專利名稱：三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料及制備方法。
背景技術(shù)：
三維編織復合材料是近二十年來興起的一種新型復合材料，它從根本上克服了傳 統(tǒng)層合板層間剪切強度低、易分層的缺點，已廣泛應用于航空、航天、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域。例 如，傳統(tǒng)的層合板復合材料具有難以克服的固有缺陷沿厚度方向的剛度和強度性能差，面 內(nèi)剪切和層間剪切強度較低，易分層，沖擊韌性和損傷容限水平低等，因而在許多場合下不 能滿足使用要求。復合材料與紡織技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的三維編織碳纖維復合材料克服了傳統(tǒng)層 合板復合材料的缺點，并以其優(yōu)異的性能成為航空、航天和武器裝備不可缺少的新型高性 能材料。同時，三維編織碳纖維復合材料具有很高的彎曲強度，極高的疲勞強度和抗損傷性 能，高的沖擊韌性。此外，三維編織體可方便地改變形狀，復合體無需二次加工，所以，三維 編織碳纖維復合材料極適于制備骨科植入物，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜕锊牧?。三維 編織纖維與醫(yī)用聚合物組成的復合材料有望完全替代金屬骨植入物材料。本發(fā)明申請人與 國外幾乎同時開展了三維編織復合材料用于骨科植入物的研究，但由于三維編織復合材料 的制備難度大，目前僅能制備三維編織纖維增強某些熱固性聚合物基復合材料，而三維編 織碳纖維增強熱塑性復合材料的制備難度很大。本專利發(fā)明人公開了三維編織碳纖維增強 聚甲基丙烯酸甲酯(簡作PMMA)的制備方法(專利號ZL200610016187.X)，是該領(lǐng)域值得注 意的技術(shù)進步。與聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚醚醚酮(簡作PEEK)的性能更加優(yōu)越，是一種新型 的半晶態(tài)芳香族熱塑性工程材料，具有極其出色的物理和力學性能，在航空、機械、石油、化 工、核電、軌道交通、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應用。連續(xù)碳纖維增強聚醚醚酮復合材料 最初主要應用于航空航天領(lǐng)域和特殊需求的工業(yè)品，近幾年開始在汽車、建筑、體育休閑等 民用領(lǐng)域應用。但由于聚醚醚酮的性質(zhì)顯著區(qū)別于聚甲基丙烯酸甲酯，因此，無法采用專利 ZL200610016187. X公開的技術(shù)制備三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料制備。為此，需 要獨辟蹊徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料及制備方法。 該方法以纖維混編加熱壓的組合技術(shù)制備三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料，再采用 獨特的熱壓工藝，可以有效克服聚醚醚酮的熱塑性性質(zhì)給三維編織復合材料制備所帶來的 困難，從而得到力學性能優(yōu)異的三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料。本發(fā)明提供的一種三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料是以聚醚醚酮纖維與 碳纖維按碳纖維為原料，按碳纖維體積含量為18巧4%的三維五向混合編織碳纖維增強聚 醚醚酮復合而成，制備步驟將聚醚醚酮纖維與碳纖維按所需體積含量進行三維混合編織， 將混合織物進行溶液氧化預處理，水洗，干燥，模具熱壓成型。
所述的碳纖維包括聚丙烯腈(PAN)、粘膠基及浙青基碳纖維，碳纖維束的尺寸包括 1K.3K.6KU2K和MK，碳纖維單絲的直徑為5 20微米。所述的聚醚醚酮以纖維的形式使用，其直徑為5 40微米。本發(fā)明提供的一種三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的制備方法包括以下 步驟1)將聚醚醚酮纖維與碳纖維進行三維五向混合編織，碳纖維體積含量為 18-54% ；2)將混合織物進行溶液氧化處理(如在3_6wt % (NH4) 2ΗΡ04溶液中煮 30-60min)，然后用水反復沖洗，干燥后再放入模具內(nèi)；3)將已放置纖維織物的模具置于真空熱壓機內(nèi)，加熱至150°c，開始持續(xù)抽真 空，并在此溫度下保溫2h，然后以10-20°C /min的速度升至360-400°C，保溫40min ；加壓 0. 3-0. 7MPa，去除真空，繼續(xù)保持溫度30-60min ；緩慢降溫，在制品溫度低于100°C時進行 脫模。本發(fā)明的優(yōu)點在于，可以有效克服聚醚醚酮的熱塑性性質(zhì)給三維編織復合材料制 備所帶來的困難，實施三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的熱壓工藝，選用獨特的工 藝參數(shù)可以得到束內(nèi)單根纖維與基體均能充分浸潤的三維編織復合材料，并使該復合材料 沿纖維編織方向的彎曲強度可達500MPa，織物經(jīng)過溶液氧化預處理后進行熱壓可進一步使 該復合材料彎曲強度提高10%以上，從而得到纖維浸漬充分且力學性能優(yōu)異的三維編織碳 纖維增強聚醚醚酮復合材料，具有廣泛的應用。


