一种高密度碳纤维板材及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高密度碳纤维板材及其制备方法，涉及碳纤维材料技术领域。该高密度碳纤维板材，包括：网胎层、碳纤维丝层、碳化基质；上述网胎层由短切丝碳纤维经打散、梳理、网铺、针刺制成；上述网胎层和碳纤维丝层浸渍有树脂胶，经碳化后形成碳化基质；相邻的网胎层之间间隔有碳纤维丝层；上述短切丝碳纤维还经过表面处理；上述表面处理包括：采用聚多巴胺包裹在碳纤维表面，引入的氨基再与山奈酚葡萄糖醛酸苷结构中的羧基发生酰胺化反应。本发明专利技术制备的高密度碳纤维板材具有更加优异的力学性能，其抗弯曲能力和层间剪切性能显著提升；且具有更佳的耐高温氧化的能力，有效延长其高温使用寿命；同时其耐摩擦磨损性能也得到一定改善。改善。改善。

【技术实现步骤摘要】
一种高密度碳纤维板材及其制备方法


[0001]本专利技术属于碳纤维材料
，具体涉及一种高密度碳纤维板材及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着现代科学技术的发展，新型材料不断被研发生产并广泛应用，目前发展最快的是碳纤维复合材料。碳/碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，其特点是（1）密度低，比强度高，比模量大；（2）材料性能具有可设计性；（3）抗腐蚀性能和耐久性能好；（4）热膨胀系数小；导热性高，摩擦性、抗热冲击性能好，尺寸稳定性高，生产成本低。因此被认为是最有发展前途的高温材料之一。
[0003]随着碳纤维复合材料的深入应用，对材料性能的要求也越来越高，具有优异的综合性能的纤维复合材料更加符合各行各业的需求。目前公知的碳纤维板材成型工艺是使用单向纤维板材浸渍树脂后层压固化成型，其特点是轴向抗拉强度高、耐腐蚀性和抗震性；但其弱点是对于抗压构件、剪切构件和受力复杂的构件其性能较低。其中，浸渍树脂多采用热固性树脂，如酚醛树脂等。然而由于酚醛树脂固化后自身交联程度高，韧性差，导致其冲击性能差，易出现龟裂等缺陷；而且，酚醛树脂的固化温度高、速度慢，生产中须依靠调整热压温度，稳定热压时间，使温度、时间和树脂的凝固点完美配合以保证产品质量，导致能耗大、生产效率低，制约了其在人造板工业中的应用和发展。同时，碳纤维表面性质呈惰性，由于表面极性低、惰性大、活性原子含量少、活性官能团少，导致碳纤维与树脂基体的粘结性差，不能发挥碳纤维的性能优势。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高密度碳纤维板材及其制备方法，该高密度碳纤维板材具有更加优异的力学性能，其抗弯曲能力和层间剪切性能显著提升；且具有更佳的耐高温氧化的能力，有效延长其高温使用寿命；同时其耐摩擦磨损性能也得到一定改善。
[0005]本专利技术为实现上述目的所采取的技术方案为：一种高密度碳纤维板材，包括：网胎层、碳纤维丝层、碳化基质；上述网胎层由短切丝碳纤维经打散、梳理、网铺、针刺制成；上述碳纤维丝层由碳纤维丝束铺层所得；上述网胎层和碳纤维丝层浸渍有树脂胶，经碳化后形成碳化基质；相邻的网胎层之间间隔有碳纤维丝层，上述网胎层n+1层，上述碳纤维丝层n层，其中n≥1。本专利技术将网胎层与碳纤维丝层交叠复配，通过针刺作用进行复合，再经浸渍树脂胶结剂后，采用热固一次成型工艺，能够尽可能的排除板材产品中的气隙，从而保证了多层结构的稳定性；通过改变、调整碳纤维丝层与网胎层的配比、优化各个制作工序，使得碳纤维板材具有更佳的力学性能，更好地的满足要求并优于钢铁、铝合金材料所展示的性能。能够有效改善碳纤维板材的抗压、抗弯、抗扭、层间剪切强度，进一步降低生产加工成本，得到综合性能更优的碳纤维
复合材料板材。
[0006]进一步的，短切丝碳纤维长度包括3~10cm。
[0007]进一步的，碳纤维丝束铺层包括单层碳纤维丝束单向铺层和/或双层碳纤维丝束双向交织铺层。其中，本专利技术采用纵向和横向交错铺层的方法得到碳纤维丝层，这样使得碳纤维板材具有至少两个受力方向，且增加其交织点，得到的复合板材质地坚牢性高、表面平整度好，耐磨损性好，其综合受力的性能要稍优于单向铺层得到的碳纤维丝层。
[0008]进一步的，双层碳纤维丝束双向交织铺层时，碳纤维丝层各层交织角度相同。
[0009]进一步的，碳纤维丝层各层交织角度包括0~90
°
。
