[发明专利]一种芳纶纤维/石墨烯复合增强碳纤维树脂预浸料

说明书

本发明涉及一种芳纶纤维/石墨烯复合增强碳纤维树脂预浸料，主要成分为碳纤维、环氧树脂、芳纶纤维、石墨烯；制备工艺主要包括：首先以丙酮作为有机溶剂，借助于超声震荡和机械搅拌等处理方法，将芳纶纤维和石墨烯均匀分散在环氧树脂中，再利用预浸料机将添加了芳纶纤维和石墨烯的环氧树脂与碳纤维结合，通过辊压成型的工艺制备芳纶纤维/石墨烯复合增强碳纤维树脂预浸料。本申请相对于普通碳纤维预浸料来说，能够改善预浸料层压固化后所形成的碳纤维增强树脂基复合材料层间树脂层脆性大、易发生分层断裂破坏的缺点，增强CFRP的结构稳定性和抗冲击性能，提高材料的拉伸强度、压缩强度及层间剪切强度等多项力学性能。

技术领域

本发明涉及碳纤维复合技术领域，具体的说，是一种芳纶纤维/石墨烯复合增强碳纤维树脂预浸料。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(下文简称：碳纤维复合材或CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以热固性或热塑性树脂为基体，经过合适的成型工艺所制备的层状复合材料。其兼并了碳纤维的高强度和树脂的低比重，具有高强度、高模量、低比重、耐高温、耐疲劳性好、热膨胀系数小、耐腐蚀性能好、可设计性强、成型性好等优点，被广泛应用于航空航天、导弹等国防科技领域；大型客机等民用航空领域；高速轨道交通、船泊、新型汽车等民用交通领域；以及体育用品、化工机械、电力设施、纺织机械和医疗器械等日常生活及工业生产领域，是目前世界上最先进的复合材料之一。

预浸料是由树脂基体在严格的控制条件下，通过浸渍碳纤维增强体制成的树脂基体与增强体组合物，可直接用以制造加工成各种复合材料构件，是制造生产CFRP材料的半成品，构成了CFRP材料的基本单元。

据估计，2020年全球碳纤维预浸料消费需求量为2.65亿平方米，预测到2025年将增涨至4.61亿平方米；全球碳纤维预浸料消费市场将从2019年的70亿美元增长到2024年的115亿美元，预测期内市场规模的复合年增长率为10.5％。就市场规模和用量而言，航空航天和国防行业占据了碳纤维预浸料市场的主要份额，这是得益于碳纤维预浸料出色的强度重量比，优异的耐腐蚀和抗疲劳性，高刚度等优点，可有效降低飞行器的整体重量，从而提高了飞行效率。此外，碳纤维预浸料还具有易加工、易运输以及保质期较长等优点，在汽车、体育和休闲、风电新能源等多个民用领域得到了广泛的应用。

由于碳纤维预浸料在用于生产CFRP制品时最普遍的加工方法为铺展层叠，使得CFRP制品内部结构层间存在着脆性较大的纯环氧树脂连接层，因而CFRP结构表现出层间结合强度较低、易发生分层破坏等缺点，严重影响了整体结构的稳定性和安全性。因此，对层间环氧树脂连接层的性能改良，增加其强度和韧性，成为提高CFRP材料结构力学性能以及抗冲击、抗分层能力的关键。

常见的CFRP层间增强方法包括短纤维增韧以及纳米粒子增韧。短纤维增是指将高强度、高韧性的短纤维均匀分布于CFRP层间树脂层中，当结构受力时，通过短纤维的桥连作用阻碍裂纹的产生与扩展，进而起到增强的作用；纳米粒子增韧是指通过加入刚性的纳米粒子提高环氧树脂的断裂韧性、抗冲击性以及拉伸断裂强度等物理性能。两种技术的关键问题及技术难点在于实现增强添加剂(短纤维及纳米粒子)在层间的均匀分布，直接混合容易因短纤维或纳米粒子的团聚以及分布不均而造成缺陷和空隙，进而影响CFRP结构力学性能。

发明内容

本发明的目的在于改良现有碳纤维预浸料产品，增强CFRP材料的结构性能，克服现有CFRP层间增强技术的不足，提供一种芳纶纤维/石墨烯复合增强碳纤维树脂预浸料及其制备方法。该产品主要成分为碳纤维、环氧树脂、芳纶纤维、石墨烯，生产工艺主要包括：首先以丙酮作为有机溶剂，将芳纶纤维和石墨烯均匀分散在环氧树脂中，并利用涂胶机制成胶膜；再利用预浸料机将添加了芳纶纤维和石墨烯的环氧树脂胶膜与碳纤维结合；最后通过辊压成型的工艺制备芳纶纤维/石墨烯复合增强碳纤维树脂预浸料。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种芳纶纤维/石墨烯复合增强碳纤维树脂预浸料，其原料组份的质量比为：