專利名稱：一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法，尤其涉及碳纖維增強無機 聚合物基復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
無機聚合物材料由于具有低密度、低成本、阻燃以及能在低溫環(huán)境下制備 卻可在高溫下使用的特點，已在建筑和耐火材料等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并被認(rèn)為 是最有希望取代高分子材料而應(yīng)用于航天器、船舶以及汽車內(nèi)部艙體的材料之 一。然而其固有的脆性、低機械強度與韌性，嚴(yán)重限制了其在需要一定承載能 力、要求可靠性高的高技術(shù)材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。短切碳纖維具有高比強、高 比模、長徑比大的特點。采用短切碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料在保持無 機聚合物材料熱物理性質(zhì)的同時克服其固有的脆性問題，使材料承受載荷的能 力和可靠性有所提高，是目前人們倍受關(guān)注的課題。目前，采用強力攪拌法制 備短切碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料時，由于碳纖維的長徑比大，不易分 散，因此在強力攪拌過程中碳纖維極易纏繞團聚及被攪斷，短切碳纖維越長、 摻量越高，纏繞團聚及被攪斷的現(xiàn)象就越嚴(yán)重；因而經(jīng)常會造成纖維在無機聚 合物材料基體內(nèi)的分布不均勻，造成強化效果低的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決無機聚合物材料的低機械強度、低韌性、低承載能力以及 低應(yīng)用可靠性；以及解決現(xiàn)有碳纖維長徑比大，不易分散，在與基體攪拌混合 過程中極易纏繞團聚及被攪斷，進而造成其在無機聚合物材料基體內(nèi)的分布不 均勻，造成強化效果低的問題。提供了一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料 的制備方法，解決上述問題的具體技術(shù)方案如下
本發(fā)明一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法，采用下列步
驟
步驟一、配置無機聚合物配合料按照氫氧化鉀與去離子水的摩爾比為l
:4 1 : 8配置成溶液，按照二氧化硅與氫氧化鉀摩爾比為o : 1 6 : 1將非
晶二氧化硅粉體添加到上述溶液中，磁力攪拌72 120小時得到混合溶液；將 盛有混合溶液的容器置于溫度為0 5'C的冰水浴中，按照偏高嶺土與氫氧化 鉀的摩爾比1 : 2 1 : 1將偏高嶺土粉體添加到混合溶液中，機械攪拌20 40min，得到硅/鋁為1 : 1 4 : 1的無機聚合物配合料，用去離子水調(diào)節(jié)配合 料粘度使其在剪切速率為60 80S—'時位于150mPa's 500mPa's之間；
步驟二、將長度為2 12mm短切碳纖維置入無水乙醇溶液中，短切碳纖維 與乙醇溶液的質(zhì)量比為1 : 20000，經(jīng)超聲分散2 6min后將短切碳纖維用濾 網(wǎng)濾出，平放在玻璃板上干燥后得到厚度為0. 1 0. 3mm的短切碳纖維預(yù)制片；
步驟三、在每片碳纖維預(yù)制片表面澆注2 5ml步驟一得到的無機聚合物 配合料，然后用塑料刮漿器將配合料在每片碳纖維預(yù)制片表面涂覆均勻，將預(yù) 制片依次疊層為多層碳纖維預(yù)制材料坯體;
步驟四、將步驟三制得的多層碳纖維預(yù)制材料坯體置于真空袋內(nèi)，抽至真 空壓力為-O. lMPa，與此同時在垂直于材料坯體表面施加0 1MPa的壓力，并 置于60 8(TC的干燥箱中養(yǎng)護24 48小時，然后將復(fù)合材料從真空袋中取出 再在100 12(TC的干燥箱中養(yǎng)護24 48小時，即制得碳纖維增強無機聚合物 基復(fù)合材料。
