一種碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無機(jī)聚合物基復(fù)合材料及其制備方法，具體涉及一種碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無機(jī)聚合物材料具有耐高溫、耐熱、密度低、成本低并且阻燃性能好等特點(diǎn)，并且制備溫度低、工藝簡單、消耗能耗少，在建筑和耐火材料及航空領(lǐng)域均已有所應(yīng)用。然而，無機(jī)聚合物材料本身固有脆性、韌性差、機(jī)械強(qiáng)度低等因素嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。
[0003]碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料克服了陶瓷材料脆性大的缺點(diǎn)，而保持了陶瓷本身優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。纖維的添加形式及分布狀態(tài)對復(fù)合材料的性能影響至關(guān)重要，目前制備無機(jī)聚合物基復(fù)合材料的碳纖維主要為一維形式(包括單向碳纖維和短切碳纖維)，已有單向碳纖維增強(qiáng)纖維呈單向分布，平行纖維方向的增強(qiáng)效果受到影響，限制了強(qiáng)化效果；短切碳纖維增強(qiáng)具有較小的長徑比，可以彌散分布在無機(jī)聚合物基體中，改善了強(qiáng)化效果，但需要纖維輔助分散工藝。
[0004]碳纖維氈作為碳纖維的三維形式，具有比表面積大，吸附性能好，并且具有來源廣泛，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，相比于一維碳纖維，碳纖維氈本身具有三維網(wǎng)絡(luò)狀骨骼結(jié)構(gòu)，孔隙率可調(diào)，能很好的滿足無機(jī)聚合物的浸漬要求，并且易于成型，已在復(fù)合材料方面得到很好的應(yīng)用，將碳纖維氈作為無機(jī)聚合物的增強(qiáng)體的研宄還未見報導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的無機(jī)聚合物材料機(jī)械性能低、韌性差，加入短碳纖維操作較為復(fù)雜的問題，而提供一種碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的一種碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料由無機(jī)聚合物料漿和碳纖維氈制備而成；所述的無機(jī)聚合物料漿由氫氧化鉀、硅溶膠和鋁硅酸鹽粉體制備而成；
[0007]所述的碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料中碳纖維氈的體積分?jǐn)?shù)為I %?5% ；
[0008]所述的碳纖維租厚度為Imm?1mm ；
[0009]所述的氫氧化鉀中鉀元素與硅溶膠中硅元素的摩爾比1: (0.5?1.5);
[0010]所述的鋁硅酸鹽粉體中硅元素與鋁元素的摩爾比為1:1;
[0011]所述的無機(jī)聚合物料漿中硅元素與鋁元素的摩爾比為(I?4):1 ;
[0012]所述的無機(jī)聚合物料漿是在剪切速率60S—1?80S—1時粘度為150mPa.s?500mPa.s的無機(jī)聚合物料楽；
[0013]所述的硅溶膠的質(zhì)量濃度為25%?45%。
[0014]本發(fā)明的一種碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行:
[0015]一、配置無機(jī)聚合物料漿:將氫氧化鉀加入到硅溶膠中，在磁力攪拌速度為1r/min?1000/min的條件下磁力攪拌混合20h?72h，得到混合溶液，然后將混合溶液置于溫度為O?5°C的冰水浴中，再加入鋁硅酸鹽粉體，在攪拌速度為10r/min?2000r/min的條件下機(jī)械攪拌25min?35min，得到無機(jī)聚合物料楽；
[0016]所述的氫氧化鉀中鉀元素與硅溶膠中硅元素的摩爾比1: (0.5?1.5);
[0017]所述的鋁硅酸鹽粉體中硅元素與鋁元素的摩爾比為1:1;
[0018]所述的無機(jī)聚合物料漿中硅元素與鋁元素的摩爾比為(I?4):1 ;
[0019]所述的無機(jī)聚合物料漿是在剪切速率60S—1?80S—1時粘度為150mPa.s?500mPa.s的無機(jī)聚合物料楽；
[0020]所述的硅溶膠的質(zhì)量濃度為25%?45% ；
[0021]二、清洗碳纖維氈:將碳纖維氈先放入丙酮中清洗Ih?3h，再放入無水乙醇中清洗Ih?3h，然后平放在玻璃板上，在溫度為50?80°C條件下烘干，得到清洗后的碳纖維氈；
[0022]所述的清洗后的碳纖維租厚度為Imm?1mm ；
[0023]三、制備預(yù)制材料坯體:將步驟二得到的清洗后的碳纖維氈加入步驟一得到的無機(jī)聚合物料楽中，在超聲頻率為1kHz?40kHz下超聲振蕩3min?lOmin，得到預(yù)制材料，然后將預(yù)制材料層疊鋪設(shè)在模具中，共鋪設(shè)I?10層，每鋪設(shè)I?3層抽一次真空，每次抽真空后的真空度約為-0.08MPa?-0.1MPa，得到預(yù)制材料坯體；
[0024]四、制備碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料:將步驟三得到的預(yù)制材料坯體置于真空箱內(nèi)，在真空度為-0.08MPa?-0.1MPa的條件下垂直預(yù)制材料坯體表面施加OMPa?IMPa的機(jī)械壓力，取出后置于溫度為60?80°C的干燥箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)48h?84h，得到碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料；
[0025]所述的碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料中碳纖維氈的體積分?jǐn)?shù)為I %?
