一種碳纖維織布的處理方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種碳纖維織布的處理方法，包括如下步驟：(10)織布夾持：用雙層剛性薄片夾持在清潔、干燥后的碳纖維織布剪裁邊緣兩面；(20)表面氮化：將夾持的碳纖維織布置入輝光等離子體處理機(jī)中，進(jìn)行低溫低壓氮離子處理，得到處理后的碳纖維織布。經(jīng)本發(fā)明方法處理后的碳纖維織布，不但與樹(shù)脂基體粘結(jié)牢固，同時(shí)具備良好的微波吸收性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種碳纖維織布的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于碳纖維復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種微波吸收性能好、與樹(shù)脂基體粘結(jié)牢固的碳纖維織布處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]各種裝備(如飛機(jī)、車(chē)輛、艦船)在撞擊、彈傷等情況下，會(huì)發(fā)生裂紋、缺口等破壞，嚴(yán)重威脅裝備的使用安全。采用纖維復(fù)合材料對(duì)受損部位粘接修復(fù)，在搶修中的應(yīng)用廣泛且有效。然而復(fù)合材料在使用過(guò)程中，通常需要施加外界熱能才能使其固化，如采用電熱毯加熱等方式，固化成型時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)施條件難以滿(mǎn)足快速搶修的需求。上世紀(jì)90年代，微波便攜式輻射器的發(fā)明，使得大功率微波腔外操作得以實(shí)現(xiàn)，在修復(fù)環(huán)節(jié)引入微波將復(fù)合材料粘貼到受損部位，大大縮短了維修時(shí)間，“微波快速修復(fù)技術(shù)”應(yīng)運(yùn)而生。這項(xiàng)技術(shù)將微波引入，通過(guò)微波與碳纖維復(fù)合材料之間的相互作用，使得微波能轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到加熱成型的目的。
[0003]微波快速修復(fù)技術(shù)成功實(shí)施的關(guān)鍵，在于復(fù)合材料的力學(xué)性能的有效發(fā)揮。而制約復(fù)合材料力學(xué)性能的根本問(wèn)題，在于碳纖維織布與樹(shù)脂形成界面的性能。未經(jīng)處理的碳纖維表面呈化學(xué)惰性，具有較高的電導(dǎo)率，導(dǎo)致其作為微波吸收結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用前景受到限制。為了將碳纖維復(fù)合材料用于工程裝備的快速搶修，需要事先對(duì)碳纖維織布表面進(jìn)行處理。
[0004]根據(jù)現(xiàn)有資料，對(duì)碳材料進(jìn)行處理的方法包括電沉積和氮摻雜方法，以克服碳材料的反射效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)電沉積或氮摻雜的具體方法有化學(xué)熱液法和常規(guī)的高溫離子方法等，與這些方法相比，介質(zhì)阻擋放電法(DBD)可以在相對(duì)低的溫度進(jìn)行氮化處理，而且成本低、是對(duì)環(huán)境友好的處理方法。一般情況下，DBD方法應(yīng)用的場(chǎng)合有合金鋼，聚合物或氧化膜的沉積，碳材料的合成或表面改性。然而目前這種方法尚未報(bào)道用于碳纖維織布材料，不僅是由于在處理設(shè)備和工藝參數(shù)的控制上有要求，其根本原因在于能否獲得均勻模式的介質(zhì)阻擋放電。所謂均勻放電必須是充滿(mǎn)整個(gè)放電空間，沒(méi)有放電細(xì)絲。而正是放電細(xì)絲會(huì)導(dǎo)致碳纖維的損壞，使得DBD方法無(wú)法用于碳纖維的表面處理。
[0005]活性屏等離子滲氮方法(ASPN)，是以DBD方法為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。所謂ASPN方法，其氮化原理不同于DBD方法，而且其設(shè)備的構(gòu)成也不同，ASPN比DBD方法的設(shè)備多加了鐘罩式屏的構(gòu)造。這種屏的設(shè)計(jì)，使得ASPN用來(lái)減小鋼合金表面處理的不均勻放電是行之有效的，然而碳纖維放置于該鐘罩式屏下處理仍然會(huì)產(chǎn)生放電細(xì)絲，導(dǎo)致對(duì)碳纖維的損壞，因此也無(wú)法用于碳纖維織布的表面處理。
