本發(fā)明涉及一種二氧化硅/二氧化鈦包覆碳纖維復(fù)合材料的制備方法，屬于碳纖維復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維碳材料已在軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。從航天、航空、汽車、電子、機(jī)械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運(yùn)動(dòng)器材和休閑用品等。碳纖維是典型的高科技領(lǐng)域中的新型工業(yè)材料。

碳纖維復(fù)合材料是一種高性能、多功能的先進(jìn)復(fù)合材料。是碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成的結(jié)構(gòu)材料。目前碳纖維復(fù)合材料制造工藝技術(shù)主要有：自動(dòng)鋪帶技術(shù)、RTM（Resin Transfer Molding）以及電子固化等成形技術(shù)等。自動(dòng)鋪放成形技術(shù)包括自動(dòng)鋪放絲束成形技術(shù)和自動(dòng)窄帶鋪放成形技術(shù)，是在已有纏繞和自動(dòng)鋪放基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全自動(dòng)制造技術(shù)。電子束固化是一個(gè)利用高能高聚集度的電子束來固化樹脂基復(fù)合材料的過程，是低成本制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的新方法。RTM是一種低壓液體閉模成形技術(shù)，已成為復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的主要發(fā)展方向。該工藝在制備復(fù)合材料制品時(shí)，不需要制備預(yù)浸料，只需在陰模上鋪放增強(qiáng)材料至所定厚度后，在陰模周圍的裝有樹脂和固化劑的槽加壓供樹脂，從陰模頂部抽真空，至吸出的樹脂中沒有氣泡為止，然后加熱固化。但由于碳纖維的脆性很大，沖擊性能差，導(dǎo)致制得碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度弱，且與其他材料相容性差，加工成型困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題：針對(duì)碳纖維的脆性大，沖擊性能差，導(dǎo)致制得碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度弱，且與其他材料相容性差，加工成型困難的弊端，提供了一種將碳纖維經(jīng)丙酮萃取，硝酸酸洗除雜后制得預(yù)處理碳纖維，再將碳納米管配置成溶液并利用靜電噴涂法將碳納米管植入碳纖維的表面結(jié)構(gòu)缺陷中，提高碳纖維的拉伸強(qiáng)度，制得碳納米管摻雜碳纖維，再將納米二氧化硅與鈦酸四丁酯等混合分散制成混合乳液，并用碳納米管摻雜碳纖維浸泡在混合乳液中包漿，最后在氬氣氛圍下燒結(jié)制得二氧化硅/二氧化鈦包覆碳纖維復(fù)合材料的方法，有效解決了由于碳纖維脆性大，沖擊性差，導(dǎo)致得碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度弱，且與其他材料相容性差，加工成型困難的問題。本發(fā)明制備步驟簡單，所得碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度高，與其他材料相容性好，具有較好的成型加工性能。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下所述的技術(shù)方案是：

（1）稱取10～12g碳纖維，將其在50～60mL丙酮中浸泡1～2h，并用去離子水洗滌碳纖維3～5次，洗滌后轉(zhuǎn)入烘箱中，在60～70℃下干燥1～2h，隨后將干燥碳纖維在80～120mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%硝酸溶液中浸泡1～2h，再用去離子水洗滌3～5次，并置于烘箱中，在70～80℃下干燥1～2h，得預(yù)處理碳纖維；

（2）分別稱取0.05～0.08g多壁碳納米管，0.01～0.03g十二烷基苯磺酸鈉，加入500～800mL二甲基甲酰胺中，以300～400r/min攪拌3～5h，得多壁碳納米管分散液，將多壁碳納米管分散液裝入靜電噴涂設(shè)備的噴槍中，再將上述預(yù)處理碳纖維置于靜電噴涂設(shè)備的基底上，控制靜電場強(qiáng)為25～30kV，噴射距離為8～10cm，噴涂1～3h，隨后將噴涂完畢的碳纖維轉(zhuǎn)入干燥箱中，在60～70℃下干燥1～2h，得碳納米管摻雜碳纖維，備用；

