一种无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于复合材料领域，具体涉及一种无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制 备方法。
【背景技术】
[0002] 碳布增强聚合物基复合材料已经被广泛应用于如热保护系统、轻质结构件、超 级电容器以及汽车材料等许多领域。由于其具有优异的摩擦学和热稳定性，它们也越来 越多地在工业上被用作重要的摩擦工程材料[RattanR，BijweJ，FahimM.Wear. 2007; 262 (5-6) : 727-35]。目前，许多研究者已经从复合材料中高分子含量的选择、碳布的制备及 编织方法等方面开展了大量的研究工作。然而，由于碳纤维低的比表面积和差的浸润性，使 其与聚合物的结合性较差。为了解决碳纤维与树脂基体的界面结合问题，研究者从化学处 理和物理处理两个角度对碳布复合材料进行了改性。
[0003] 在化学处理方面，ZhangX等人利用溶胶凝胶法将纳米Si02*到了碳纤维上，并 用浸涂法制备了碳布复合材料[ZhangX，PeiX，ZhangJ,WangQ.ColloidsandSurfaces A:PhysicochemicalandEngineeringAspects. 2009 ;339(1_3):7_12]。DekaBK等人 通过水热法在碳纤维表面生长了纳米线ZnO[KongK,DekaBK,KwakSK,0hA,KimH,Park Y-B,etal.CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing. 2013 ；55:152-60] 和纳米线CuO[DekaBK,KongK,SeoJ,KimD,ParkY_B,ParkHff.CompositesPart A:AppliedScienceandManufacturing. 2015;69:56-63]，并米用真空辅助树脂模塑法 制备了碳布复合材料。上述经过化学处理的碳布复合材料的结合性能都得到了不同程度 的提升。对于物理处理，一些研究者通过辐射的方法提高了碳纤维表面的活性，从而改善 了界面结合。更多的研究主要集中在纳米和微米颗粒的添加，其中纳米颗粒包括碳黑、 A1203,Si3N4,Si02,Ti02,ZnO以及0&〇)3等，微米颗粒包括SiC和MoS2等。上述经过物理处理 的碳布复合材料的力学性能也都得到了不同程度的提升。
[0004] 然而，化学处理存在成本高和工艺复杂的缺点，物理处理所选用添加剂的大多为 化学纯，也存在成本高的问题。此外，上述研究大都集中在讨论碳布复合材料的干式摩擦性 能，对于能够应用于湿式摩擦环境的碳布复合材料的报道较少。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，该方 法制备工艺简单、生产成本低，并且通过添加无机粉末使制得的无机粉末增强碳布/树脂 复合材料具有良好的力学和摩擦学性能。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤一：将无机粉末与树脂以1: (2. 5~20)的质量比混合均勾，得到混合物A， 然后将混合物A加入无水乙醇中使其完全溶解，得溶液B，其中溶液B中无机粉末的浓度为 0· 2 ~20g/L;
[0009] 步骤二：将碳布清洁干净后干燥，备用；
[0010] 步骤三：将溶液B中的混合物A添加到经步骤二处理过的碳布中，得到预制体C， 其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为20~25% ;
[0011] 步骤四：对预制体C进行热压固化，其中热压温度为150~180°C、热压时间为5~ 15min、热压压力为3~8MPa，即得到无机粉末增强碳布/树脂复合材料。
[0012] 所述步骤一中的无机粉末为玻璃粉、陶瓷粉、水泥粉、耐火材料粉末以及碳粉中的 一种或几种任意比例的混合物。
[0013] 所述步骤一中无机粉末的粒径为100nm~10μm。
[0014] 所述步骤一中的无机粉末在使用前先经过表面处理，使其表面富含含氧官能团。
[0015] 所述步骤一中的树脂为丁腈改性树脂、腰果壳油改性酚醛树脂、橡胶改性树脂、硼 改性树脂或环氧树脂。
[0016] 所述步骤一中通过混料机、球磨机或人工搅拌的方式将无机粉末和树脂混合均 匀。
[0017] 所述步骤二中对碳布进行清洁的具体步骤为：将碳布先在丙酮中浸泡12~40h， 再在乙醇中超声清洗30~60min。
[0018] 所述步骤二中的碳布的编织密度为1K、3K、6K或12K，编织结构为平纹、斜纹、缎纹 或单向布。
[0019] 所述步骤三中通过抽滤、浸渍、或溶解的方式将混合物Α添加到碳布中；
[0020] 其中抽滤的具体操作为：以碳布为滤纸，将溶液B倒入漏斗中进行抽滤，然后烘 干，再重复抽滤、烘干，直至碳布中混合物A的含量达到要求；
[0021] 浸渍的具体操作为：将碳布浸渍到溶液B中，然后烘干，再重复浸渍、烘干，直至碳 布中混合物A的含量达到要求；
[0022] 溶解的具体操作为：将混合物A平铺于碳布表面，然后加入无水乙醇使混合物A完 全溶解，然后烘干。
[0023] 所述抽滤采用砂芯漏斗抽滤装置或布氏漏斗抽滤装置进行。
[0024] 相对于现有技术，本发明的有益效果为：
