一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无机聚合物基复合材料及其制备方法，具体涉及一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]无机聚合物材料具有耐高温、耐热、密度低、成本低并且阻燃性能好等特点，并且制备温度低、工艺简单、消耗能耗少，在建筑和耐火材料及航空领域均已有所应用。然而，无机聚合物材料本身固有脆性、韧性差、机械强度低等因素严重限制了其应用范围。
[0003]碳纤维增强陶瓷基复合材料克服了陶瓷材料脆性大的缺点，而保持了陶瓷本身优点而得到了广泛的应用。纤维的添加形式及分布状态对复合材料的性能影响至关重要，目前制备无机聚合物基复合材料的碳纤维主要为一维形式(包括单向碳纤维和短切碳纤维)，已有单向碳纤维增强纤维呈单向分布，平行纤维方向的增强效果受到影响，限制了强化效果；短切碳纤维增强具有较小的长径比，可以弥散分布在无机聚合物基体中，改善了强化效果，但需要纤维辅助分散工艺。
[0004]碳纤维毡作为碳纤维的三维形式，具有比表面积大，吸附性能好，并且具有来源广泛，成本低廉等优点，相比于一维碳纤维，碳纤维毡本身具有三维网络状骨骼结构，孔隙率可调，能很好的满足无机聚合物的浸渍要求，并且易于成型，已在复合材料方面得到很好的应用，将碳纤维毡作为无机聚合物的增强体的研宄还未见报导。
【发明内容】
[0005]本发明是为了解决现有的无机聚合物材料机械性能低、韧性差，加入短碳纤维操作较为复杂的问题，而提供一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料及其制备方法。
[0006]本发明的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料由无机聚合物料浆和碳纤维毡制备而成；所述的无机聚合物料浆由氢氧化钾、硅溶胶和铝硅酸盐粉体制备而成；
[0007]所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为I %?5% ；
[0008]所述的碳纤维租厚度为Imm?1mm ；
[0009]所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1: (0.5?1.5);
[0010]所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1;
[0011]所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为(I?4):1 ;
[0012]所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S—1?80S—1时粘度为150mPa.s?500mPa.s的无机聚合物料楽；
[0013]所述的硅溶胶的质量浓度为25%?45%。
[0014]本发明的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料的制备方法按以下步骤进行:
[0015]一、配置无机聚合物料浆:将氢氧化钾加入到硅溶胶中，在磁力搅拌速度为1r/min?1000/min的条件下磁力搅拌混合20h?72h，得到混合溶液，然后将混合溶液置于温度为O?5°C的冰水浴中，再加入铝硅酸盐粉体，在搅拌速度为10r/min?2000r/min的条件下机械搅拌25min?35min，得到无机聚合物料楽；
[0016]所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1: (0.5?1.5);
[0017]所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1;
[0018]所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为(I?4):1 ;
[0019]所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S—1?80S—1时粘度为150mPa.s?500mPa.s的无机聚合物料楽；
[0020]所述的硅溶胶的质量浓度为25%?45% ；
[0021]二、清洗碳纤维毡:将碳纤维毡先放入丙酮中清洗Ih?3h，再放入无水乙醇中清洗Ih?3h，然后平放在玻璃板上，在温度为50?80°C条件下烘干，得到清洗后的碳纤维毡；
[0022]所述的清洗后的碳纤维租厚度为Imm?1mm ；
[0023]三、制备预制材料坯体:将步骤二得到的清洗后的碳纤维毡加入步骤一得到的无机聚合物料楽中，在超声频率为1kHz?40kHz下超声振荡3min?lOmin，得到预制材料，然后将预制材料层叠铺设在模具中，共铺设I?10层，每铺设I?3层抽一次真空，每次抽真空后的真空度约为-0.08MPa?-0.1MPa，得到预制材料坯体；
[0024]四、制备碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料:将步骤三得到的预制材料坯体置于真空箱内，在真空度为-0.08MPa?-0.1MPa的条件下垂直预制材料坯体表面施加OMPa?IMPa的机械压力，取出后置于温度为60?80°C的干燥箱内养护48h?84h，得到碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料；
[0025]所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为I %?
[0026]本发明的有益效果
[0027]本发明制备得到的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料工艺简单，提高现有材料的热学性能，可大面积制备，适用范围更广泛，制得的复合材料力学性能好，复合材料密度为1.4g/cm3?2g/cm 3之间，抗弯强度可以达到55MPa?70MPa，弹性模量可达到3GPa?6GPa，断裂韧性可达到1.0MPa.m1/2?1.1MPa.m 1/2,断裂功可达到1500J/m2?2500J/m2，相比于未增强的基体材料均有提高；
[0028]本发明制备的复合材料与现有短纤维增强复合材料相比，制备更为简单，工艺性好，纤维分布均匀，分散性好，强度高，韧性好；
[0029]本发明制备的复合材料与现有长纤维增强复合材料相比，各向同性性好，制备条件节能环保，该复合材料耐热好，可在高温稳定使用，耐腐蚀，并且不释放有毒气体，成本低，尺寸大小、厚度可控性好，适于制备复杂形状构件、适于制备各种厚度、大尺寸的板材。
【具体实施方式】
[0030]【具体实施方式】一:本实施方式的一种碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料由无机聚合物料浆和碳纤维毡制备而成；所述的无机聚合物料浆由氢氧化钾、硅溶胶和铝硅酸盐粉体制备而成；
[0031]所述的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料中碳纤维毡的体积分数为I %?5% ；
[0032]所述的碳纤维租厚度为Imm?1mm ；
[0033]所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1: (0.5?1.5);
[0034]所述的铝硅酸盐粉体中硅元素与铝元素的摩尔比为1:1 ;
[0035]所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为(I?4):1 ;
[0036]所述的无机聚合物料浆是在剪切速率60S—1?80S ―1时粘度为150mPa.s?500mPa.s的无机聚合物料楽；
[0037]所述的硅溶胶的质量浓度为25%?45%。
[0038]本实施方式的碳纤维毡增强无机聚合物基复合材料力学性能好，复合材料密度为1.4g/cm3?2g/cm3之间，抗弯强度可以达到55MPa?70MPa，弹性模量可达到3GPa?6GPa，断裂韧性可达到1.0MPa.m1/2~ 1.1MPa.m 1/2，断裂功可达到1500J/m2?2500J/m 2，相比于未增强的基体材料均有提高。
[0039]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述的氢氧化钾中钾元素与硅溶胶中硅元素的摩尔比1:1。其他步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0040]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:所述的无机聚合物料浆中硅元素与铝元素的摩尔比为1.6:1。其他步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
[0041]【具体实施方式】四:本实