一种碳纤维织布的处理方法
【专利摘要】本发明公开一种碳纤维织布的处理方法，包括如下步骤：(10)织布夹持：用双层刚性薄片夹持在清洁、干燥后的碳纤维织布剪裁边缘两面；(20)表面氮化：将夹持的碳纤维织布置入辉光等离子体处理机中，进行低温低压氮离子处理，得到处理后的碳纤维织布。经本发明方法处理后的碳纤维织布，不但与树脂基体粘结牢固，同时具备良好的微波吸收性能。
【专利说明】
一种碳纤维织布的处理方法
技术领域
[0001]本发明属于碳纤维复合材料制备技术领域，特别是一种微波吸收性能好、与树脂基体粘结牢固的碳纤维织布处理方法。
【背景技术】
[0002]各种装备(如飞机、车辆、舰船)在撞击、弹伤等情况下，会发生裂纹、缺口等破坏，严重威胁装备的使用安全。采用纤维复合材料对受损部位粘接修复，在抢修中的应用广泛且有效。然而复合材料在使用过程中，通常需要施加外界热能才能使其固化，如采用电热毯加热等方式，固化成型时间长，实施条件难以满足快速抢修的需求。上世纪90年代，微波便携式辐射器的发明，使得大功率微波腔外操作得以实现，在修复环节引入微波将复合材料粘贴到受损部位，大大缩短了维修时间，“微波快速修复技术”应运而生。这项技术将微波引入，通过微波与碳纤维复合材料之间的相互作用，使得微波能转化为热能，达到加热成型的目的。
[0003]微波快速修复技术成功实施的关键，在于复合材料的力学性能的有效发挥。而制约复合材料力学性能的根本问题，在于碳纤维织布与树脂形成界面的性能。未经处理的碳纤维表面呈化学惰性，具有较高的电导率，导致其作为微波吸收结构材料的应用前景受到限制。为了将碳纤维复合材料用于工程装备的快速抢修，需要事先对碳纤维织布表面进行处理。
[0004]根据现有资料，对碳材料进行处理的方法包括电沉积和氮掺杂方法，以克服碳材料的反射效应。实现电沉积或氮掺杂的具体方法有化学热液法和常规的高温离子方法等，与这些方法相比，介质阻挡放电法(DBD)可以在相对低的温度进行氮化处理，而且成本低、是对环境友好的处理方法。一般情况下，DBD方法应用的场合有合金钢，聚合物或氧化膜的沉积，碳材料的合成或表面改性。然而目前这种方法尚未报道用于碳纤维织布材料，不仅是由于在处理设备和工艺参数的控制上有要求，其根本原因在于能否获得均匀模式的介质阻挡放电。所谓均匀放电必须是充满整个放电空间，没有放电细丝。而正是放电细丝会导致碳纤维的损坏，使得DBD方法无法用于碳纤维的表面处理。
[0005]活性屏等离子渗氮方法(ASPN)，是以DBD方法为基础发展而来的一项新技术。所谓ASPN方法，其氮化原理不同于DBD方法，而且其设备的构成也不同，ASPN比DBD方法的设备多加了钟罩式屏的构造。这种屏的设计，使得ASPN用来减小钢合金表面处理的不均匀放电是行之有效的，然而碳纤维放置于该钟罩式屏下处理仍然会产生放电细丝，导致对碳纤维的损坏，因此也无法用于碳纤维织布的表面处理。
[0006]有公开文献报道以低温氨气等离子体法，采用等离子增强气相沉积(PECVDSS)对碳纤维织布进行表面处理(朱乃姝，等离子处理及固化方式对碳纤维复合材料动态力学性能的影响，中国表面工程，2010,23(5))，可满足碳纤维织布与树脂基体粘结牢固，制得的碳纤维复合材料常温玻璃态储能模量可达10.9Gpa，未处理材料测得的模量为8Gpa，然而仅能提高碳纤维表面与树脂的粘结强度，却无法同时改变碳纤维织布的微波吸收性能，从而影响用于工程装备微波快速抢修的碳纤维复合材料制备。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种碳纤维织布的处理方法，使碳纤维织布不但与树脂基体粘结牢固，同时具备良好的微波吸收性能。
[0008]实现本发明目的的技术解决方案为:
[0009]—种碳纤维织布的处理方法，包括如下步骤:
[0010](10)织布夹持:用双层刚性薄片夹持在清洁、干燥后的碳纤维织布剪裁边缘两面；
[0011](20)表面氮化:将夹持的碳纤维织布置入辉光等离子体处理机中，进行低温低压氮离子处理，得到处理后的碳纤维织布。
[0012]优选地，所述刚性薄片由合金钢、金刚石或类金刚石制得。
[0013]优选地，所述(10)织布夹持步骤中，双层薄片外缘之间的间隙不大于0.1_。
[0014]优选地，所述(20)表面氮化步骤中，碳纤维织布在辉光等离子体处理机中氮离子处理的温度为100°C?500°C，时间为30?120分钟，压强为50?200Pa。压强最佳为120Pa。
[0015]优选地，所述(20)表面氮化步骤中，碳纤维织布放置在辉光等离子体处理机的阴极工作台上。
[0016]本发明与现有技术相比，其显著优点为:
[0017]采用本发明的处理方法，消除了碳纤维放置于辉光放电等离子体机的碳纤维损伤现象，使得等离子方法实现碳纤维织布处理的不可能成为可能。可以获得碳纤维织布的两大优点，即微波吸收性能好且与树脂基体粘结牢固。