[0010]上述高密度碳纤维板材的制备方法，包括：步骤10：取碳纤维丝束短切处理得到短切丝碳纤维，经打散、梳理、网铺、针刺制成网胎；步骤20：取碳纤维丝束均匀地铺层在网胎表面，之后再在铺层好的碳纤维丝束表面覆盖一层网胎，经针刺复合制得预制体单元层；步骤30：在预制体单元层上继续重复步骤20的操作至达到设计厚度，得到碳纤维预制体；步骤40：对预制体进行裁剪，浸润树脂胶得到预压毛坯，接着热压固化成型得到树脂板；步骤50：将树脂板经碳化得到碳碳板，之后进行增密处理得、高温烧结制成高密度碳纤维板材。
[0011]进一步的，网胎克重为40~150g/m2。
[0012]进一步的，树脂胶包括酚醛树脂或呋喃树脂。
[0013]进一步的，碳纤维丝束的规格包括6~36K，优选为12K或24K。
[0014]进一步的，针刺过程通过平板针刺机进行，采用棱边上带有倒钩的特殊功能刺针进行针刺。依靠倒向钩刺把网胎层中的纤维携带到Z向，产生垂直纤维簇，使相邻的网胎层相互缠结,相互约束，形成平层间均具有一定强度的准三维网状结构预制体，克服了2D炭布叠层材料层间缺乏连接的缺点。
[0015]进一步的，步骤20中铺层方法包括人工铺层或机械方法铺层，保证碳纤维束均匀地、无序地分散在网胎表面。
[0016]进一步的，浸润树脂胶过程包括：取树脂胶加入75~85%浓度的乙醇，搅拌均匀后浸渍裁剪后的预制体，浸泡时间不少于5h。
[0017]进一步的，树脂胶与乙醇的质量比为1：3~5。
[0018]进一步的，热压固化成型的具体过程包括：5~15MPa压力条件下，以3~5℃/min的升温速率将温度由65~80℃升温至150~180℃，保温5~10h后自然冷却至60~80℃。
[0019]进一步的，碳化过程具体包括：惰性气体保护条件下，以24~26℃/h的升温速率，将温度由25~30℃升温至700~800℃，恒温保持3~5h；再以30~35℃/h的升温速率升温至1000~1100℃，恒温保持2~4h；之后以20~25℃/h的降温速率降温至650~700℃；再以40~50℃/h的降温速率降温至300~350℃，接着自然降温至100℃以下即可。
[0020]进一步的，增密处理包括浸渍步骤和碳化步骤；其中，浸渍步骤采用液相浸渍工艺。
[0021]优选地，增密处理包括气相沉积工艺与液相浸渍工艺相结合；此时，由步骤30制备的预制体直接进行气相沉积。
[0022]需要说明的是，在达到相同目标密度的碳纤维板材过程中，采用气相沉积工艺和液相浸渍工艺相结合的增密处理方法，比单独使用浸渍和碳化过程的增密处理方法，所用到的液相浸渍循环次数至少减少2次。
[0023]进一步的，浸渍步骤包括：采用浸渍剂包埋碳碳板，真空条件下，在30~40℃和3~5MPa下浸渍2~4h。
[0024]进一步的，浸渍步骤和碳化步骤为完整处理周期，经碳化步骤进行碳化处理后的碳纤维预制体，开始下一处理周期，重新经浸渍步骤进行浸渍，如此反复处理直至碳纤维板材密度达到预期密度。
[0025]进一步的，浸渍剂包括树脂胶或沥青。
[0026]进一步的，气相沉积工艺包括：将制备的碳纤维预制体放于沉积炉内，设置炉压4~7KPa，炉内温度850~900℃，碳源为甲烷、丙烯、乙炔的混合气，流量为4~8m3/h，沉积4~10d即可。
[0027]进一步的，甲烷、丙烯和乙炔的体积比为1.5~2：3.2~4：1。
[0028]进一步的，高温烧结工艺包括：真空条件下，以40~50℃/h的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高密度碳纤维板材，包括：网胎层、碳纤维丝层、碳化基质；所述网胎层由短切丝碳纤维经打散、梳理、网铺、针刺制成；所述碳纤维丝层由碳纤维丝束铺层所得；所述网胎层和碳纤维丝层浸渍有树脂胶，经碳化后形成碳化基质；相邻的网胎层之间间隔有碳纤维丝层，所述网胎层n+1层，所述碳纤维丝层n层，其中n≥1；其特征在于：所述短切丝碳纤维还经过表面处理；所述表面处理包括：采用聚多巴胺包裹在碳纤维表面，引入的氨基再与山奈酚葡萄糖醛酸苷结构中的羧基发生酰胺化反应。2.根据权利要求1所述的一种高密度碳纤维板材，其特征在于：所述短切丝碳纤维长度包括3~10cm。3.根据权利要求1所述的一种高密度碳纤维板材，其特征在于：所述碳纤维丝束铺层包括单层碳纤维丝束单向铺层和/或双层碳纤维丝束双向交织铺层。4.根据权利要求3所述的一种高密度碳纤维板材，其特征在于：所述双层碳纤维丝束双向交织铺层时，碳纤维丝层各层交织角度相同。5.根据权利要求4所述的一种高密度碳纤维板材，其特征在于：所述碳纤维丝层各层交...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾国伟，朱海翔，黄水霞，
申请(专利权)人：浙江星辉新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：