[0006]有公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道以低溫氨氣等離子體法，采用等離子增強(qiáng)氣相沉積(PECVDSS)對(duì)碳纖維織布進(jìn)行表面處理(朱乃姝，等離子處理及固化方式對(duì)碳纖維復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，中國(guó)表面工程，2010,23(5))，可滿(mǎn)足碳纖維織布與樹(shù)脂基體粘結(jié)牢固，制得的碳纖維復(fù)合材料常溫玻璃態(tài)儲(chǔ)能模量可達(dá)10.9Gpa，未處理材料測(cè)得的模量為8Gpa，然而僅能提高碳纖維表面與樹(shù)脂的粘結(jié)強(qiáng)度，卻無(wú)法同時(shí)改變碳纖維織布的微波吸收性能，從而影響用于工程裝備微波快速搶修的碳纖維復(fù)合材料制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維織布的處理方法，使碳纖維織布不但與樹(shù)脂基體粘結(jié)牢固，同時(shí)具備良好的微波吸收性能。
[0008]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
[0009]—種碳纖維織布的處理方法，包括如下步驟:
[0010](10)織布夾持:用雙層剛性薄片夾持在清潔、干燥后的碳纖維織布剪裁邊緣兩面；
[0011](20)表面氮化:將夾持的碳纖維織布置入輝光等離子體處理機(jī)中，進(jìn)行低溫低壓氮離子處理，得到處理后的碳纖維織布。
[0012]優(yōu)選地，所述剛性薄片由合金鋼、金剛石或類(lèi)金剛石制得。
[0013]優(yōu)選地，所述(10)織布夾持步驟中，雙層薄片外緣之間的間隙不大于0.1_。
[0014]優(yōu)選地，所述(20)表面氮化步驟中，碳纖維織布在輝光等離子體處理機(jī)中氮離子處理的溫度為100°C?500°C，時(shí)間為30?120分鐘，壓強(qiáng)為50?200Pa。壓強(qiáng)最佳為120Pa。
[0015]優(yōu)選地，所述(20)表面氮化步驟中，碳纖維織布放置在輝光等離子體處理機(jī)的陰極工作臺(tái)上。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:
[0017]采用本發(fā)明的處理方法，消除了碳纖維放置于輝光放電等離子體機(jī)的碳纖維損傷現(xiàn)象，使得等離子方法實(shí)現(xiàn)碳纖維織布處理的不可能成為可能?？梢垣@得碳纖維織布的兩大優(yōu)點(diǎn)，即微波吸收性能好且與樹(shù)脂基體粘結(jié)牢固。
[0018]1、碳纖維織布微波吸收性能好:取碳纖維織布中一截碳纖維束測(cè)定電阻率。未經(jīng)處理的碳纖維(市售T300)電阻率為1.93 Ω.cm，本發(fā)明制得的碳纖維電阻率最高可達(dá)3.74Ω.cm，說(shuō)明其吸收微波轉(zhuǎn)化為熱能的能力增強(qiáng)。
[0019]2、碳纖維織布與樹(shù)脂基體粘結(jié)牢固:將碳纖維板材在動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀上測(cè)試，采用本發(fā)明處理的碳纖維織布，制得碳纖維板的常溫玻璃態(tài)儲(chǔ)能模量12.5Gpa，未處理材料測(cè)得的模量(市售T300)為8.6Gpa。
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明碳纖維織布的處理方法的工藝流程圖。
[0022]圖2為薄片夾持碳纖維織布邊緣一側(cè)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中，I為碳纖維織布，2為剛性薄片。
【具體實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例1
[0025]碳纖維織布清潔、干燥后，用雙層合金鋼薄片夾持在碳纖維織布的剪裁邊緣表面，雙層薄片外緣之間的間隙不大于0.1mm。將夾持的碳纖維織布置入輝光等離子體處理機(jī)中，放置在輝光等離子體處理機(jī)的陰極工作臺(tái)上。進(jìn)行低溫低壓氮離子處理，溫度為100°C，處理時(shí)間120分鐘，處理壓強(qiáng)在200Pa。得到處理后的碳纖維織布。