（3）稱取1～3g納米二氧化硅，加入15～20mL苯乙烯中，以300～400r/min攪拌10～15min，再加入0.3～0.6g硅烷偶聯(lián)劑KH-570，并以200W超聲波超聲分散10～15min，隨后分別加入3～5mL鈦酸四丁酯，0.5～1.0g十二烷基磺酸鈉，0.5～1.0g烷基酚聚氧乙烯醚和100～120mL去離子水，繼續(xù)攪拌10～15min后，裝入高速均質(zhì)機(jī)中分散5～8min，得混合乳液；

（4）將步驟（2）備用的碳納米管摻雜碳纖維加入至上述混合乳液中，升溫至50～60℃，保溫30～40min，再加入0.01～0.02g過硫酸鉀混合均勻后，在氮?dú)夥諊拢^續(xù)升溫至70～80℃，保溫3～5h，并加入80～100mL無水乙醇，靜置1～2h，隨后過濾，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%乙醇溶液洗滌濾渣3～5次，并將濾渣置于真空干燥箱中，在60～70℃下干燥2～3h，將干燥濾渣轉(zhuǎn)入馬弗爐中，在氬氣氛圍下，以500～550℃燒結(jié)2～3h，即得二氧化硅/二氧化鈦包覆碳纖維復(fù)合材料。

本發(fā)明的應(yīng)用方法：將本發(fā)明制得二氧化硅/二氧化鈦包覆碳纖維復(fù)合材料在800～1200℃條件下預(yù)熱1～2h，預(yù)熱完成后，將所得預(yù)熱料注入模具中，控制模具溫度為220～320℃，壓制30～40min，再進(jìn)行拼接、卷制，脫模后制得試件。本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高，成型加工性能好，制得的試件斷裂伸長率為12.5～18.2%，抗拉強(qiáng)度為3.8～4.3GPa，抗拉彈性模量為220～310GPa，沖擊強(qiáng)度為0.15～0.21GPa，值得推廣與使用。

本發(fā)明與其他方法相比，有益技術(shù)效果是：

（1）本發(fā)明制備步驟簡單，所得碳纖維復(fù)合材料具有較強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度達(dá)3.58～4.36GPa，與傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料相比拉伸強(qiáng)度提高了12.5～21.6%；

（2）本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料與其他材料相容性好，具有極佳的成型加工性能。

具體實(shí)施方式

首先稱取10～12g碳纖維，將其在50～60mL丙酮中浸泡1～2h，并用去離子水洗滌碳纖維3～5次，洗滌后轉(zhuǎn)入烘箱中，在60～70℃下干燥1～2h，隨后將干燥碳纖維在80～120mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%硝酸溶液中浸泡1～2h，再用去離子水洗滌3～5次，并置于烘箱中，在70～80℃下干燥1～2h，得預(yù)處理碳纖維；再分別稱取0.05～0.08g多壁碳納米管，0.01～0.03g十二烷基苯磺酸鈉，加入500～800mL二甲基甲酰胺中，以300～400r/min攪拌3～5h，得多壁碳納米管分散液，將多壁碳納米管分散液裝入靜電噴涂設(shè)備的噴槍中，再將上述預(yù)處理碳纖維置于靜電噴涂設(shè)備的基底上，控制靜電場強(qiáng)為25～30kV，噴射距離為8～10cm，噴涂1～3h，隨后將噴涂完畢的碳纖維轉(zhuǎn)入干燥箱中，在60～70℃下干燥1～2h，得碳納米管摻雜碳纖維，備用；然后稱取1～3g納米二氧化硅，加入15～20mL苯乙烯中，以300～400r/min攪拌10～15min，再加入0.3～0.6g硅烷偶聯(lián)劑KH-570，并以200W超聲波超聲分散10～15min，隨后分別加入3～5mL鈦酸四丁酯，0.5～1.0g十二烷基磺酸鈉，0.5～1.0g烷基酚聚氧乙烯醚和100～120mL去離子水，繼續(xù)攪拌10～15min后，裝入高速均質(zhì)機(jī)中分散5～8min，得混合乳液；最后將備用的碳納米管摻雜碳纖維加入至上述混合乳液中，升溫至50～60℃，保溫30～40min，再加入0.01～0.02g過硫酸鉀混合均勻后，在氮?dú)夥諊拢^續(xù)升溫至70～80℃，保溫3～5h，并加入80～100mL無水乙醇，靜置1～2h，隨后過濾，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%乙醇溶液洗滌濾渣3～5次，并將濾渣置于真空干燥箱中，在60～70℃下干燥2～3h，將干燥濾渣轉(zhuǎn)入馬弗爐中，在氬氣氛圍下，以500～550℃燒結(jié)2～3h，即得二氧化硅/二氧化鈦包覆碳纖維復(fù)合材料。