本發(fā)明采用超聲分散制備短切碳纖維預(yù)制片的方式，克服了常規(guī)采用強力 攪拌法所造成的碳纖維團聚以及斷裂的問題；在養(yǎng)護過程中采用真空袋并加壓 的方式大大提高了短切碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料中的纖維含量；與現(xiàn) 有方法制備的短切碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料相比，本發(fā)明制備的復(fù)合 材料具有碳纖維在基體內(nèi)的含量高(碳纖維體積含量為3% 15%)、分布均勻、 材料強度高和韌性好的優(yōu)點。纖維體積含量為5. 1%時，所制得的復(fù)合材料的 密度為1. 52g/cm3，復(fù)合材料抗彎強度及斷裂功分別達98. 6MPa， 6897. 7J/m2， 相比未增強的基體材料提高了 5. 87倍及127. 3倍。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方 法由采用下列步驟實現(xiàn)
步驟一、配置無機聚合物配合料按照氫氧化鉀與去離子水的摩爾比為l
:4 l : 8配置成溶液，按照二氧化硅與氫氧化鉀摩爾比為0 : 1 6 : 1將非 晶二氧化硅 ^體添加到上述溶液中，磁力攪拌72 120小時得到混合溶液，將 盛有混合溶液的容器置于溫度為0 5。C的冰水浴中，按照偏高嶺土與氫氧化 鉀的摩爾比1 : 2 1 : 1將偏高嶺土粉體添加到混合溶液中，機械攪拌20 40min，得到硅/鋁為1 : 1 4 : 1的無機聚合物配合料，用去離子水調(diào)節(jié)配合 料粘度使其在剪切速率為60 80S—4寸位于150mPa*s 500mPa*s之間；
步驟二、將長度為2 12mm短切碳纖維置入無水乙醇溶液中，短切碳纖維 與乙醇溶液的質(zhì)量比為1 : 20000，經(jīng)超聲分散2 6min后將短切碳纖維用濾 網(wǎng)濾出，平放在玻璃板上干燥后得到厚度為0. 1 0. 3mm的短切碳纖維預(yù)制片;,
步驛三、在每片短切碳纖維預(yù)制片表面澆注2 5ml步驟一得到的無機聚 合物配合料，然后用塑料刮漿器將配合料在每片短切碳纖維預(yù)制片表面涂覆均 勻，將預(yù)制片依次疊層為多層碳纖維預(yù)制材料坯體；
步驟四、將步驟三制得的多層碳纖維預(yù)制材料坯體置于真空袋內(nèi)，抽至真 空壓力為-.0. lMPa，與此同時在垂直于材料坯體表面施加0 1MPa的壓力，并 置于60 8(TC的干燥箱中養(yǎng)護24 48小時，然后將復(fù)合材料從真空袋中取出 在100 12(TC的干燥箱中養(yǎng)護24 48小時，即制得碳纖維增強無機聚合物基 復(fù)合材料。
復(fù)合材料中碳纖維的體積含量為3% 15%。
具體實施方式
二:本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟一中將 24. 98g氫氧化鉀溶解于36ml水中得到氯氧化鉀溶液，將24g平均粒徑為 2. 3 u m的非晶二氧化硅粉體添加到氫氧化鉀溶液中，磁力攪拌72小時得到混 合溶液，將盛有混合溶液的容器置于溫度為0。C的冰水浴中，將44.4g平均粒 徑為4. 08 u m的偏高嶺土采用機械攪拌的方式緩慢添入到混合溶液中，高速攪 拌30min后得到硅/鋁比為2 : 1無機聚合物材料配合料，通過添加去離子水調(diào) 節(jié)配合料粘度在剪切速率為70S—1時為200mPa's;步驟二中將7rrnn短切碳纖維 與無水乙醇質(zhì)量比為1 : 20000在無水乙醇溶液中超聲分散2min，將短切碳纖 維用濾網(wǎng)濾出，平放到玻璃板上干燥后得到直徑為60mm，平均厚度為0.2mm 的短切纖維預(yù)制片；步驟三中將每片纖維預(yù)制片表面注入2 3ml步驟一制得 的無機聚合物配合料，采用塑料刮漿器將K合料在碳纖維預(yù)制體表面涂勻，疊
成30層碳纖維預(yù)制材料坯體；步驟四將材料坯體置于真空袋中，抽至壓力為 -O.lMPa，然后80。C干燥箱中養(yǎng)護48小時，去除真空袋12(TC干燥箱中養(yǎng)護 24小時。