[0018]1、碳纤维织布微波吸收性能好:取碳纤维织布中一截碳纤维束测定电阻率。未经处理的碳纤维(市售T300)电阻率为1.93 Ω.cm，本发明制得的碳纤维电阻率最高可达3.74Ω.cm，说明其吸收微波转化为热能的能力增强。
[0019]2、碳纤维织布与树脂基体粘结牢固:将碳纤维板材在动态热机械分析仪上测试，采用本发明处理的碳纤维织布，制得碳纤维板的常温玻璃态储能模量12.5Gpa，未处理材料测得的模量(市售T300)为8.6Gpa。
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明碳纤维织布的处理方法的工艺流程图。
[0022]图2为薄片夹持碳纤维织布边缘一侧时的结构示意图。
[0023]图中，I为碳纤维织布，2为刚性薄片。
【具体实施方式】
[0024]实施例1
[0025]碳纤维织布清洁、干燥后，用双层合金钢薄片夹持在碳纤维织布的剪裁边缘表面，双层薄片外缘之间的间隙不大于0.1mm。将夹持的碳纤维织布置入辉光等离子体处理机中，放置在辉光等离子体处理机的阴极工作台上。进行低温低压氮离子处理，温度为100°C，处理时间120分钟，处理压强在200Pa。得到处理后的碳纤维织布。
[0026]取碳纤维织布中一截碳纤维束测定电阻率值为2.96 Ω.cm，未经处理的碳纤维电阻率为1.93 Ω.cm，进一步分析此变化对材料力学性能的影响。将碳纤维板材在动态热机械分析仪上测试，采用本发明制得碳纤维板的常温玻璃态储能模量11.9Gpa，未处理材料测得的模量为8.6Gpa。
[0027]实施例2
[0028]碳纤维织布清洁、干燥后，用双层金刚石薄片夹持在碳纤维织布的剪裁边缘表面，双层薄片外缘之间的间隙不大于0.1mm。将夹持的碳纤维织布置入辉光等离子体处理机中，放置在辉光等离子体处理机的阴极工作台上。进行低温低压氮离子处理，温度为300°C，处理时间80分钟，处理压强在120Pa ο得到处理后的碳纤维织布。
[0029]取碳纤维织布中一截碳纤维束测定电阻率值为3.74Ω.cm，进一步分析此变化对材料力学性能的影响。将碳纤维板材在动态热机械分析仪上测试，采用本发明制得碳纤维板的常温玻璃态储能模量12.5Gpa，未处理材料测得的模量为8.6Gpa。
[0030]实施例3
[0031]碳纤维织布清洁、干燥后，用双层类金刚石薄片夹持在碳纤维织布的剪裁边缘表面，双层薄片外缘之间的间隙不大于0.1_。将夹持的碳纤维织布置入辉光等离子体处理机中，放置在辉光等离子体处理机的阴极工作台上。进行低温低压氮离子处理，温度为500°C，处理时间30分钟，处理压强在50Pa ο得到处理后的碳纤维织布。
[0032]取碳纤维织布中一截碳纤维束测定电阻率值为3.48 Ω.cm，进一步分析此变化对材料力学性能的影响。将碳纤维板材在动态热机械分析仪上测试，采用本发明制得碳纤维板的常温玻璃态储能模量11.5Gpa，未处理材料测得的模量为8.6Gpa。
[0033]从实施例及与未处理材料的对比可以看出:本发明方法消除了碳纤维放置于辉光放电等离子体机的碳纤维损伤现象，使得等离子方法实现碳纤维织布处理的不可能成为可能。所制取的碳纤维织布，不但能与树脂基体牢固粘结，而且具备良好的微波吸收性能。
【主权项】
1.一种碳纤维织布的处理方法，其特征在于，包括如下步骤: (10)织布夹持:用双层刚性薄片夹持在清洁、干燥后的碳纤维织布剪裁边缘两面； (20)表面氮化:将夹持的碳纤维织布置入辉光等离子体处理机中，进行低温低压氮离子处理，得到处理后的碳纤维织布。2.根据权利要求1所述的碳纤维织布的处理方法，其特征在于:所述刚性薄片由合金钢、金刚石或类金刚石制得。3.根据权利要求1所述的碳纤维织布的处理方法，其特征在于:所述(10)织布夹持步骤中，双层薄片外缘之间的间隙不大于0.1mm。4.根据权利要求1所述的碳纤维织布的处理方法，其特征在于:所述(20)表面氮化步骤中，碳纤维织布在辉光等离子体处理机中氮离子处理的温度为100°C?500°C，时间为30?120分钟，压强为50?200卩&。5.根据权利要求1所述的碳纤维织布的处理方法，其特征在于:所述(20)表面氮化步骤中，碳纤维织布在辉光等离子体处理机中氮离子处理的压强为120Pa。6.根据权利要求1所述的碳纤维织布的处理方法，其特征在于:所述(20)表面氮化步骤中，碳纤维织布放置在辉光等离子体处理机的阴极工作台上。
【文档编号】D06M10/00GK105839389SQ201610409038
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】朱乃姝, 马世宁, 夏志成, 邬建华, 孔新立, 王源, 孙晓峰, 戴银所, 李红英
【申请人】中国人民解放军理工大学