[發明專利]一種高壓縮強度和高壓拉比碳纖維復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810268251.6
• 申請日: 2018-03-29
• 公開（公告）號: CN108794979B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 馮志海;朱世鵬;楊云華;李龍;潘月秀
• 申請（專利權）人: 航天材料及工藝研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08K13/06;C08K9/02;C08K9/06;C08K7/06;C08K3/04;C08J5/06
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 范曉毅

本發明公開了一種高壓縮強度和高壓拉比碳纖維復合材料及其制備方法，屬于復合材料領域。該復合材料包括樹脂基體和增強纖維，所述增強纖維為纖維單絲直徑為5.4～7.0μm的碳纖維，所述樹脂基體包括如下質量份組分：100份樹脂、30～60份固化劑、0.5～2份促進劑和0.1～3份無機納米粒子。本發明復合材料具有優良的力學性能，尤其是高壓縮強度和較好的壓拉平衡特點，可用于制備航天航空飛行器主承力結構件，也可以滿足高鐵、汽車和其他工業裝備領域對輕質高強、壓縮強度和高壓拉比復合材料的需求。

技術領域

本發明屬于復合材料領域，具體涉及一種高壓縮強度和高壓拉比碳纖維復合材料及其制備方法與應用。

背景技術

碳纖維復合材料因其密度低及模量強度高等優異特性在承載結構中得到廣泛使用。目前我國國防裝備用先進復合材料采用以T300和T700級碳纖維增強環氧為代表的第一代先進復合材料，拉伸強度在1300～1500MPa，拉伸模量在120～140GPa。而以T800級碳纖維為增強體的第二代先進復合材料的拉伸強度可達2400～2800MPa，拉伸模量達150～170GPa。我國新一代重大裝備對第二代先進復合材料需求迫切。

隨著碳纖維不斷通過減小直徑提高拉伸強度，復合材料的拉伸強度也相應大幅提高，但其壓縮和彎曲強度卻沒有明顯提升。例如日本東麗T300碳纖維直徑和拉伸強度典型值分別為7μm和3530MPa，東麗T800H碳纖維的直徑和拉伸強度典型值為5μm和5490MPa。對于環氧樹脂基單向復合材料層合板而言，T800級碳纖維復合材料拉伸強度由T300復合材料的1600MPa左右提高到2800MPa左右，而壓縮強度則基本保持1500MPa左右，壓縮強度與拉伸強度之比(簡稱壓拉比)也從約0.9下降至0.5左右，彎曲強度則從1800MPa降低至1600MPa左右。

壓縮、彎曲和壓拉平衡性能偏低，導致碳纖維復合材料構件受壓縮和彎曲載荷時容易破壞，其應用受到限制，減重效果降低，難以滿足新型裝備使用要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高壓縮強度和高壓拉比碳纖維復合材料及其制備方法。本發明提供的復合材料具有優良的力學性能，尤其是高壓縮強度和高壓拉比特點，可用于制備新型航天航空飛行器主承力結構件，也可以滿足高鐵、汽車和其他工業裝備領域對輕質高壓縮強度和高壓拉比復合材料的需求。

本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的：

一種高壓縮強度和高壓拉比碳纖維復合材料，包括樹脂基體和增強纖維，所述增強纖維為纖維單絲直徑為5.4～7.0μm的碳纖維，所述樹脂基體包括如下質量份組分：100份樹脂、30～60份固化劑、0.5～2份促進劑和0.1～3份無機納米粒子。

在一可選實施例中，所述增強纖維拉伸強度為5400～6200MPa，拉伸模量為280～320GPa。

在一可選實施例中，所述樹脂為4,4’‐二氨基二苯基甲烷四縮水甘油基環氧樹脂、鄰苯二甲酸二縮水甘油酯環氧樹脂、雙酚A型縮水甘油醚環氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂中的至少一種；所述固化劑為二氨基二苯砜、二氨基二苯甲烷或二苯基甲烷二胺中的至少一種。

在一可選實施例中，所述促進劑為芐基二甲胺、2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚或2-乙基-4-甲基咪唑中的至少一種。

在一可選實施例中，所述無機納米粒子為碳納米管或石墨烯中的至少一種。

一種高壓縮強度和高壓拉比碳纖維復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將100質量份樹脂、30～60質量份固化劑、0.5～2質量份促進劑和0.1～3質量份無機納米粒子機械攪拌混合，得到樹脂基體；

(2)將纖維單絲直徑為5.4～7.0μm的碳纖維浸漬到所述樹脂基體中，制備預浸料；