本發(fā)明涉及高性能復(fù)合材料的制備，具體為提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代工業(yè)中，尤其是航空航天、汽車制造和體育設(shè)備領(lǐng)域，對(duì)高性能復(fù)合材料的需求不斷增長(zhǎng)。這些材料需要具備出色的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性以及優(yōu)異的結(jié)構(gòu)完整性，以滿足嚴(yán)苛的應(yīng)用要求。碳纖維復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性而被廣泛應(yīng)用于這些領(lǐng)域，其性能優(yōu)勢(shì)對(duì)于提高產(chǎn)品性能和能效具有重要意義。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，碳纖維復(fù)合材料的制備主要依賴于傳統(tǒng)的樹(shù)脂基復(fù)合工藝，如手糊、真空袋壓縮和樹(shù)脂傳遞模塑(rtm)等方法。在這些方法中，碳纖維和樹(shù)脂的結(jié)合通常是通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械混合來(lái)實(shí)現(xiàn)，而樹(shù)脂的固化過(guò)程往往在相對(duì)簡(jiǎn)單的條件下進(jìn)行，例如單一的固化溫度和壓力。

3、然而，現(xiàn)有技術(shù)在碳纖維與樹(shù)脂之間的界面粘附力方面存在局限，這直接影響到復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。由于界面粘附力的不足，復(fù)合材料在受到拉伸或剪切力時(shí)容易發(fā)生層間分離，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的弱化。這一問(wèn)題限制了復(fù)合材料在需要承受較大機(jī)械負(fù)荷或在高溫環(huán)境下應(yīng)用的可能性，影響了材料的廣泛應(yīng)用和長(zhǎng)期可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度不足的的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，包括以下步驟：

3、步驟一、選擇碳納米管或石墨烯片作為納米粒子，進(jìn)行化學(xué)氧化處理以引入官能團(tuán)，并使用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行功能化處理；

4、步驟二、將功能化的納米粒子與環(huán)氧樹(shù)脂在高剪切力混合設(shè)備中混合，以形成均勻的納米增強(qiáng)樹(shù)脂；

5、步驟三、使用三維編織機(jī)將碳纖維按預(yù)定的三維結(jié)構(gòu)模式編織，并在編織過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控纖維張力和編織密度；

6、步驟四、將納米增強(qiáng)樹(shù)脂通過(guò)樹(shù)脂傳遞模塑工藝在控制的溫度和壓力條件下注入預(yù)編織的碳纖維結(jié)構(gòu)中，并在多個(gè)溫度和壓力階段進(jìn)行固化處理。

7、優(yōu)選的，其中化學(xué)氧化處理在溫度控制在40℃至60℃的條件下進(jìn)行，處理時(shí)間為1至3小時(shí)。

8、優(yōu)選的，其中硅烷偶聯(lián)劑為3-氨基丙基三乙氧基硅烷，與納米粒子的質(zhì)量比為1:10，功能化處理時(shí)間控制在2至4小時(shí)。

9、優(yōu)選的，其中納米粒子與環(huán)氧樹(shù)脂的混合采用高能球磨機(jī)進(jìn)行，球磨時(shí)間為30至60分鐘，球磨速度設(shè)置為500至800rpm。

10、優(yōu)選的，其中納米增強(qiáng)樹(shù)脂混合物在混合后立即進(jìn)行至少15分鐘的真空脫氣處理，真空壓力為-0.1mpa。

11、優(yōu)選的，其中所述三維編織機(jī)配置有微處理器控制的自動(dòng)張力調(diào)整系統(tǒng)，以確保編織過(guò)程中纖維張力的一致性。

12、優(yōu)選的，其中編織參數(shù)包括纖維張力設(shè)置在200至500牛頓，編織密度為每平方厘米不少于15股纖維，層厚根據(jù)最終結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)需求調(diào)整。

13、優(yōu)選的，其中樹(shù)脂傳遞模塑工藝包括一個(gè)低壓預(yù)注入階段和一個(gè)高壓完全注入階段，以確保樹(shù)脂的完全浸潤(rùn)和無(wú)缺陷填充。

14、優(yōu)選的，其中固化過(guò)程采用分段溫控，初始固化階段在80℃下持續(xù)2小時(shí)，隨后增加至150℃并保持1小時(shí)。

15、優(yōu)選的，進(jìn)一步包括使用掃描電子顯微鏡對(duì)所得復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

16、本發(fā)明提供了提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法。具備以下有益效果：

17、1、本發(fā)明通過(guò)使用納米粒子增強(qiáng)復(fù)合材料，并對(duì)這些粒子進(jìn)行化學(xué)氧化和偶聯(lián)劑功能化處理，顯著提高了碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂之間的界面粘附力。這種界面優(yōu)化是通過(guò)在納米粒子表面引入官能團(tuán)實(shí)現(xiàn)的，這些官能團(tuán)能夠與樹(shù)脂形成更強(qiáng)的化學(xué)鍵，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度得到顯著提升，從而增強(qiáng)了材料的整體結(jié)構(gòu)完整性和耐久性。

