[发明专利]高性能碳纤维纳米复合材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能碳纤维纳米复合材料及其应用。 

背景技术

人类发展的历史证明，材料是人类生存和发展、征服自然的物质基础。也是人类社会现代文明的重要支柱。人类经历了以石器、青铜器、铁器时代为代表的石器时代、青铜器时代、铁器时代之后，已经跨进以新材料为代表的网络信息时代。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破，都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，并给社会生产和人的生活带来巨大的变化。 

材料一般可分为无机材料（包括水泥、砖瓦、陶瓷、玻璃等）、金属材料、高分子材料（包括纤维、橡胶、塑料等）及复合材料四大类。复合材料是有有机高分级、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺而成的新型材料，它既能保留原组成材料的重要特点，又能通过复合效应获得原组分所不具备的性能。还可以通过材料改进使得各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。 

复合材料是现代科学技术发展而涌现出的具有强大生命力的材料，它是由两种或者两种以上异质、异形、异性的材料用物理和化学的方法经人工复合形成的新材料，一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。复合材料可经改进，即通过对原材料的选择，各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料有点互补，从而显现了出色的综合性。 

复合材料可按用途不同，分为结构复合材料和功能复合材料两大类。未来将出现结构复合与功能复合材料并重的局面，而且功能复合材料更具有与其它功能材料竞争的优势。 

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种高性能碳纤维纳米复合材料及其应用，该材料具有高模量、高强度的特点。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

将纳米增强材料加入到含粘合剂（adhesive）或纤维上浆料（fiber sizing，纤维浸润剂）或其组合的液体溶液中，然后倾倒到被制得的纤维（碳纤维）上，包含纳米增强材料的碳纤维丝束可以进行加工，以便用热固性树脂浸渍，从而形成复合结构材料； 

上浆料（sizing）是中性整理剂，本发明选用环氧树脂（其在压合板材时使用到），其在进一步加工过程中保护纤维并用作复合材料树脂体系的界面； 

上浆材料(上浆料)：碳纤维易碎，因此，本发明在其进行处理时加入一些保护或润滑剂，其不在加工设备上形成任何残留； 

考虑相容性，本发明使用环氧制剂（epoxy formulation）与环氧树脂一起使用，优选浆料在上浆纤维的处理过程中化学或物理性质不改变； 

将纳米增强材料混合到液体中，所述液体在溶剂中包含粘合剂、上浆料或其组合的溶液，可以将纳米增强材料以无规取向或有序取向来施用，当将纳米增强材料以有序方式施用时，可以用多种方式来实现，本发明用移动丝束法（moving tow），碳纤维丝束经过喷嘴，用有槽的进料器和压板来梳理； 

将丝束卷轴展开，成为展开丝束，将纳米增强材料进料器置于丝束展开器的上方，以将纳米增强材料俱应到展开丝束上，在将纳米增强材料施用至展开丝束上之后，使已涂覆的纤维通过加热器，该加热器可以是红外加热器、烤箱式加热辊，然后可以使已涂覆并加热的纤 维通过一组压辊，并使用小孔装置将其重新变为丝束，然后可以将合并后的丝束重新绕在卷轴上； 

本发明将制成的纳米增强纤维丝束模塑为高强度复合材料以用于结构用途。 

如本文所述，环氧树脂，一般是指至少含有两个环氧基的高分子化合物，环氧树脂热固性树脂，它可与固化剂进行交联反应生成不同性能的固化物，并以各种商品形式（如增强塑料、涂料、模压材料、胶接材料、密封剂等）供应市场。环氧树脂分子结构中具有极的脂肪族羟基、醚键以及极为活波的环氧基，因此对极性材料具有高效的粘接力，并且还具有良好的耐化学药品性、电绝缘性及收缩率刁等优点。因此，在合成胶黏剂的基料中，无论是在性能和品种方面，还是产量和用途方面，环氧树脂都占有举足轻重的地位。