本发明涉及一种二氧化硅/二氧化钛包覆碳纤维复合材料的制备方法，属于碳纤维复合材料制备技术领域。
背景技术：
碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用。从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。碳纤维是典型的高科技领域中的新型工业材料。
碳纤维复合材料是一种高性能、多功能的先进复合材料。是碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成的结构材料。目前碳纤维复合材料制造工艺技术主要有：自动铺带技术、RTM（Resin Transfer Molding）以及电子固化等成形技术等。自动铺放成形技术包括自动铺放丝束成形技术和自动窄带铺放成形技术，是在已有缠绕和自动铺放基础上发展起来的一种全自动制造技术。电子束固化是一个利用高能高聚集度的电子束来固化树脂基复合材料的过程，是低成本制备纤维增强复合材料的新方法。RTM是一种低压液体闭模成形技术，已成为复合材料低成本制造技术的主要发展方向。该工艺在制备复合材料制品时，不需要制备预浸料，只需在阴模上铺放增强材料至所定厚度后，在阴模周围的装有树脂和固化剂的槽加压供树脂，从阴模顶部抽真空，至吸出的树脂中没有气泡为止，然后加热固化。但由于碳纤维的脆性很大，冲击性能差，导致制得碳纤维复合材料拉伸强度弱，且与其他材料相容性差，加工成型困难。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题：针对碳纤维的脆性大，冲击性能差，导致制得碳纤维复合材料拉伸强度弱，且与其他材料相容性差，加工成型困难的弊端，提供了一种将碳纤维经丙酮萃取，硝酸酸洗除杂后制得预处理碳纤维，再将碳纳米管配置成溶液并利用静电喷涂法将碳纳米管植入碳纤维的表面结构缺陷中，提高碳纤维的拉伸强度，制得碳纳米管掺杂碳纤维，再将纳米二氧化硅与钛酸四丁酯等混合分散制成混合乳液，并用碳纳米管掺杂碳纤维浸泡在混合乳液中包浆，最后在氩气氛围下烧结制得二氧化硅/二氧化钛包覆碳纤维复合材料的方法，有效解决了由于碳纤维脆性大，冲击性差，导致得碳纤维复合材料拉伸强度弱，且与其他材料相容性差，加工成型困难的问题。本发明制备步骤简单，所得碳纤维复合材料拉伸强度高，与其他材料相容性好，具有较好的成型加工性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：
（1）称取10～12g碳纤维，将其在50～60mL丙酮中浸泡1～2h，并用去离子水洗涤碳纤维3～5次，洗涤后转入烘箱中，在60～70℃下干燥1～2h，随后将干燥碳纤维在80～120mL质量分数为10%硝酸溶液中浸泡1～2h，再用去离子水洗涤3～5次，并置于烘箱中，在70～80℃下干燥1～2h，得预处理碳纤维；
（2）分别称取0.05～0.08g多壁碳纳米管，0.01～0.03g十二烷基苯磺酸钠，加入500～800mL二甲基甲酰胺中，以300～400r/min搅拌3～5h，得多壁碳纳米管分散液，将多壁碳纳米管分散液装入静电喷涂设备的喷枪中，再将上述预处理碳纤维置于静电喷涂设备的基底上，控制静电场强为25～30kV，喷射距离为8～10cm，喷涂1～3h，随后将喷涂完毕的碳纤维转入干燥箱中，在60～70℃下干燥1～2h，得碳纳米管掺杂碳纤维，备用；
（3）称取1～3g纳米二氧化硅，加入15～20mL苯乙烯中，以300～400r/min搅拌10～15min，再加入0.3～0.6g硅烷偶联剂KH-570，并以200W超声波超声分散10～15min，随后分别加入3～5mL钛酸四丁酯，0.5～1.0g十二烷基磺酸钠，0.5～1.0g烷基酚聚氧乙烯醚和100～120mL去离子水，继续搅拌10～15min后，装入高速均质机中分散5～8min，得混合乳液；
（4）将步骤（2）备用的碳纳米管掺杂碳纤维加入至上述混合乳液中，升温至50～60℃，保温30～40min，再加入0.01～0.02g过硫酸钾混合均匀后，在氮气氛围下，继续升温至70～80℃，保温3～5h，并加入80～100mL无水乙醇，静置1～2h，随后过滤，用质量分数为50%乙醇溶液洗涤滤渣3～5次，并将滤渣置于真空干燥箱中，在60～70℃下干燥2～3h，将干燥滤渣转入马弗炉中，在氩气氛围下，以500～550℃烧结2～3h，即得二氧化硅/二氧化钛包覆碳纤维复合材料。
