[發(fā)明專利]中空碳纖維布環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010184682.8
• 申請(qǐng)日: 2010-05-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101870800A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 溫廣武;于洪明;黃小蕭;鐘博;張曉東;張濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C08L63/02
• 分類號(hào): C08L63/02;C08K13/06;C08K9/04;C08K7/06;C08K5/17;B29C70/40
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料由于其中的碳纖維具有超高的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和熱導(dǎo)率，低的熱膨脹系數(shù)，優(yōu)異的抗燒蝕及抗氧化等性能，使碳纖維復(fù)合材料成為航天航空工業(yè)的基本結(jié)構(gòu)材料，采用碳纖維復(fù)合材料制備的宇宙飛行器的結(jié)構(gòu)部件和熱防護(hù)材料，不僅可以滿足苛刻的環(huán)境要求，而且由于它質(zhì)輕耐用，還可以代替鋼，節(jié)約燃料，減少碳排放等在航空、航天和軍事領(lǐng)域中有十分重要的用途。然而，復(fù)合材料的質(zhì)量成為制約飛行器性能的一個(gè)主要瓶頸。現(xiàn)有的碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的密度在1.5g/cm³～1.9g/cm³之間，要想提高飛行器的飛行速度和飛行距離，如何制備密度更小的復(fù)合材料成為關(guān)鍵；碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在制備過(guò)程中，要首先對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性，增強(qiáng)碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂的結(jié)合強(qiáng)度，存在改性過(guò)程復(fù)雜的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料密度大及碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的過(guò)程中需要首先要對(duì)碳纖維進(jìn)行復(fù)雜的表面改性的問(wèn)題，而提供中空碳纖維布環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料及其制備方法。

中空碳纖維布環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料是由中空碳纖維布和環(huán)氧樹(shù)脂膠制成的；其中中空碳纖維布是由尿素和乙二醇按質(zhì)量比為50～100：1制成的；環(huán)氧樹(shù)脂膠是由雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂、丙酮和二乙烯三胺組成的，其中雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂和丙酮的質(zhì)量比100：5～10、雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂和二乙烯三胺的質(zhì)量比為100：8～12。

本發(fā)明的中空碳纖維布環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行：一、按尿素和乙二醇的質(zhì)量比為50～100：1稱取尿素和乙二醇并混合均勻，然后放入石墨坩堝中，將石墨坩堝置于氣氛燒結(jié)爐中，再將氣氛燒結(jié)爐抽真空，使?fàn)t內(nèi)真空度達(dá)到0.1Pa～1Pa；二、向氣氛燒結(jié)爐內(nèi)充入高純氮?dú)饣驓鍤猓箽夥諢Y(jié)爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到0.2MPa～2.0MPa；三、以5℃/min～30℃/min的速度使氣氛燒結(jié)爐內(nèi)的溫度升至900℃～1600℃后保溫0.5h～4h，然后隨爐冷卻到15℃～30℃，從石墨坩堝上揭下中空碳纖維布；四、稱取雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂、丙酮和二乙烯三胺，然后將丙酮加入到雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂中，攪拌均勻之后再加入二乙烯三胺，再攪拌均勻，得到環(huán)氧樹(shù)脂膠；其中雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂和丙酮的質(zhì)量比100：5～10、雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂和二乙烯三胺的質(zhì)量比為100：8～12；五、將經(jīng)步驟三制備的中空碳纖維布浸入到經(jīng)步驟四得到的環(huán)氧樹(shù)脂膠中保持5min～20min，然后將浸漬好的中空碳纖維布逐層疊加平鋪在模具中，得到待壓件；六、將經(jīng)步驟五得到的待壓件先在溫度為15℃～30℃、壓力為5MPa～10MPa的條件下保持1h～4h，然后再將待壓件放在真空干燥箱中，在真空度為0.1～1Pa、溫度為80℃～120℃的條件下保持0.5h～2h，得到中空碳纖維布環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。

本發(fā)明利用化學(xué)氣相生長(zhǎng)所得到的中空碳纖維布是由管徑在500nm，壁厚在10nm左右，長(zhǎng)度達(dá)到厘米級(jí)的高純中空碳纖維自組裝生成的，該中空碳纖維布是在低溫下原位合成的，石墨化程度良好，并且在合成過(guò)程中，在中空碳纖維表面上接枝上了氨基，顯著提高了與環(huán)氧樹(shù)脂基體的結(jié)合，在復(fù)合材料制備時(shí)無(wú)需再進(jìn)行任何的表面處理。中空碳纖維布的制備方法簡(jiǎn)單，通過(guò)調(diào)整石墨坩堝的底面積和加料量就能達(dá)到調(diào)控中空碳纖維布的面積和厚度的目的，中空碳纖維布的厚度在50μm～200μm范圍內(nèi)，面積與石墨坩堝的底面積相同，中空碳纖維布的中空碳纖維具有納米碳管很多優(yōu)異的性能，中空碳纖維的抗拉強(qiáng)度為700MPa～1200MPa，彈性模量為0.5TPa～1.2TPa，電阻率為1.2×10^-9Ω·m～2.5×10^-8Ω·m，具有高強(qiáng)度、高模量、高導(dǎo)電性的優(yōu)點(diǎn)，而且中空碳纖維的密度僅為碳纖維的二十分之一，強(qiáng)度比碳纖維還要高，使本發(fā)明的方法制備的中空碳纖維布環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的重量大大減輕，該中空碳纖維布環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為130MPa～210MPa，彈性模量為10GPa～20GPa，密度為1.00g/cm³～1.05g/cm³，可以將其用于宇宙飛船、人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)和導(dǎo)彈上，可以大大減輕部件的質(zhì)量，顯著提高有效載荷、航程或射程。

附圖說(shuō)明