碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料及其制备方法与应用。所述制备方法包括：将复数张碳纤维布连接，并采用定型树脂进行定型，形成碳纤维蜂窝芯结构；将碳泡沫材料填充于碳纤维蜂窝芯结构中，并用定型树脂进行定型，所述碳泡沫材料具有三维网络空间结构组成的多孔结构；以及，将作为蜂窝面板的碳纤维布封装于所述碳纤维蜂窝芯结构的顶端面和底端面，获得碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料。本发明专利技术采用生物质原材料发泡碳化得到碳泡沫材料作为蜂窝芯填充材料，以及质量轻、强度高的碳纤维布作为蜂窝芯和面板，降低了蜂窝板的密度，显著提升了复合多孔结构的强度，实现了新型轻质、高强多孔结构的制备，可应用于特种方舱的制备。特种方舱的制备。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种蜂窝复合材料的制备方法，具体涉及一种碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构蜂窝材料及其制备方法与应用，属于复合材料


技术介绍

[0002]以蜂窝芯材为主体的夹层材料广泛应用于航空航天、汽车等领域中，用来提高强度、刚度，增强抗冲击性，同时减轻重量，阻燃隔音。
[0003]在蜂窝芯材中，常见的有纸蜂窝芯、碳纤维纸蜂窝、金属蜂窝芯等。在现有的蜂窝芯材中其性能各具优缺点，如纸蜂窝芯和碳纤维纸蜂窝重量轻，但是强度、硬度一般，比强度低，抗冲击效果差；金属蜂窝芯材强度高，硬度高，但是重量较重，比强度一般。因此有必要提供一种综合性能优越的蜂窝芯材。
[0004]碳纤维布蜂窝具有重量轻、强度高等综合优势，在众多领域具有广泛的应用前景。目前，碳纤维蜂窝因其制备工艺复杂，因此，如何对其制备工艺进行优化，已然成为业界研究人员长期以来一直努力的方向。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
[0006]本专利技术的另一目的还在于碳纤维增强碳泡沫蜂窝材料功能化，与现有蜂窝材料相比，各性能优势较大。
[0007]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0008]本专利技术实施例提供了一种碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料的制备方法，其包括：
[0009]提供碳纤维布；
[0010]将复数张碳纤维布连接，并采用定型树脂进行定型，形成碳纤维蜂窝芯结构；
[0011]将作为填充材料的碳泡沫材料填充于所述碳纤维蜂窝芯结构中，并用定型树脂进行定型，所述碳泡沫材料具有三维网络空间结构组成的多孔结构；以及，
[0012]将作为蜂窝面板的碳纤维布封装于所述碳纤维蜂窝芯结构的顶端面和底端面，获得碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料。
[0013]在一些实施方案中，所述制备方法包括：
[0014]分别将每张碳纤维布进行折叠，相邻折痕之间的距离相等；
[0015]将每张碳纤维布间隔涂布胶粘剂，形成的胶条宽度与相邻折痕之间的距离相同，且相邻胶条之间的间距为2～5倍的胶条宽度；
[0016]将涂布胶粘剂后的复数张碳纤维布依次错层叠合，使每张碳纤维布的胶条位于与其相邻碳纤维布的相邻胶条中间，如此依次叠合，之后裁剪，拉伸，形成具有正六边形通孔结构的碳纤维蜂窝芯结构；以及，
[0017]将所述碳纤维蜂窝芯结构浸置于定型树脂中，取出后移除多余的定型树脂，之后于干燥进行固化定型，得到硬质的碳纤维蜂窝芯结构。
[0018]在一些实施方案中，所述制备方法包括：使包含发泡原材料、水、发泡剂的均匀混合体系填充于所述碳纤维蜂窝芯结构所含的通孔结构中，之后在温度为90～110℃、时间为0.5～1h的条件下蒸熟后取出，之后在保护性气氛中升温碳化，获得碳泡沫材料填充的碳纤维蜂窝芯结构。
[0019]在一些实施方案中，所述制备方法具体包括：在保护性气氛中，以3～5℃/min的速率升温至140～160℃，并保温30～60min，再以4～6℃/min的速率升温至790～810℃，并保温120～150min，进行所述的碳化。
[0020]本专利技术实施例还提供了由前述任一种方法制备得到的碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料，其包括：
[0021]碳纤维蜂窝芯结构，所述碳纤维蜂窝芯结构所含的通孔结构中填充有碳泡沫材料，所述碳泡沫材料具有由三维网络空间结构组成的多孔结构，所述碳泡沫材料的孔隙率为45％～58％，密度为0.15～0.35g/cm3；以及，
[0022]封装于所述碳纤维蜂窝芯结构的顶端面和底端面的碳纤维布。
[0023]进一步地，所述碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料的剪切强度为1.6～2.0MPa，剪切模量为60～70MPa，抗压强度为3～4MPa，拉伸强度为620～675MPa，导热系数低于0.03W/(m
·
K)。
[0024]基于该碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料具有轻量化、高强度等特性，本专利技术实施例还提供了所述碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料于特种方舱制备领域中的应用。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少在于：