本发明的应用方法：将本发明制得二氧化硅/二氧化钛包覆碳纤维复合材料在800～1200℃条件下预热1～2h，预热完成后，将所得预热料注入模具中，控制模具温度为220～320℃，压制30～40min，再进行拼接、卷制，脱模后制得试件。本发明碳纤维复合材料强度高，成型加工性能好，制得的试件断裂伸长率为12.5～18.2%，抗拉强度为3.8～4.3GPa，抗拉弹性模量为220～310GPa，冲击强度为0.15～0.21GPa，值得推广与使用。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明制备步骤简单，所得碳纤维复合材料具有较强的拉伸强度，拉伸强度达3.58～4.36GPa，与传统碳纤维复合材料相比拉伸强度提高了12.5～21.6%；
（2）本发明碳纤维复合材料与其他材料相容性好，具有极佳的成型加工性能。
具体实施方式
首先称取10～12g碳纤维，将其在50～60mL丙酮中浸泡1～2h，并用去离子水洗涤碳纤维3～5次，洗涤后转入烘箱中，在60～70℃下干燥1～2h，随后将干燥碳纤维在80～120mL质量分数为10%硝酸溶液中浸泡1～2h，再用去离子水洗涤3～5次，并置于烘箱中，在70～80℃下干燥1～2h，得预处理碳纤维；再分别称取0.05～0.08g多壁碳纳米管，0.01～0.03g十二烷基苯磺酸钠，加入500～800mL二甲基甲酰胺中，以300～400r/min搅拌3～5h，得多壁碳纳米管分散液，将多壁碳纳米管分散液装入静电喷涂设备的喷枪中，再将上述预处理碳纤维置于静电喷涂设备的基底上，控制静电场强为25～30kV，喷射距离为8～10cm，喷涂1～3h，随后将喷涂完毕的碳纤维转入干燥箱中，在60～70℃下干燥1～2h，得碳纳米管掺杂碳纤维，备用；然后称取1～3g纳米二氧化硅，加入15～20mL苯乙烯中，以300～400r/min搅拌10～15min，再加入0.3～0.6g硅烷偶联剂KH-570，并以200W超声波超声分散10～15min，随后分别加入3～5mL钛酸四丁酯，0.5～1.0g十二烷基磺酸钠，0.5～1.0g烷基酚聚氧乙烯醚和100～120mL去离子水，继续搅拌10～15min后，装入高速均质机中分散5～8min，得混合乳液；最后将备用的碳纳米管掺杂碳纤维加入至上述混合乳液中，升温至50～60℃，保温30～40min，再加入0.01～0.02g过硫酸钾混合均匀后，在氮气氛围下，继续升温至70～80℃，保温3～5h，并加入80～100mL无水乙醇，静置1～2h，随后过滤，用质量分数为50%乙醇溶液洗涤滤渣3～5次，并将滤渣置于真空干燥箱中，在60～70℃下干燥2～3h，将干燥滤渣转入马弗炉中，在氩气氛围下，以500～550℃烧结2～3h，即得二氧化硅/二氧化钛包覆碳纤维复合材料。
实例1
首先称取10g碳纤维，将其在50mL丙酮中浸泡1h，并用去离子水洗涤碳纤维3次，洗涤后转入烘箱中，在60℃下干燥1h，随后将干燥碳纤维在80mL质量分数为10%硝酸溶液中浸泡1h，再用去离子水洗涤3次，并置于烘箱中，在70℃下干燥1h，得预处理碳纤维；再分别称取0.05g多壁碳纳米管，0.01g十二烷基苯磺酸钠，加入500mL二甲基甲酰胺中，以300r/min搅拌3h，得多壁碳纳米管分散液，将多壁碳纳米管分散液装入静电喷涂设备的喷枪中，再将上述预处理碳纤维置于静电喷涂设备的基底上，控制静电场强为25kV，喷射距离为8cm，喷涂1h，随后将喷涂完毕的碳纤维转入干燥箱中，在60℃下干燥1h，得碳纳米管掺杂碳纤维，备用；然后称取1g纳米二氧化硅，加入15mL苯乙烯中，以300r/min搅拌10min，再加入0.3g硅烷偶联剂KH-570，并以200W超声波超声分散10min，随后分别加入3mL钛酸四丁酯，0.5g十二烷基磺酸钠，0.5g烷基酚聚氧乙烯醚和100mL去离子水，继续搅拌10min后，装入高速均质机中分散5min，得混合乳液；最后将备用的碳纳米管掺杂碳纤维加入至上述混合乳液中，升温至50℃，保温30min，再加入0.01g过硫酸钾混合均匀后，在氮气氛围下，继续升温至70℃，保温3h，并加入80mL无水乙醇，静置1h，随后过滤，用质量分数为50%乙醇溶液洗涤滤渣3次，并将滤渣置于真空干燥箱中，在60℃下干燥2h，将干燥滤渣转入马弗炉中，在氩气氛围下，以500℃烧结2h，即得二氧化硅/二氧化钛包覆碳纤维复合材料。
