一种钢基碳纤维复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钢基碳纤维复合材料及其制备方法，该钢基碳纤维复合材料包括多个相互缠绕的弯曲碳纤维、钢基材料和粘结在碳纤维表面的胶合剂；其中碳纤维、胶合剂与钢基材料通过化学键连接形成，粘结在碳纤维表面的胶合剂与钢基材料之间通过化学键形成珊瑚状交界面；该钢基碳纤维复合材料利用液态胶合剂对碳纤维进行浸润；将多余胶合剂挤压掉后进行缠绕处理，形成沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维；抽真空处理后，与液态钢基材料进行复合；最后放入模具加压冷却成型，得到成型的通过化学键连接的钢基碳纤维复合材料。本发明专利技术所形成的复合材料远远突破常规各类钢材基体材料自身的模量上限，刚度、抗拉强度、断裂力和剪切强度得到大幅增加。

Steel based carbon fiber composite material and preparation method thereof

The present invention relates to a steel based carbon fiber composite material and its preparation method, the steel base carbon fiber composite material comprises a plurality of intertwined bending carbon fiber, steel base material and adhesive bonded on the surface of carbon fiber; the carbon fiber, cement and steel based materials by chemical bond formation, the formation of coral to the interface between the surface of carbon fiber cement and steel based materials bonded by chemical bonds; the steel based carbon fiber composite material of carbon fiber cement by liquid infiltration; the excess cement squeeze out after winding, forming a sponge with carbon fiber and cement with three-dimensional structure; vacuum processing, and liquid steel base composite materials; finally in mold pressure cooling molding, steel based carbon fiber composite material connected by chemical bond forming. The composite formed by the invention breaks through the upper limit of the modulus of the conventional steel matrix material, and the rigidity, tensile strength, fracture force and shearing strength are greatly increased.

【技术实现步骤摘要】
一种钢基碳纤维复合材料及其制备方法
本专利技术涉及复合材料领域，尤其涉及一种钢基碳纤维复合材料及其制备方法。
技术介绍
由于普通钢材的模量、抗拉强度、抗疲劳强度、比强度都有上限，不能满足更高层面的材料学需求，所以越来越多的汽车制造商开始将钢基体碳纤维复合材料应用于汽车板材，以提高汽车性能并降低汽车制造成本。现有以钢为基体的纤维增强型复合材料主要包括如下两种：碳纤维板材钢板夹层复合材料和碳纤维丝束-碳纤维预制棒复合材料。这两种碳纤维复合材料材料性能提高不明显，而且碳纤维与钢板间的复合不紧密、界面易脱层脱离。另外，以钢为基体的纤维增强型复合材料往往都有成本、生产难度以及设计方面的困难。比如以碳纤维的连续纤维或经纬编织布作为增强相时，需要根据使用条件预先设计后再柔性制造，无法做出类似金属材料的各向同性的通用件。