(lián)在一起，三者之間具有高相容性，不僅有效降低所制備的環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料的界面應(yīng)力，且能夠進(jìn)一步提高該復(fù)合材料的強(qiáng)度。
[0028]具體地，為了提高硅橡膠與環(huán)氧樹脂及碳纖維布的交聯(lián)力度，本發(fā)明實(shí)施例所用的硅橡膠可以為甲基乙烯基硅橡膠、甲基苯基乙烯基硅橡膠等。舉例來說，其可以為聚甲基乙烯基硅氧烷。相應(yīng)地，在使用過程中，需要交聯(lián)劑使其與環(huán)氧樹脂交聯(lián)，所用的交聯(lián)劑為聚甲基氫硅氧烷。其中，在保證不降低環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度的前提下，且能有效降低該復(fù)合材料的界面應(yīng)力，減少其受損的風(fēng)險(xiǎn)，本發(fā)明實(shí)施例聚甲基氫硅氧烷占該復(fù)合材料的重量比一般在5 % -20 %之間，優(yōu)選7-15 %之間。
[0029]另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了上述任意一種的復(fù)合材料的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0030]步驟101、選取預(yù)定鋪層的碳纖維布作為碳纖維原料，并對該碳纖維布進(jìn)行除雜，然后采用空氣冷等離子體對除雜后的碳纖維布進(jìn)行活化處理，得到活化的碳纖維布。
[0031]步驟101通選用本領(lǐng)域常見的碳纖維布作為碳纖維原材料，通過對該碳纖維布進(jìn)行除雜處理，以除去碳纖維布上存在的低分子有機(jī)物以及其他各種雜質(zhì)，從而提高碳纖維布與環(huán)氧樹脂之間的結(jié)合力度。具體地，通過將該碳纖維布置于有機(jī)溶劑(例如，丙酮、四氫呋喃、乙醇及其組合物等)中浸泡2_3h，優(yōu)選2h，然后在真空干燥箱中于50_80°C的溫度下干燥30-60min，從而有效除去低分子類有機(jī)物，達(dá)到對該碳纖維布進(jìn)行除雜的目的。
[0032]進(jìn)一步地，步驟101中，采用空氣等冷離子體對上述干燥后的碳纖維布進(jìn)行活化處理，從而使該干燥的碳纖維布的表面附有羥基、羧基等活性基團(tuán)，進(jìn)而通過這些活性基團(tuán)與環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基發(fā)生交聯(lián)作用，提高兩者的結(jié)合力度。此外，該碳纖維布經(jīng)空氣冷等離子體處理后，其靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)均得到大幅度提升，纖維表面出現(xiàn)橫向均勻刻蝕層，粗糙度增加，更利于提高其與硅橡膠以及環(huán)氧樹脂之間的結(jié)合力度，進(jìn)而減小復(fù)合材料的界面應(yīng)力。作為優(yōu)選，空氣等冷離子體的處理?xiàng)l件如下:處理功率為200-400W、處理時(shí)間為30-45min、處理壓力為30_50Pa。
[0033]此外，在制備本發(fā)明實(shí)施例提供的復(fù)合材料的過程中，對碳纖維布的鋪層安排不作具體限定。亦即，根據(jù)特定的碳纖維布的鋪層安排，所制備的復(fù)合材料中碳纖維和環(huán)氧樹脂的重量配比也相應(yīng)的有所改變。不過，本發(fā)明實(shí)施例期望的是，環(huán)氧樹脂和硅橡膠均盡可能的浸入并布滿碳纖維布的內(nèi)部及表面。
[0034]步驟102、按重量份計(jì)，將10-20份的液體硅橡膠、4_6份的交聯(lián)劑以及1_2份的催化劑混合，配制成預(yù)定重量的液體硅橡膠處理液。
[0035]可以理解的