[发明专利]一种碳纤维增强树脂基的高性能轻量化复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维增强树脂基的高性能轻量化复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维以其高比强度、高比模量、小的现行膨胀系数、低密度、耐高温、抗腐蚀、优异的热及电传导性等特点，被称为新材料之王，常用作高性能树脂基复合材料的增强材料，广泛应用于飞机制造、国防军工、汽车、医疗器械、体育器材等方面。由于碳纤维原丝表面有大量惰性石墨微晶堆砌而成，所以原丝表面呈非极性，表面能小，与树脂基体的浸润性差，界面结合性能差。此外，高性能的碳纤维表面光滑，比表面积小，这也使得碳纤维与基体之间不能形成有效的机械锚合作用，碳纤维与树脂基体之间的界面强度下降。

为解决上述问题，一般对碳纤维进行表面改性处理，常见的有涂层法、氧化法和辐射法，虽然能在一定程度上改善碳纤维与树脂基体的结合性能和复合材料强度，但是仍旧无法满足人们对复合材料高性能的要求。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种碳纤维增强树脂基的高性能轻量化复合材料及其制备方法，其能够提高碳纤维增强树脂基复合材料的力学性能，改善碳纤维在树脂基中的相容性和分散性，满足高强轻质复合材料应用领域的需求。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种碳纤维增强树脂基的高性能轻量化复合材料，包括以下重量份的组分：复合树脂65-75份、改性碳纤维20-25份、玻璃纤维10-15份、固化剂 10-12份和稀释剂15-20份；

其中，复合树脂是由92.5wt％的4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯和7.5wt％的4,4-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺复合而成；

其中，改性碳纤维的制备方法为：将碳纤维进行清洗除杂处理；将经浓硫酸和浓硝酸酸化处理后的石墨烯与硅烷偶联剂进行接枝反应，制得改性石墨烯，将改性石墨烯、4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯和固化剂按照重量比为3:55:10的比例混合，制得上浆剂；将碳纤维置于上浆剂中在惰性气氛下用射线按照240kGy的剂量辐照，制得改性碳纤维。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，制备改性石墨烯包括以下具体步骤：

将石墨烯置于浓硫酸中磁力搅拌4-5h，经超声波清洗1.5-2h后再置于浓硝酸中磁力搅拌50-60min，在100-120℃的条件下恒温回流2-3h,用去离子水稀释并过滤，将过滤物用去离子水反复清洗直至滤液PH值为7，然后将过滤物置于55-60℃的条件下真空烘干，制得酸化石墨烯；

向无水乙醇中加入稀盐酸溶液调节PH值为4.8-5.2，然后加入硅烷偶联剂配置成溶质质量分数为2.5％的混合溶液，向混合溶液中按料液比为1:1 的重量比加入酸化石墨烯，超声分散30min后，在温度为75-80℃恒温水浴条件下机械搅拌2-3h，将得到的反应物用丙酮清洗后真空抽滤，再用无水乙醇清洗直至滤液PH值为7,在85-90℃的条件下真空烘干，制得改性石墨烯。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述玻璃纤维为改性玻璃纤维，所述改性玻璃纤维的制备方法为：将玻璃纤维超声波清洗后，在125-130℃的条件下烘干，然后加入硅烷偶联剂中搅拌5-10min，置于80-100℃的条件下烘干，制得改性玻璃纤维。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述固化剂为芳香胺固化剂。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述芳香胺固化剂为二乙基甲苯二胺。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述稀释剂为粘度为 150-200mpa·s的环氧树脂。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述高性能轻量化复合材料包括按重量份计的复合树脂70份、改性碳纤维22份、玻璃纤维10份、固化剂 11份和稀释剂15份。

上述的碳纤维增强树脂基的高性能轻量化复合材料的制备方法，包括：

(1)将复合树脂和固化剂在50-55℃的恒温水浴条件下加热，待复合树脂和固化剂变成流动状态后，按照上述配比将复合树脂与固化剂混合均匀，制得树脂基混合体；

(2)然后向树脂基混合体中按照上述配比加入改性碳纤维、玻璃纤维和稀释剂，超声分散2.5-3h，制得混合浆料；

(3)将混合浆料倒入模具中进行固化成型，脱模制得高性能轻量化复合材料。

本发明具有以下有益效果：