将本发明制得二氧化硅/二氧化钛包覆碳纤维复合材料在800℃条件下预热1h，预热完成后，将所得预热料注入模具中，控制模具温度为220℃，压制30min，再进行拼接、卷制，脱模后制得试件。本发明碳纤维复合材料强度高，成型加工性能好，制得的试件断裂伸长率为12.5%，抗拉强度为3.8GPa，抗拉弹性模量为220GPa，冲击强度为0.15GPa，值得推广与使用。
实例2
首先称取11g碳纤维，将其在55mL丙酮中浸泡2h，并用去离子水洗涤碳纤维4次，洗涤后转入烘箱中，在65℃下干燥2h，随后将干燥碳纤维在100mL质量分数为10%硝酸溶液中浸泡2h，再用去离子水洗涤4次，并置于烘箱中，在75℃下干燥2h，得预处理碳纤维；再分别称取0.07g多壁碳纳米管，0.02g十二烷基苯磺酸钠，加入650mL二甲基甲酰胺中，以350r/min搅拌4h，得多壁碳纳米管分散液，将多壁碳纳米管分散液装入静电喷涂设备的喷枪中，再将上述预处理碳纤维置于静电喷涂设备的基底上，控制静电场强为28kV，喷射距离为9cm，喷涂2h，随后将喷涂完毕的碳纤维转入干燥箱中，在65℃下干燥2h，得碳纳米管掺杂碳纤维，备用；然后称取2g纳米二氧化硅，加入18mL苯乙烯中，以350r/min搅拌13min，再加入0.5g硅烷偶联剂KH-570，并以200W超声波超声分散13min，随后分别加入4mL钛酸四丁酯，0.8g十二烷基磺酸钠，0.8g烷基酚聚氧乙烯醚和110mL去离子水，继续搅拌13min后，装入高速均质机中分散7min，得混合乳液；最后将备用的碳纳米管掺杂碳纤维加入至上述混合乳液中，升温至55℃，保温35min，再加入0.02g过硫酸钾混合均匀后，在氮气氛围下，继续升温至75℃，保温4h，并加入90mL无水乙醇，静置2h，随后过滤，用质量分数为50%乙醇溶液洗涤滤渣4次，并将滤渣置于真空干燥箱中，在65℃下干燥3h，将干燥滤渣转入马弗炉中，在氩气氛围下，以530℃烧结3h，即得二氧化硅/二氧化钛包覆碳纤维复合材料。
将本发明制得二氧化硅/二氧化钛包覆碳纤维复合材料在1000℃条件下预热2h，预热完成后，将所得预热料注入模具中，控制模具温度为270℃，压制35min，再进行拼接、卷制，脱模后制得试件。本发明碳纤维复合材料强度高，成型加工性能好，制得的试件断裂伸长率为15.3%，抗拉强度为4.1GPa，抗拉弹性模量为265GPa，冲击强度为0.18GPa，值得推广与使用。
实例3
首先称取12g碳纤维，将其在60mL丙酮中浸泡2h，并用去离子水洗涤碳纤维5次，洗涤后转入烘箱中，在70℃下干燥2h，随后将干燥碳纤维在120mL质量分数为10%硝酸溶液中浸泡2h，再用去离子水洗涤5次，并置于烘箱中，在80℃下干燥2h，得预处理碳纤维；再分别称取0.08g多壁碳纳米管，0.03g十二烷基苯磺酸钠，加入800mL二甲基甲酰胺中，以400r/min搅拌5h，得多壁碳纳米管分散液，将多壁碳纳米管分散液装入静电喷涂设备的喷枪中，再将上述预处理碳纤维置于静电喷涂设备的基底上，控制静电场强为30kV，喷射距离为10cm，喷涂3h，随后将喷涂完毕的碳纤维转入干燥箱中，在70℃下干燥2h，得碳纳米管掺杂碳纤维，备用；然后称取3g纳米二氧化硅，加入20mL苯乙烯中，以400r/min搅拌15min，再加入0.6g硅烷偶联剂KH-570，并以200W超声波超声分散15min，随后分别加入5mL钛酸四丁酯，1.0g十二烷基磺酸钠，1.0g烷基酚聚氧乙烯醚和120mL去离子水，继续搅拌15min后，装入高速均质机中分散8min，得混合乳液；最后将备用的碳纳米管掺杂碳纤维加入至上述混合乳液中，升温至60℃，保温40min，再加入0.02g过硫酸钾混合均匀后，在氮气氛围下，继续升温至80℃，保温5h，并加入100mL无水乙醇，静置2h，随后过滤，用质量分数为50%乙醇溶液洗涤滤渣5次，并将滤渣置于真空干燥箱中，在70℃下干燥3h，将干燥滤渣转入马弗炉中，在氩气氛围下，以550℃烧结3h，即得二氧化硅/二氧化钛包覆碳纤维复合材料。
将本发明制得二氧化硅/二氧化钛包覆碳纤维复合材料在1200℃条件下预热2h，预热完成后，将所得预热料注入模具中，控制模具温度为320℃，压制40min，再进行拼接、卷制，脱模后制得试件。本发明碳纤维复合材料强度高，成型加工性能好，制得的试件断裂伸长率为18.2%，抗拉强度为4.3GPa，抗拉弹性模量为310GPa，冲击强度为0.21GPa，值得推广与使用。