[0026]取碳纖維織布中一截碳纖維束測(cè)定電阻率值為2.96 Ω.cm，未經(jīng)處理的碳纖維電阻率為1.93 Ω.cm，進(jìn)一步分析此變化對(duì)材料力學(xué)性能的影響。將碳纖維板材在動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀上測(cè)試，采用本發(fā)明制得碳纖維板的常溫玻璃態(tài)儲(chǔ)能模量11.9Gpa，未處理材料測(cè)得的模量為8.6Gpa。
[0027]實(shí)施例2
[0028]碳纖維織布清潔、干燥后，用雙層金剛石薄片夾持在碳纖維織布的剪裁邊緣表面，雙層薄片外緣之間的間隙不大于0.1mm。將夾持的碳纖維織布置入輝光等離子體處理機(jī)中，放置在輝光等離子體處理機(jī)的陰極工作臺(tái)上。進(jìn)行低溫低壓氮離子處理，溫度為300°C，處理時(shí)間80分鐘，處理壓強(qiáng)在120Pa ο得到處理后的碳纖維織布。
[0029]取碳纖維織布中一截碳纖維束測(cè)定電阻率值為3.74Ω.cm，進(jìn)一步分析此變化對(duì)材料力學(xué)性能的影響。將碳纖維板材在動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀上測(cè)試，采用本發(fā)明制得碳纖維板的常溫玻璃態(tài)儲(chǔ)能模量12.5Gpa，未處理材料測(cè)得的模量為8.6Gpa。
[0030]實(shí)施例3
[0031]碳纖維織布清潔、干燥后，用雙層類(lèi)金剛石薄片夾持在碳纖維織布的剪裁邊緣表面，雙層薄片外緣之間的間隙不大于0.1_。將夾持的碳纖維織布置入輝光等離子體處理機(jī)中，放置在輝光等離子體處理機(jī)的陰極工作臺(tái)上。進(jìn)行低溫低壓氮離子處理，溫度為500°C，處理時(shí)間30分鐘，處理壓強(qiáng)在50Pa ο得到處理后的碳纖維織布。
[0032]取碳纖維織布中一截碳纖維束測(cè)定電阻率值為3.48 Ω.cm，進(jìn)一步分析此變化對(duì)材料力學(xué)性能的影響。將碳纖維板材在動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀上測(cè)試，采用本發(fā)明制得碳纖維板的常溫玻璃態(tài)儲(chǔ)能模量11.5Gpa，未處理材料測(cè)得的模量為8.6Gpa。
[0033]從實(shí)施例及與未處理材料的對(duì)比可以看出:本發(fā)明方法消除了碳纖維放置于輝光放電等離子體機(jī)的碳纖維損傷現(xiàn)象，使得等離子方法實(shí)現(xiàn)碳纖維織布處理的不可能成為可能。所制取的碳纖維織布，不但能與樹(shù)脂基體牢固粘結(jié)，而且具備良好的微波吸收性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳纖維織布的處理方法，其特征在于，包括如下步驟: (10)織布夾持:用雙層剛性薄片夾持在清潔、干燥后的碳纖維織布剪裁邊緣兩面； (20)表面氮化:將夾持的碳纖維織布置入輝光等離子體處理機(jī)中，進(jìn)行低溫低壓氮離子處理，得到處理后的碳纖維織布。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維織布的處理方法，其特征在于:所述剛性薄片由合金鋼、金剛石或類(lèi)金剛石制得。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維織布的處理方法，其特征在于:所述(10)織布夾持步驟中，雙層薄片外緣之間的間隙不大于0.1mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維織布的處理方法，其特征在于:所述(20)表面氮化步驟中，碳纖維織布在輝光等離子體處理機(jī)中氮離子處理的溫度為100°C?500°C，時(shí)間為30?120分鐘，壓強(qiáng)為50?200卩&。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維織布的處理方法，其特征在于:所述(20)表面氮化步驟中，碳纖維織布在輝光等離子體處理機(jī)中氮離子處理的壓強(qiáng)為120Pa。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維織布的處理方法，其特征在于:所述(20)表面氮化步驟中，碳纖維織布放置在輝光等離子體處理機(jī)的陰極工作臺(tái)上。
【文檔編號(hào)】D06M10/00GK105839389SQ201610409038
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】朱乃姝, 馬世寧, 夏志成, 鄔建華, 孔新立, 王源, 孫曉峰, 戴銀所, 李紅英
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)