本實施方式所制得的復(fù)合材料的密度為1. 42g/cm3，纖維體積含量為5. 4%。 復(fù)合材料微觀組織均勻，在強度測試過程中呈現(xiàn)偽塑性斷裂特征。復(fù)合材料抗 彎強度及斷裂功分別達91.3MPa， 6435. 3J/m2，相比未增強的基體材料提高了 5.4倍及118.7倍。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
二的不同在于在步驟二中的 短切碳纖維長度為2mm。其它與具體實施方式
二相同。
本實施方式所制得的復(fù)合材料的密度為1.41g/cm3，纖維體積含量為5.3% 復(fù)合材料抗彎強度及斷裂功分別達61. 5MPa、 4143. 0J/m2，相比未增強的基體 材料提高了 3.67倍和76.4倍。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
二的不同在于在步驟二中的 短切碳纖維長度為12mm。其它與具體實施方式
二相同。
本實施方式所制得的復(fù)合材料密度為1. 46g/cm3，纖維體積含量為5. 3%。 復(fù)合材料抗彎強度及斷裂功分別達84. 6MPa， 4511. 7J/m2，相比未增強的基體 材料提高了 5.0倍及83.2倍。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
二的不同在于步驟四中復(fù)合 材料坯體在7CTC干燥箱中干燥養(yǎng)護48小時，同時在垂直于坯體表面施加 0.5MPa的壓力。其它與具體實施方式
二相同。
本實施方式所制得的復(fù)合材料密度為1. 65g/cm3，纖維體積含量為12. 1%。 復(fù)合材料抗彎強度及斷裂功分別達103. OMPa， 6320. 5J/m2，相比未增強的基體 材料提高了6. l倍及116.6倍。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
二的不同在于在步驟一中非 晶二氧化硅質(zhì)量為72g，得到的無機聚合物配合料的硅/鋁比為4 : 1。其它與具體實施方式
二相同。
本實施方式所制得的復(fù)合材料密度為1. 52g/cni3，纖維體積含量為5. 1%。 復(fù)合材料抗彎強度及斷裂功分別達98. 6MPa， 6897. 7J/m2，相比未增強的基體 材料提高了 5. 87倍及127. 3倍。
權(quán)利要求
1、一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于該方法的步驟如下步驟一、配置無機聚合物配合料按照氫氧化鉀與去離子水的摩爾比為1∶4～1∶8配置成溶液，按照二氧化硅與氫氧化鉀摩爾比為0∶1～6∶1將非晶二氧化硅粉體添加到上述溶液中，磁力攪拌72～120小時得到混合溶液，將盛有混合溶液的容器置于溫度為0～5℃的冰水浴中，按照偏高嶺土與氫氧化鉀的摩爾比1∶2～1∶1將偏高嶺土粉體添加到混合溶液中，機械攪拌20～40min，得到硅/鋁為1∶1～4∶1的無機聚合物配合料，用去離子水調(diào)節(jié)配合料粘度使其在剪切速率為60～80S-1時位于150mPa·s～500mPa·s之間；步驟二、將長度為2～12mm短切碳纖維置入無水乙醇溶液中，短切碳纖維與乙醇溶液的質(zhì)量比為1∶20000，經(jīng)超聲分散2～6min后將短切碳纖維用濾網(wǎng)濾出，平放在玻璃板上干燥后得到厚度為0.1～0.3mm的短切碳纖維預(yù)制片；步驟三、在每片碳纖維預(yù)制片表面澆注2～5ml步驟一得到的無機聚合物配合料，然后用塑料刮漿器將配合料在每片碳纖維預(yù)制片表面涂覆均勻，將預(yù)制片依次疊層為多層碳纖維預(yù)制材料坯體；步驟四、將步驟三制得的多層碳纖維預(yù)制材料坯體置于真空袋內(nèi)，抽至真空壓力為-0.1MPa，與此同時在垂直于材料坯體表面施加0～1MPa的壓力，并置于60～80℃的干燥箱中養(yǎng)護24～48小時，然后將復(fù)合材料從真空袋中取出再在100～120℃的干燥箱中養(yǎng)護24～48小時，即制得碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備 