18、2、本發(fā)明通過(guò)在復(fù)合材料中均勻分布經(jīng)過(guò)表面改性的納米粒子，本發(fā)明不僅改善了界面粘附力，而且還通過(guò)納米增強(qiáng)效應(yīng)顯著提高了材料的機(jī)械性能，如拉伸強(qiáng)度和模量。這些納米粒子的引入使得復(fù)合材料能夠在承受更高負(fù)載的同時(shí)維持或甚至提升其彈性，這對(duì)于航空航天、汽車和體育設(shè)備等高性能應(yīng)用領(lǐng)域尤為重要。

19、3、本發(fā)明采用的分段固化策略有助于優(yōu)化復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，特別是在高溫下的性能。通過(guò)先在較低溫度下允許樹(shù)脂逐步固化，然后提高溫度以加強(qiáng)材料的交聯(lián)密度，本發(fā)明確保了復(fù)合材料在較高的操作溫度下仍保持優(yōu)異的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性。這種改進(jìn)的熱穩(wěn)定性對(duì)于那些可能暴露于極端環(huán)境條件下的應(yīng)用尤其重要，如在航空航天領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的高溫環(huán)境。

20、4、本發(fā)明通過(guò)使用高精度的三維編織機(jī)和精細(xì)控制的rtm工藝，本發(fā)明能夠確保每一層纖維都在精確控制的條件下均勻分布和固化，從而提高了整個(gè)制造過(guò)程的可重復(fù)性和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。這種過(guò)程的可控性對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)高性能碳纖維復(fù)合材料至關(guān)重要，確保了產(chǎn)品的可靠性和生產(chǎn)效率。

21、通過(guò)綜合以上各點(diǎn)，本發(fā)明顯著提高了碳纖維復(fù)合材料的整體性能，包括機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這些性能的提升使得本發(fā)明的復(fù)合材料更適合于需求嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用，特別是那些需要輕質(zhì)高強(qiáng)材料的領(lǐng)域，從而拓寬了其市場(chǎng)應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，其特征在于，其中化學(xué)氧化處理在溫度控制在40℃至60℃的條件下進(jìn)行，處理時(shí)間為1至3小時(shí)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，其特征在于，其中硅烷偶聯(lián)劑為3-氨基丙基三乙氧基硅烷，與納米粒子的質(zhì)量比為1:10，功能化處理時(shí)間控制在2至4小時(shí)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，其特征在于，其中納米粒子與環(huán)氧樹(shù)脂的混合采用高能球磨機(jī)進(jìn)行，球磨時(shí)間為30至60分鐘，球磨速度設(shè)置為500至800rpm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，其特征在于，其中納米增強(qiáng)樹(shù)脂混合物在混合后立即進(jìn)行至少15分鐘的真空脫氣處理，真空壓力為-0.1mpa。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，其特征在于，其中所述三維編織機(jī)配置有微處理器控制的自動(dòng)張力調(diào)整系統(tǒng)，以確保編織過(guò)程中纖維張力的一致性。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，其特征在于，其中編織參數(shù)包括纖維張力設(shè)置在200至500牛頓，編織密度為每平方厘米不少于15股纖維，層厚根據(jù)最終結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)需求調(diào)整。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，其特征在于，其中樹(shù)脂傳遞模塑工藝包括一個(gè)低壓預(yù)注入階段和一個(gè)高壓完全注入階段，以確保樹(shù)脂的完全浸潤(rùn)和無(wú)缺陷填充。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，其特征在于，其中固化過(guò)程采用分段溫控，初始固化階段在80℃下持續(xù)2小時(shí)，隨后增加至150℃并保持1小時(shí)。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，其特征在于，進(jìn)一步包括使用掃描電子顯微鏡對(duì)所得復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及高性能復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了提升碳纖維材料層間結(jié)合強(qiáng)度的多層織物鋪設(shè)方法，包括以下步驟：步驟一、選擇碳納米管或石墨烯片作為納米粒子，進(jìn)行化學(xué)氧化處理以引入官能團(tuán)，并使用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行功能化處理；步驟二、將功能化的納米粒子與環(huán)氧樹(shù)脂在高剪切力混合設(shè)備中混合，以形成均勻的納米增強(qiáng)樹(shù)脂；步驟三、使用三維編織機(jī)將碳纖維按預(yù)定的三維結(jié)構(gòu)模式編織，并在編織過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控纖維張力和編織密度。通過(guò)使用納米粒子增強(qiáng)復(fù)合材料，進(jìn)行化學(xué)氧化和偶聯(lián)劑功能化處理，提高了碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂之間的界面粘附力，官能團(tuán)能夠與樹(shù)脂形成更強(qiáng)的化學(xué)鍵，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度提升，增強(qiáng)了材料的整體結(jié)構(gòu)完整性和耐久性。

技術(shù)研發(fā)人員：朱鈞衡
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州天順復(fù)合材料科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17