[發(fā)明專(zhuān)利]一種低/負(fù)熱膨脹復(fù)合材料2.5D多尺度預(yù)制體及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811253305.8
• 申請(qǐng)日: 2018-10-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109080235B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鞠錄巖;張建兵;郭龍龍;馬玉欽
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安石油大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B32B9/00
• 分類(lèi)號(hào): B32B9/00;B32B9/04;B32B5/06;B32B3/08;B32B38/00;B32B38/16;D06M11/48;D06M101/40
• 代理公司: 西安通大專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

本發(fā)明公開(kāi)了一種低/負(fù)熱膨脹復(fù)合材料2.5D多尺度預(yù)制體及其制備方法，包括：在容器中放入單層纖維無(wú)緯布或纖維織物；在容器中倒入蒸餾水，并將負(fù)膨脹顆粒放入蒸餾水中；將具有負(fù)膨脹顆粒和碳纖維的液體超聲處理，使負(fù)膨脹顆粒均勻分散；將超聲后的液體靜置，使負(fù)膨脹顆粒均勻沉降到單層碳纖維無(wú)緯布或碳纖維織物上，形成非連續(xù)增強(qiáng)層；按照所需的鋪層方式將所制備的帶有負(fù)膨脹顆粒的單層碳纖維無(wú)緯布或碳纖維織物制備成所需的層合預(yù)制體，并用穿刺纖維束進(jìn)行Z向穿刺加固。得到纖維?負(fù)膨脹顆粒2.5D多尺度復(fù)合材料預(yù)制體。本發(fā)明制備的纖維預(yù)制體可用于生產(chǎn)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、低熱膨脹系數(shù)的樹(shù)脂基復(fù)合材料和輕金屬基復(fù)合材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種低/負(fù)熱膨脹復(fù)合材料2.5D多尺度預(yù)制體及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著科技的發(fā)展人們對(duì)材料的性能提出了越來(lái)越高的要求。繼金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料之后，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其比強(qiáng)度、比剛度大，性能可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，得以在航空航天、汽車(chē)及運(yùn)動(dòng)器械等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料而言，纖維預(yù)制體作為復(fù)合材料中主要的承載體直接決定了復(fù)合材料的性能。目前，先進(jìn)復(fù)合材料的預(yù)制體主要以基于層合復(fù)合材料力學(xué)理論設(shè)計(jì)的層合結(jié)構(gòu)為主，如圖1所示。但是由于纖維鋪層具有正交各向異性，纖維鋪層之間熱膨脹系數(shù)差異巨大，并且這種預(yù)制體纖維鋪層之間靠基體材料結(jié)合，層間結(jié)合強(qiáng)度低。因此，極易因熱膨脹系數(shù)不匹配而出現(xiàn)層間開(kāi)裂的現(xiàn)象。為了提高層間剪切強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)纖維鋪層之間熱膨脹系數(shù)匹配，克服層間開(kāi)裂的弊端，人們提出了多尺度混雜增強(qiáng)的方法，通過(guò)在纖維鋪層之間添加微米級(jí)或納米級(jí)增強(qiáng)體的方法提高纖維鋪層之間的層間剪切強(qiáng)度。文獻(xiàn)“鄭國(guó)棟,張清杰,鄧火英等.不同官能化碳納米管對(duì)MWCNTs-碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2015,32(03):640-648.”在環(huán)氧樹(shù)脂中分別加入1.0wt％的MWCNTs-COOH和MWCNTs-EDA，在80℃下高速攪拌6h。再加入固化劑在60℃下攪拌均勻，真空脫泡后制備成樹(shù)脂膠膜，與T700碳纖維在熱熔浸膠機(jī)上制成單向預(yù)浸料。將單向預(yù)浸料鋪層放置在模具中，經(jīng)固化壓制成準(zhǔn)各向同性復(fù)合材料板。該技術(shù)可以使碳納米管均勻分散在層間基體中，提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，減少層間開(kāi)裂。但是該技術(shù)僅適用于制備纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，在制備金屬基復(fù)合材料時(shí)，會(huì)因金屬基體與纖維增強(qiáng)體之間潤(rùn)濕困難而無(wú)法制備預(yù)浸料。

文獻(xiàn)“范汶鑫,王延相,陳紀(jì)強(qiáng),等.碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管及其增強(qiáng)復(fù)合材料性能的研究[J].功能材料,2015,46(20):20097-20101+20107.”通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極氧化法改性碳纖維表面，利用浸漬法在連續(xù)的碳纖維表面加載了均勻的催化劑前驅(qū)體涂層，并通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(CVD)在碳纖維表面催化生長(zhǎng)了均勻、規(guī)整的碳納米管，工藝流程如圖2。該方法可以成功制備碳纖維與碳納米管混雜增強(qiáng)的預(yù)制體，但是該方法工藝復(fù)雜，CVD法對(duì)設(shè)備和工藝都有很高的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種低/負(fù)熱膨脹復(fù)合材料2.5D多尺度預(yù)制體及其制備方法。本發(fā)明制備的纖維預(yù)制體可用于生產(chǎn)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、低熱膨脹系數(shù)的樹(shù)脂基復(fù)合材料和輕金屬基復(fù)合材料。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種低/負(fù)熱膨脹復(fù)合材料2.5D多尺度預(yù)制體的制備方法，包括以下步驟：

1)在容器中放入單層纖維無(wú)緯布或纖維織物，使其平鋪于容器底部，用于制作連續(xù)纖維層；

2)在容器中倒入蒸餾水，并將負(fù)膨脹顆粒放入蒸餾水中，攪拌均勻；

3)將步驟2)中具有負(fù)膨脹顆粒和纖維的液體超聲處理，使顆粒均勻分散，并進(jìn)入纖維束內(nèi)和束間；

4)將步驟3)中超聲后的液體靜置，使負(fù)膨脹顆粒均勻沉降到單層纖維無(wú)緯布或纖維織物上，形成厚度均勻、含量可控的非連續(xù)增強(qiáng)層；