方法，其特征在于復(fù)合材料中短切碳纖維的體積含量為3% 15%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備 方法，其特征在于步驟一中的氫氧化鉀、非晶二氧化硅與偏高嶺土的質(zhì)量分別 為24.98g、 24g與44.4g，得到的無機聚合物配合料硅/鋁比為2 : 1，用去離 子水調(diào)節(jié)配合料粘度使其在剪切速率為70.S—時為200mPa.s之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備 方法，其特征在于步驟一中所述的冰水浴的溫度為0 5。C。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備 方法，其特征在于步驟二中的短切碳纖維長度為7mm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備 方法，其特征在于步驟四中坯體表面施加0.5MPa的壓力，置于8(TC干燥箱中 養(yǎng)護48小時。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備 方法，其特征在于步驟四中復(fù)合材料從真空袋中取出再在12(TC的干燥箱中養(yǎng) 護24小時。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備 方法，其特征在于步驟一中將24. 98g氫氧化鉀溶解于36ml水中得到氫氧化鉀 溶液，將24g平均粒徑為2. 3 ix m的非晶二氧化硅粉體添加到氫氧化鉀溶液中， 磁力攪拌72小時得到混合溶液，將盛有混合溶液的容器置于溫度為O'C的冰 水浴中，將44. 4g平均粒徑為4. 08 u m的偏高嶺土采用機械攪拌的方式緩慢添 入到混合溶液中，高速攪拌30min后得到硅/鋁比為2 : 1無機聚合物材料配合 料；通過添加去離子水調(diào)節(jié)配合料粘度在剪切速率為70S—'時為200mPa"s;步 驟二中將7mm短切碳纖維按照纖維與無水乙醇質(zhì)量比為1 : 20000在無水乙醇 溶液中超聲分散2min，將纖維用濾網(wǎng)濾出，平放到玻璃板上干燥后得到直徑 為60mm，平均厚度為0.2mm的短切纖維預(yù)制片；步驟三中將每片纖維預(yù)制片 表面注入2 3ml步驟一制得的無機聚合物配合料，采用塑料刮漿器將配合料 在碳纖維預(yù)制體表面涂勻，疊成30層碳纖維預(yù)制材料坯體；步驟四中將材料 坯體置于真空袋中，抽至壓力為-0. lMPa，然后80。C干燥箱中養(yǎng)護48小時， 去除真空袋12(TC干燥箱中養(yǎng)護24小時。
全文摘要
一種碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法，它涉及無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法。它解決了無機聚合物材料的低機械強度、低韌性、低承載能力以及低應(yīng)用可靠性；現(xiàn)有碳纖維的長徑比大，制備過程極易纏繞團聚及被攪斷，在無機聚合物材料基體內(nèi)的分布不均勻，造成強化效果低的問題。本發(fā)明的制備方法為1.配置無機聚合物配合料，用去離子水調(diào)節(jié)配合料的粘度；2.制備短切碳纖維預(yù)制片；3.制備包含多層碳纖維預(yù)制片的復(fù)合材料坯體；4.將坯體真空施壓、干燥后制得碳纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料。本發(fā)明克服了常規(guī)強力攪拌法碳纖維團聚以及斷裂的問題；本發(fā)明制備的復(fù)合材料具有碳纖維含量高、分布均勻、材料強度高和韌性好的優(yōu)點。
文檔編號C04B14/38GK101182152SQ20071014458
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月12日
發(fā)明者林鐵松, 賈德昌 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)