實(shí)例1

首先稱取10g碳纖維，將其在50mL丙酮中浸泡1h，并用去離子水洗滌碳纖維3次，洗滌后轉(zhuǎn)入烘箱中，在60℃下干燥1h，隨后將干燥碳纖維在80mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%硝酸溶液中浸泡1h，再用去離子水洗滌3次，并置于烘箱中，在70℃下干燥1h，得預(yù)處理碳纖維；再分別稱取0.05g多壁碳納米管，0.01g十二烷基苯磺酸鈉，加入500mL二甲基甲酰胺中，以300r/min攪拌3h，得多壁碳納米管分散液，將多壁碳納米管分散液裝入靜電噴涂設(shè)備的噴槍中，再將上述預(yù)處理碳纖維置于靜電噴涂設(shè)備的基底上，控制靜電場強(qiáng)為25kV，噴射距離為8cm，噴涂1h，隨后將噴涂完畢的碳纖維轉(zhuǎn)入干燥箱中，在60℃下干燥1h，得碳納米管摻雜碳纖維，備用；然后稱取1g納米二氧化硅，加入15mL苯乙烯中，以300r/min攪拌10min，再加入0.3g硅烷偶聯(lián)劑KH-570，并以200W超聲波超聲分散10min，隨后分別加入3mL鈦酸四丁酯，0.5g十二烷基磺酸鈉，0.5g烷基酚聚氧乙烯醚和100mL去離子水，繼續(xù)攪拌10min后，裝入高速均質(zhì)機(jī)中分散5min，得混合乳液；最后將備用的碳納米管摻雜碳纖維加入至上述混合乳液中，升溫至50℃，保溫30min，再加入0.01g過硫酸鉀混合均勻后，在氮?dú)夥諊拢^續(xù)升溫至70℃，保溫3h，并加入80mL無水乙醇，靜置1h，隨后過濾，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%乙醇溶液洗滌濾渣3次，并將濾渣置于真空干燥箱中，在60℃下干燥2h，將干燥濾渣轉(zhuǎn)入馬弗爐中，在氬氣氛圍下，以500℃燒結(jié)2h，即得二氧化硅/二氧化鈦包覆碳纖維復(fù)合材料。

將本發(fā)明制得二氧化硅/二氧化鈦包覆碳纖維復(fù)合材料在800℃條件下預(yù)熱1h，預(yù)熱完成后，將所得預(yù)熱料注入模具中，控制模具溫度為220℃，壓制30min，再進(jìn)行拼接、卷制，脫模后制得試件。本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高，成型加工性能好，制得的試件斷裂伸長率為12.5%，抗拉強(qiáng)度為3.8GPa，抗拉彈性模量為220GPa，沖擊強(qiáng)度為0.15GPa，值得推廣與使用。

實(shí)例2

首先稱取11g碳纖維，將其在55mL丙酮中浸泡2h，并用去離子水洗滌碳纖維4次，洗滌后轉(zhuǎn)入烘箱中，在65℃下干燥2h，隨后將干燥碳纖維在100mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%硝酸溶液中浸泡2h，再用去離子水洗滌4次，并置于烘箱中，在75℃下干燥2h，得預(yù)處理碳纖維；再分別稱取0.07g多壁碳納米管，0.02g十二烷基苯磺酸鈉，加入650mL二甲基甲酰胺中，以350r/min攪拌4h，得多壁碳納米管分散液，將多壁碳納米管分散液裝入靜電噴涂設(shè)備的噴槍中，再將上述預(yù)處理碳纖維置于靜電噴涂設(shè)備的基底上，控制靜電場強(qiáng)為28kV，噴射距離為9cm，噴涂2h，隨后將噴涂完畢的碳纖維轉(zhuǎn)入干燥箱中，在65℃下干燥2h，得碳納米管摻雜碳纖維，備用；然后稱取2g納米二氧化硅，加入18mL苯乙烯中，以350r/min攪拌13min，再加入0.5g硅烷偶聯(lián)劑KH-570，并以200W超聲波超聲分散13min，隨后分別加入4mL鈦酸四丁酯，0.8g十二烷基磺酸鈉，0.8g烷基酚聚氧乙烯醚和110mL去離子水，繼續(xù)攪拌13min后，裝入高速均質(zhì)機(jī)中分散7min，得混合乳液；最后將備用的碳納米管摻雜碳纖維加入至上述混合乳液中，升溫至55℃，保溫35min，再加入0.02g過硫酸鉀混合均勻后，在氮?dú)夥諊?，繼續(xù)升溫至75℃，保溫4h，并加入90mL無水乙醇，靜置2h，隨后過濾，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%乙醇溶液洗滌濾渣4次，并將濾渣置于真空干燥箱中，在65℃下干燥3h，將干燥濾渣轉(zhuǎn)入馬弗爐中，在氬氣氛圍下，以530℃燒結(jié)3h，即得二氧化硅/二氧化鈦包覆碳纖維復(fù)合材料。