大量碳纤维由于耐温性差、氧化氛围下易燃烧、大部分特种纤维与铁原子不能结合或容易直接发生化学反应等特性，导致此类复合材料的生产有着比较复杂的模具、工艺流程和较高的成本。尤其涉及柔性制造开模、烘烤等流程时，基本无法使用工业化方法制造此类材料。由此可见，现有以钢为基体的纤维增强型复合材料的生产工艺复杂，制作成本高，而且碳纤维与钢板间的界面易脱层脱离，材料性能有待提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前存在的问题，提供一种钢基碳纤维复合材料及其制备方法，其中复合材料的各项性能远高于普通钢材，同时生产成本、工艺门槛和批量化流程及通用性等方面都控制在金属材料体系内，使得有高性能材料需求的行业普遍受益。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：本专利技术提供一种钢基碳纤维复合材料，其包括：多个相互缠绕的弯曲碳纤维、钢基材料和粘结在碳纤维表面的胶合剂；所述碳纤维、胶合剂与钢基材料通过化学键连接形成，其中，粘结在碳纤维表面的胶合剂与钢基材料之间通过化学键形成珊瑚状交界面。更优选地，所述钢基碳纤维复合材料的各个组分中，以体积计，碳纤维占50～90％，胶合剂占5-20％，剩余为钢基材料。更优选地，所述钢基碳纤维复合材料的各个组分中，以体积计，碳纤维占70～85％，胶合剂占8-12％，剩余为钢基材料。更优选地，所述钢基碳纤维复合材料的各个组分，以体积计，碳纤维占77.5％，胶合剂占10％，剩余为钢基材料。更优选地，所述碳纤维的长度为5～10厘米。更优选地，所述胶合剂在碳纤维表面形成20-40nm的胶膜。更优选地，所述胶合剂为热塑性树脂、高温油性胶、高温乳胶、高温交联油中的一种或几种。本专利技术还提供一种上述钢基碳纤维复合材料的制备方法，其包括如下步骤：步骤A，将设定体积的碳纤维投入油床中，利用该油床中的液态胶合剂对碳纤维进行浸润；步骤B，将经过充分浸润的碳纤维提取出，并挤压以去除其中的多余胶合剂；步骤C，对挤压掉多余胶合剂后的碳纤维进行缠绕处理形成沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维；步骤D，将沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维进行抽真空处理，使碳纤维三维结构中的气体被抽出；步骤E，将液态钢基材料向沾满胶合剂的海绵状碳纤维中注射，并在注射过程中进行微震动，使得沾满胶合剂的碳纤维的三维结构中充实液态钢基材料；步骤F，将充实液态钢基材料且沾满胶合剂的碳纤维放入模具中加压冷却成型，得到成型的通过化学键连接的钢基碳纤维复合材料。更优选地，所述步骤C包括：当所述碳纤维为短纤碳纤维时，对挤压掉多余胶合剂后的碳纤维进行搅拌，并在搅拌过程中加入设定数量的连续纤碳纤维或者加入经经纬编织或三维编织形成的碳纤维网格，使沾满胶合剂的碳纤维相互缠绕形成具有三维结构的海绵状碳纤维；或者，当所述碳纤维为连续碳纤维时，对挤压掉多余胶合剂后的碳纤维进行搅拌，使沾满胶合剂的碳纤维相互缠绕形成沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维。更优选地，所述步骤D包括：将所述沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维送入密闭的真空复合室中，对该真空复合室进行抽真空处理，直至所述碳纤维三维结构中的气体被抽出；或者，将所述沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维直接放置在复合室的微注射器的针头之间，通过抽取微注射器，将碳纤维三维结构中的气体抽出。由上述本专利技术的技术方案可以看出，本专利技术具有如下技术效果：1、本专利技术复合材料的制作方法简单、合理，解决了现有技术中钢为基体的纤维增强型复合材料的生产工艺复杂，制作成本高的问题。2、本专利技术复合材料中的碳纤维呈复杂的弯曲状，混乱的碳纤维增大了碳纤维与钢基之间的界面面积，大幅增加了碳纤维能“抓取”成片金属分子的体积，也使得碳纤维与钢两种主要材料之间的结合致密度发生了质变。3、本专利技术中，粘结在碳纤维表面的胶合剂与钢基材料之间通过化学键形成极其复杂的“珊瑚状”交界面，使得碳纤维和钢基材料直接的结合紧密程度大幅提高。4、本专利技术通过钢材基体、碳纤维和胶合剂的加入，所形成的复合材料远远突破常规各类钢材基体材料自身的模量上限，刚度大幅增加，同时，增强了钢材的抗拉强度和断裂力。而且本专利技术的复合材料较碳纤维-树脂复合材料的剪切强度也得到了很大提高。