[0026]1)本专利技术采用生物质原材料发泡碳化得到碳泡沫材料作为蜂窝芯填充材料，以及质量极轻的碳纤维布作为蜂窝芯和面板，充分降低了蜂窝板的密度，制备了具有超高强度、阻燃、耐火以及隔热的材料，可以满足各种应用，实现新型复合多孔结构材料制备；
[0027]2)本专利技术采用生物质原材料(面粉、马铃薯淀粉等)发泡碳化作为蜂窝芯填充材料，原材料来源广泛，充分利用了广泛存在的可再生资源，环境友好，且材料成本较低；制备的蜂窝板充分利用了材料的结构多孔性，使之具有优异的保温隔热性能；
[0028]3)本专利技术的碳纤维布与碳泡沫材料界面结合能力强，碳化后整体不会坍塌、分离，具有一定的结构稳定性；
[0029]4)本专利技术用到的主要材料为生物质材料和碳纤维布，以及高分子、定型树脂、酵母等发泡剂和胶粘剂，没有用到有毒危害品，符合绿色环保的概念；
[0030]5)本专利技术制备得的新型复合多孔结构材料工艺简单，成本较低，可扩大批量生产，实现产品化，主要应用于特种方舱的制备，具有轻量化、高强度等特性。
具体实施方式
[0031]鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，其主要是采用生物质原材料发泡碳化泡沫作为蜂窝芯填充材料，镀镍碳纤维布复合材料作为蜂窝芯和面板，制备了具有轻量化、高强度、阻燃耐火的材料，实现新型复合多孔结构材料制备。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0032]本专利技术选用碳纤维布粘结为复合多孔结构，制备工艺简单。此外，在碳纤维布蜂窝芯结构中填充碳泡沫材料，最终形成碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料，具有阻燃隔音、保温耐火的优势。
[0033]碳泡沫结构具有轻质、低密度的特性，同时又具有优异阻燃耐火、保温优势；复合多孔结构具有不易开裂变形，同时又具有减震隔音的效果，采用高导电、高模量、高强度、低密度、耐高温等优异性能的碳纤维布作为蜂窝芯和面板材料，进一步拓展了复合多孔结构材料丰富的应用。
[0034]由于发泡体的多孔性、低密度的特点，在经过高温碳化处理后能够制备得独特结构的碳泡沫材料，其内部三维网络空间结构使其具有较多的孔隙，同时多孔结构使得热传导效率较低，使其具有很好的隔热能力。
[0035]本专利技术实施例的一个方面提供的一种碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料的制备方法包括：
[0036]提供碳纤维布；
[0037]将复数张碳纤维布连接，并采用定型树脂进行定型，形成碳纤维蜂窝芯结构；
[0038]将作为填充材料的碳泡沫材料填充于所述碳纤维蜂窝芯结构中，并用定型树脂进行定型，所述碳泡沫材料具有三维网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料的制备方法，其特征在于包括：提供碳纤维布；将复数张碳纤维布连接，并采用定型树脂进行定型，形成碳纤维蜂窝芯结构；将作为填充材料的碳泡沫材料填充于所述碳纤维蜂窝芯结构中，并用定型树脂进行定型，所述碳泡沫材料具有三维网络空间结构组成的多孔结构；以及，将作为蜂窝面板的碳纤维布封装于所述碳纤维蜂窝芯结构的顶端面和底端面，获得碳纤维增强碳泡沫复合多孔结构材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：采用胶粘剂将复数张所述碳纤维布进行连接，并浸置于定型树脂中，取出后固化定型，得到所述碳纤维蜂窝芯结构。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于具体包括：分别将每张碳纤维布进行折叠，相邻折痕之间的距离相等；将每张碳纤维布间隔涂布胶粘剂，形成的胶条宽度与相邻折痕之间的距离相同，且相邻胶条之间的间距为2～5倍的胶条宽度；将涂布胶粘剂后的复数张碳纤维布依次错层叠合，使每张碳纤维布的胶条位于与其相邻碳纤维布的相邻胶条中间，如此依次叠合，之后裁剪，拉伸，形成具有正六边形通孔结构的碳纤维蜂窝芯结构；以及，将所述碳纤维蜂窝芯结构浸置于定型树脂中，取出后移除多余的定型树脂，之后于干燥进行固化定型，得到硬质的碳纤维蜂窝芯结构。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述胶粘剂包括环氧树脂AB胶和/或膏状瞬间胶；和/或，所述定型树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂中的任意一种或两种以上的组合。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：使包含发泡原材料、水、发泡剂的均匀混合体系填充于所述碳纤维蜂窝芯结构所含的通孔结构中，之后在温度为90～110℃、时间为0.5～1h的条件下蒸熟后取出，之后在保护性气氛中升温碳化，获得碳泡沫材料填充的碳纤维蜂窝芯结构；优选的，所述碳泡沫材料的孔隙率为45％～58％，密度为0.15～0.35g/cm3；优选的，所述发泡剂与水的体积比为1:9～3:7。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于具体包括：在保护性气氛中，以3...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐长乐，王永疆，李清文，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：