[0025] 本发明提供的无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，将无机粉末与树脂 均匀混合后于无水乙醇中溶解，然后将无机粉末和树脂的混合物均匀分散于碳布中，再将 碳布热压成型，即得到具有优异力学和摩擦学性能的无机粉末增强碳布/树脂复合材料。 本发明将无机粉末作为原料添加到碳布/树脂复合材料中，制备出碳布湿式摩擦材料。将 无机粉末的高硬度、耐磨以及优异的热性能等特性很好地融入到碳布/树脂复合材料中， 同时又能增加各组分之间的界面交互和机械齿合，大大提高了碳布摩擦材料的机械性能和 摩擦磨损性能。本发明制备工艺简单，生产成本低，将无机粉末作为增强体添加到碳布摩擦 材料中，通过控制加入无机粉末的含量，可以获得具有不同力学和摩擦学性能的无机粉末 增强碳布/树脂复合材料。本发明将碳布的高自润滑性、无机粉末高的硬度和与树脂良好 的相容性有机地结合在了一起，使制得的无机粉末增强碳布/树度脂复合材料具有高致密 性、高强度、高摩擦系数、摩擦性能稳定、摩擦噪音小、耐磨性良好的优点，并且其抗剪切、抗 折、抗拉等力学性能也得到了改善，具有良好的应用前景。
[0026] 本发明的优点具体表现在以下四个方面：
[0027] (1)本发明将粒径较小、强度较高的无机粉末均匀分散于碳布摩擦材料中，改善了 碳布与树脂基体的界面结合，使其具有优异的力学性能；
[0028] (2)无机粉末增加了碳布表面的粗糙度，提高了复合材料的摩擦系数；
[0029] (3)无机粉末的加入增加了各组分之间的界面交互和机械齿合，降低了碳布/树 脂复合材料的磨损，大大了提高了其寿命；
[0030] (4)无机粉末可以来源于工业及建筑废弃物，实现了变废为宝，更加环保。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明实施例1制备出的玻璃粉增强碳布/树脂复合材料表面的扫描电镜 图，其中（b)为（a)的局部放大图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合本发明较优的实施例对本发明做进一步详细说明。
[0033] 实施例1 :
[0034] 步骤一：通过混料机将0. 3g粒径为100~200nm的玻璃粉与3g腰果壳油改性酚 醛树脂以1:10的质量比混合均匀，得到混合物A，然后将混合物A加入100ml无水乙醇中使 其完全溶解，得溶液B，其中溶液B中玻璃粉的浓度为3g/L;玻璃粉在使用前先浸泡在硅烷 偶联剂中，使其表面富含含氧官能团；
[0035] 步骤二：将碳布在丙酮中浸泡24h后取出，然后在乙醇中超声清洗45min，最后干 燥，备用；其中碳布的编织密度为12K，编织结构为平纹；
[0036] 步骤三：采用砂芯漏斗抽滤装置，以碳布为滤纸，将溶液B缓慢倒入漏斗中进行抽 滤，待溶液被抽完后取出碳布烘干称量。然后以烘干后的碳布为滤纸，将滤瓶中的滤液缓慢 倒入漏斗中进行抽滤，待溶液被抽完后取出碳布继续烘干称量。如此反复直至足够的混合 物A被添加到碳布中，得到预制体C，其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为22% ;
[0037] 步骤四：将步骤三中得到的预制体C于硫化机上进行热压固化，其中热压温度为 170°C、热压时间为5min、热压压力为5MPa，即得到玻璃粉含量为2wt%、腰果壳油改性酚醛 树脂含量为20wt%的玻璃粉增强碳布/树脂复合材料。
[0038] 图1为实施例1制备出的玻璃粉增强碳布/树脂复合材料表面的扫描电镜图，其 中（b)为（a)的局部放大图。由图1(a)可以看出，玻璃粉被均匀地添加到了碳布上，使得碳 布复合材料变得更加致密。由图1(b)可以看出，一部分玻璃粉被树脂粘结到了碳纤维上， 另一部分玻璃粉均匀地分散到了树脂基体中，显著地改善了碳布与树脂的界面结合。
[0039] 将实施例1制得的玻璃粉增强碳布/树脂复合材料进行力学及摩擦磨损性能测 试，结果如表1所不。
[0040] 表1复合材料的摩擦性能 [0041 ]
[0043] 其中未添加玻璃粉的样品，是按照实施例1的方法，直接将清洗后的碳布浸渍树 脂制得的。由表1可知，实施例1添加2wt%玻璃粉的碳布复合材料的摩擦系数、磨损率、密 度、抗折强度、弹性模量以及剪切强度都得到了明显改善。说明采用本发明的方法制得的玻 璃粉增强碳布/树脂复合材料与未加玻璃粉制得的复合材料相比，其力学性能和摩擦性能 得到明显提高。
[0044] 实施例2 :
[0045] 步骤一：通过球磨机将0. 2g粒径为200~400nm的陶瓷粉与4g丁腈改性树脂以 1:20的质量比混合均匀，得到混合物A，然后将混合物A加入120ml无水乙醇中使其完全溶 解，得溶液B，其中溶液B中陶瓷粉的浓度为1. 67g/L;陶瓷粉在使用前先浸泡在硅烷偶联剂 中，使其表面富含含氧官能团；
[0046] 步骤二：将碳布在丙酮中浸泡30h后取出，然后在乙醇中超声清洗35min，最后干 燥，备用；其中碳布的编织密度为6K，编织结构为斜纹；
[0047] 步骤三：将碳布浸渍到溶液B中，然后烘干，再重复浸渍、烘干，如此反复直至足够 的混合物A被添加到碳布中，得到预制体C，其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为 21% ；
[0048] 步骤四：将步骤三中得到的预制体C于硫化机上进行热压固化，其中热压温度为 1