[0026]本發(fā)明的有益效果
[0027]本發(fā)明制備得到的碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料工藝簡單，提高現(xiàn)有材料的熱學(xué)性能，可大面積制備，適用范圍更廣泛，制得的復(fù)合材料力學(xué)性能好，復(fù)合材料密度為1.4g/cm3?2g/cm 3之間，抗彎強(qiáng)度可以達(dá)到55MPa?70MPa，彈性模量可達(dá)到3GPa?6GPa，斷裂韌性可達(dá)到1.0MPa.m1/2?1.1MPa.m 1/2,斷裂功可達(dá)到1500J/m2?2500J/m2，相比于未增強(qiáng)的基體材料均有提高；
[0028]本發(fā)明制備的復(fù)合材料與現(xiàn)有短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，制備更為簡單，工藝性好，纖維分布均勻，分散性好，強(qiáng)度高，韌性好；
[0029]本發(fā)明制備的復(fù)合材料與現(xiàn)有長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，各向同性性好，制備條件節(jié)能環(huán)保，該復(fù)合材料耐熱好，可在高溫穩(wěn)定使用，耐腐蝕，并且不釋放有毒氣體，成本低，尺寸大小、厚度可控性好，適于制備復(fù)雜形狀構(gòu)件、適于制備各種厚度、大尺寸的板材。
【具體實(shí)施方式】
[0030]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的一種碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料由無機(jī)聚合物料漿和碳纖維氈制備而成；所述的無機(jī)聚合物料漿由氫氧化鉀、硅溶膠和鋁硅酸鹽粉體制備而成；
[0031]所述的碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料中碳纖維氈的體積分?jǐn)?shù)為I %?5% ；
[0032]所述的碳纖維租厚度為Imm?1mm ；
[0033]所述的氫氧化鉀中鉀元素與硅溶膠中硅元素的摩爾比1: (0.5?1.5);
[0034]所述的鋁硅酸鹽粉體中硅元素與鋁元素的摩爾比為1:1 ;
[0035]所述的無機(jī)聚合物料漿中硅元素與鋁元素的摩爾比為(I?4):1 ;
[0036]所述的無機(jī)聚合物料漿是在剪切速率60S—1?80S ―1時粘度為150mPa.s?500mPa.s的無機(jī)聚合物料楽；
[0037]所述的硅溶膠的質(zhì)量濃度為25%?45%。
[0038]本實(shí)施方式的碳纖維氈增強(qiáng)無機(jī)聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能好，復(fù)合材料密度為1.4g/cm3?2g/cm3之間，抗彎強(qiáng)度可以達(dá)到55MPa?70MPa，彈性模量可達(dá)到3GPa?6GPa，斷裂韌性可達(dá)到1.0MPa.m1/2~ 1.1MPa.m 1/2，斷裂功可達(dá)到1500J/m2?2500J/m 2，相比于未增強(qiáng)的基體材料均有提高。
[0039]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述的氫氧化鉀中鉀元素與硅溶膠中硅元素的摩爾比1:1。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0040]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述的無機(jī)聚合物料漿中硅元素與鋁元素的摩爾比為1.6:1。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0041]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)