將本發(fā)明制得二氧化硅/二氧化鈦包覆碳纖維復(fù)合材料在1000℃條件下預(yù)熱2h，預(yù)熱完成后，將所得預(yù)熱料注入模具中，控制模具溫度為270℃，壓制35min，再進(jìn)行拼接、卷制，脫模后制得試件。本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高，成型加工性能好，制得的試件斷裂伸長率為15.3%，抗拉強(qiáng)度為4.1GPa，抗拉彈性模量為265GPa，沖擊強(qiáng)度為0.18GPa，值得推廣與使用。

實(shí)例3

首先稱取12g碳纖維，將其在60mL丙酮中浸泡2h，并用去離子水洗滌碳纖維5次，洗滌后轉(zhuǎn)入烘箱中，在70℃下干燥2h，隨后將干燥碳纖維在120mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%硝酸溶液中浸泡2h，再用去離子水洗滌5次，并置于烘箱中，在80℃下干燥2h，得預(yù)處理碳纖維；再分別稱取0.08g多壁碳納米管，0.03g十二烷基苯磺酸鈉，加入800mL二甲基甲酰胺中，以400r/min攪拌5h，得多壁碳納米管分散液，將多壁碳納米管分散液裝入靜電噴涂設(shè)備的噴槍中，再將上述預(yù)處理碳纖維置于靜電噴涂設(shè)備的基底上，控制靜電場強(qiáng)為30kV，噴射距離為10cm，噴涂3h，隨后將噴涂完畢的碳纖維轉(zhuǎn)入干燥箱中，在70℃下干燥2h，得碳納米管摻雜碳纖維，備用；然后稱取3g納米二氧化硅，加入20mL苯乙烯中，以400r/min攪拌15min，再加入0.6g硅烷偶聯(lián)劑KH-570，并以200W超聲波超聲分散15min，隨后分別加入5mL鈦酸四丁酯，1.0g十二烷基磺酸鈉，1.0g烷基酚聚氧乙烯醚和120mL去離子水，繼續(xù)攪拌15min后，裝入高速均質(zhì)機(jī)中分散8min，得混合乳液；最后將備用的碳納米管摻雜碳纖維加入至上述混合乳液中，升溫至60℃，保溫40min，再加入0.02g過硫酸鉀混合均勻后，在氮?dú)夥諊拢^續(xù)升溫至80℃，保溫5h，并加入100mL無水乙醇，靜置2h，隨后過濾，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%乙醇溶液洗滌濾渣5次，并將濾渣置于真空干燥箱中，在70℃下干燥3h，將干燥濾渣轉(zhuǎn)入馬弗爐中，在氬氣氛圍下，以550℃燒結(jié)3h，即得二氧化硅/二氧化鈦包覆碳纖維復(fù)合材料。

將本發(fā)明制得二氧化硅/二氧化鈦包覆碳纖維復(fù)合材料在1200℃條件下預(yù)熱2h，預(yù)熱完成后，將所得預(yù)熱料注入模具中，控制模具溫度為320℃，壓制40min，再進(jìn)行拼接、卷制，脫模后制得試件。本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高，成型加工性能好，制得的試件斷裂伸長率為18.2%，抗拉強(qiáng)度為4.3GPa，抗拉彈性模量為310GPa，沖擊強(qiáng)度為0.21GPa，值得推廣與使用。