圖1是碳纖維與聚醚醚酮纖維三維混合織物實物照片(a_碳纖維體積含量為 18%, b-碳纖維體積含量為)。圖2是三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料最終成型試樣的表面組織照片 (a-碳纖維體積含量為18%，b-碳纖維體積含量為)。圖3是三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料最終成型試樣截面金相照片(a_碳 纖維體積含量為18%，b-碳纖維體積含量為)。
具體實施例方式實例1將聚醚醚酮纖維(英國ZYEX公司生產(chǎn)，纖維直徑30微米)與6K聚丙烯腈基碳纖 維(由山西煤化所提供，纖維直徑7微米)按碳纖維體積含量18%進行三維五向混合編織 (圖la)，將混合織物在5wt % (NH4) 2ΗΡ04溶液中煮沸40min后，用蒸餾水反復沖洗、干燥，將 混合織物放入模具，置于真空熱壓機內(nèi)，加熱至150°C，開始持續(xù)抽真空，并在此溫度下保溫 2h，然后以15°C /min的速度升溫至370°C，保溫40min，加壓0. 3MPa，去除真空，繼續(xù)保持溫 度30min，緩慢降溫，在制品溫度低于100°C時脫模，所得復合材料沿纖維編織方向的彎曲 強度為252MPa，其表面組織照片和最終成型試樣截面金相照片示于圖加和圖3a。實例2將聚醚醚酮纖維(英國ZYEX公司生產(chǎn)，纖維直徑30微米)與碳纖維II聚丙烯腈基(由山西煤化所提供，纖維直徑7微米)按碳纖維體積含量進行三維五向混合編 織，將混合織物在5wt% (NH4)2HPO4溶液中煮沸40min后，用蒸餾水反復沖洗、干燥，將混合 織物放入模具，置于真空熱壓機內(nèi)，加熱至150°C，開始持續(xù)抽真空，并在此溫度下保溫池， 然后以15°C /min的速度升至370°C，保溫40min，加壓0. 6MPa，去除真空，繼續(xù)保持溫度 60min，緩慢降溫，在制品溫度低于100°C時脫模，所得復合材料沿纖維編織方向的彎曲強度 達 50IMPa。實例3將聚醚醚酮纖維(英國ZYEX公司生產(chǎn)，纖維直徑30微米)與碳纖維6K聚丙烯腈 基(由山西煤化所提供，纖維直徑7微米)按碳纖維體積含量進行三維五向混合編織 (圖lb)，將混合織物在5wt% (NH4)2HPO4溶液中煮沸40min后，用蒸餾水反復沖洗、干燥， 將該織物放入模具，置于真空熱壓機內(nèi)，加熱至150°C，開始持續(xù)抽真空，并在此溫度下保溫 池，然后以15°C /min的速度升至370°C，保溫40min，加壓0. 6MPa，去除真空，繼續(xù)保持溫度 60min，緩慢降溫，在制品溫度低于100°C時脫模，所得復合材料沿纖維編織方向的彎曲強度 達556MPa，其表面組織照片和最終成型試樣截面金相照片示于圖加和圖3a。
權(quán)利要求
1 一種三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料，其特征在于它是以聚醚醚酮纖維與碳 纖維按碳纖維為原料，按碳纖維體積含量為18- %的三維五向混合編織碳纖維增強聚醚 醚酮復合而成，制備步驟將聚醚醚酮纖維與碳纖維按所需體積含量進行三維混合編織，將 混合織物進行溶液氧化預處理，水洗，干燥，模具熱壓成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合材料，其特征在于所述的碳纖維為聚丙烯腈(PAN)、粘膠 基及浙青基碳纖維，碳纖維束的尺寸為1K、3K、6K、1I或ΜΚ，碳纖維單絲的直徑為5 20 微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合材料，其特征在于所述的聚醚醚酮以纖維的形式使用， 其直徑為5 40微米。
4.一種權(quán)利要求1所述的三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的制備方法，其特征 在于包括以下步驟1)將聚醚醚酮纖維與碳纖維按碳纖維體積含量18巧4%進行三維五向混合編織；2)將混合織物氧化處理，然后用水反復沖洗，干燥后再放入模具內(nèi)；3)將已放置纖維織物的模具置于真空熱壓機內(nèi)，加熱至150°C，開始持續(xù)抽真空， 并在此溫度下保溫2h，然后以10-20°C /min的速度升至360_400°C，保溫40min ；加壓 0. 3-0. 7MPa，去除真空，繼續(xù)保持溫度30-60min ；緩慢降溫，在制品溫度低于100°C時進行 脫模。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的氧化處理的條件為將混合織物在 3-6wt % (NH4)2HPO4 溶液中煮 30-60min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料及制備方法。以聚醚醚酮纖維與碳纖維按碳纖維為原料，按碳纖維體積含量為18-54％的三維五向混合編織碳纖維增強聚醚醚酮復合而成。采用纖維混編加熱壓的組合技術(shù)進行制備，其工藝過程包括將聚醚醚酮纖維與碳纖維進行三維混合編織，將混合織物進行溶液氧化預處理，然后用蒸餾水反復沖洗，干燥后放入模具內(nèi)進行熱壓成型。本發(fā)明可以有效克服聚醚醚酮的熱塑性性質(zhì)給三維編織復合材料制備所帶來的困難，從而得到纖維浸漬充分且力學性能優(yōu)異的三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料。
文檔編號D06M101/40GK102134372SQ20111002268
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者萬怡灶, 羅紅林 申請人:天津市飛榮達科技有限公司