[发明专利]一种泡泡分散短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种泡泡分散短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料的制备方法。所述制备方法包括：将向分散在水中的短切碳纤维加入分散剂，利用机械搅拌形成短切碳纤维均匀的水分散体系；向所述水分散体系引入发泡剂和稳定剂，产生泡泡；挤压泡泡破裂，再经压缩成型形成预制体；将所述预制体烘干、真空渗透酚醛树脂、固化成型，获得短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增强复合材料的制备方法，特别是一种泡泡分散短切碳纤维及其增强酚醛树脂基复合材料的制备方法，属于碳纤维复合材料制备领域。

背景技术

短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料已广泛应用在航空、航天、汽车、船舶等领域。目前的短切纤维增强树脂基复合材料主要采用热压成型工艺，存在纤维取向、易分层、可设计性低等问题，导致复合材料较低的层间剪切强度，影响了其实际应用。从其结构特点来看，实现短切碳纤维增强体相互独立彼此穿插交织，形成三维立体交织结构，是提高复合材料的剪切强度的有效方法之一。

发明专利“一种短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料的制备方法(申请号CN201010520238.9)”以分散处理后短切碳纤维为增强材料，将其溶解于无水乙醇中，同时加入酚醛树脂均匀混合，经模压制得短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料，避免了团聚现象，提高纤维增强树脂基复合材料的层间剪切强度。发明专利“一种深交联结构碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料及其制备方法(申请号：201510531119.6)”公开了一种深交联结构碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料，该摩擦材料的制备方法包括将深交联结构碳纤维预制体浸没于胶液中，并经模压处理制备摩擦材料，摩擦材料中接结经纱贯通材料整个厚度方向形成三维立体结构，克服脱层问题，增加层间剪切强度，具有结构可设计性、整体抗冲击性能和耐疲劳性能。杨威等(刚性短切碳纤维预制体和酚醛浸渍碳烧蚀体的制备及性能,《宇航材料工艺》2016年第2期13-18页)采用短切碳纤维、热塑性酚醛树脂为原料，聚丙烯酰胺作为分散剂，经溶液混合均匀，真空成型，干燥固化和碳化制备出形貌良好，密度较低的短切碳纤维预制体采用溶液浸渍碳毡，经过溶胶-凝胶反应和常压干燥后，制备出一系列不同密度的酚醛浸渍烧蚀体。

但是，传统的短切碳纤维液相分散、过滤、再压制工艺会导致严重的分层取向问题。

发明内容

为了解决上述问题，实现高体积分数无取向短切碳纤维预制体制备的关键在于分散成型方法。本发明提供一种泡泡分散短切碳纤维及其增强酚醛树脂基复合材料的制备方法。具体来说，在短切碳纤维均匀分散的水体系中引入起泡剂，形成大量的气泡，在气泡的表面张力和粘度液体作用下，短切碳纤维均匀分散在泡泡中，并随泡泡浮在容器的上部。分散处理后短切碳纤维挤压破泡、模压成型、干燥、酚醛树脂渗透、固化制备复合材料。该复合材料碳纤维可形成三维交织结构，一定程度避免了分层问题，增加了层间剪切强度和整体抗冲击性能。

第一方面，本发明提供了一种泡泡(或称气泡)分散短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料的制备方法，包括：将短切碳纤维加入水中加入分散剂，利用机械搅拌形成短切碳纤维均匀的水分散体系；向所述水分散体系引入发泡剂及稳定剂，二次搅拌，产生泡泡；挤压泡泡破裂，再经压缩成型形成预制体；将所述预制体烘干、真空渗透酚醛树脂、固化成型，获得短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料。

所述复合材料中短碳纤维具有三维交织结构，且通过模压成型，纤维体积分数高，这种立体交织结构减少了纤维的分层取向，提高了纤维增强树脂基复合材料的强度及各向同性，且工艺简单。

所述泡泡是指以少量液体构成的液膜隔开气体的气泡聚集物。所述起泡剂是指有利于产生气泡的物质称为起泡剂。所述稳泡剂是指增加泡沫稳定性的物质。

所述气泡及其分散特性(气泡的形成、聚集、浮力上升、破裂、粘度、表面张力，气泡寿命、气泡支撑、片层与破裂)区别于传统的水分散存在的沉降分层取向问题、过滤分层问题、球磨砂磨导致的纤维断裂变短甚至粉末化的问题。利用短期碳纤维在泡泡的表面张力支撑下均匀分散，利用泡泡的高粘性弹性，避免泡泡破裂后短切纤维的分层与取向，实现短切纤维的高体积均匀分散分布。