5、因为本专利技术中碳纤维的存在，导致材料应力分散均匀，大幅增强了本专利技术复合材料的抗疲劳强度和抗蠕变性能，且很大程度上在高温合金钢基质的基础上提高了材料的热性能和抗蠕变性能。6、因为本专利技术中碳纤维在该复合材料中的体积含量占50～90％，且碳纤维的密度比钢低约3-4倍、比强度比钢高14-60倍，使得本专利技术复合材料的比强度得以极大提高。附图说明图1为本专利技术钢基碳纤维复合材料的结构示意图；图2为图1中A部的局部放大示意图；图3为本专利技术钢基碳纤维复合材料的制作流程图；图4为单一方向拉直的碳纤维与钢基质的复合材料中碳纤维的形状示意图；图5为弯曲碳纤维与钢材的直接连接形成的复合材料中碳纤维的形状示意图；图6为本专利技术钢基碳纤维复合材料中的碳纤维的形状示意图。附图中：碳纤维1，钢基材料2，粘合剂3。具体实施方式为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术提供一种钢基碳纤维复合材料，其结构如图1和图2所示，其由多个相互缠绕的弯曲碳纤维、钢基材料与粘结在碳纤维表面的胶合剂通过化学键连接形成。其中，粘结在碳纤维表面的胶合剂与钢基材料之间通过化学键形成极其复杂的“珊瑚状”交界面。上述钢基碳纤维复合材料中包括的各个组分中，以体积计，碳纤维占50～90％，优选70～85％，胶合剂占5-20％，优选8-12％，剩余为钢基材料。胶合剂在碳纤维表面平均形成20-40nm的胶膜，优选，上述碳纤维的长度为5～10厘米。优选地，上述钢基碳纤维复合材料的各个组分中，以体积计，碳纤维占70～85％，胶合剂占8-12％，剩余为钢基材料。胶合剂在碳纤维表面平均形成20-40nm的胶膜，优选，上述碳纤维的长度为5～10厘米。优选地，上述钢基碳纤维复合材料的各个组分中，以体积计，碳纤维占77.5％，胶合剂占10％，剩余为钢基材料。胶合剂在碳纤维表面平均形成20-40nm的胶膜，优选，上述碳纤维的长度为5～10厘米。上述钢基材料可以为纯钢基材料；也可以为钢与其它有色金属复合而成的复合钢基材料，如钢与铜、铝或钛等有色金属复合的钢基材料。上述胶合剂可以为热塑性树脂、高温油性胶、高温乳胶或高温交联油等中的任意一种或几种的组合。将如下表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢基碳纤维复合材料，其特征在于，所述钢基碳纤维复合材料包括：多个相互缠绕的弯曲碳纤维、钢基材料和粘结在碳纤维表面的胶合剂；所述碳纤维、胶合剂与钢基材料通过化学键连接形成，其中，粘结在碳纤维表面的胶合剂与钢基材料之间通过化学键形成珊瑚状交界面。

【技术特征摘要】
1.一种钢基碳纤维复合材料，其特征在于，所述钢基碳纤维复合材料包括：多个相互缠绕的弯曲碳纤维、钢基材料和粘结在碳纤维表面的胶合剂；所述碳纤维、胶合剂与钢基材料通过化学键连接形成，其中，粘结在碳纤维表面的胶合剂与钢基材料之间通过化学键形成珊瑚状交界面。2.根据权利要求1所述的钢基碳纤维复合材料，其特征在于，所述钢基碳纤维复合材料的各个组分中，以体积计，碳纤维占50～90％，胶合剂占5-20％，剩余为钢基材料。3.根据权利要求1所述的钢基碳纤维复合材料，其特征在于，所述钢基碳纤维复合材料的各个组分中，以体积计，碳纤维占70～85％，胶合剂占8-12％，剩余为钢基材料。4.根据权利要求1所述的钢基碳纤维复合材料，其特征在于，所述钢基碳纤维复合材料的各个组分，以体积计，碳纤维占77.5％，胶合剂占10％，剩余为钢基材料。5.根据权利要求1至4任意一项所述的钢基碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维的长度为5～10厘米。6.根据权利要求1至4任意一项所述的钢基碳纤维复合材料，其特征在于，所述胶合剂在碳纤维表面形成20-40nm的胶膜。7.根据权利要求1至4任意一项所述的钢基碳纤维复合材料，其特征在于，所述胶合剂为热塑性树脂、高温油性胶、高温乳胶、高温交联油中的一种或几种。8.一种根据权要求1至7任意一项所述的钢基碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：步骤A，将设定体积的碳纤维投入油床中，利用该油床中的液态胶合剂对碳纤维进行浸润；步骤B，将经过充分...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳普，
申请(专利权)人：至玥腾风科技投资集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11