本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种钢基碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术：
由于普通钢材的模量、抗拉强度、抗疲劳强度、比强度都有上限，不能满足更高层面的材料学需求，所以越来越多的汽车制造商开始将钢基体碳纤维复合材料应用于汽车板材，以提高汽车性能并降低汽车制造成本。
现有以钢为基体的纤维增强型复合材料主要包括如下两种：碳纤维板材钢板夹层复合材料和碳纤维丝束-碳纤维预制棒复合材料。这两种碳纤维复合材料材料性能提高不明显，而且碳纤维与钢板间的复合不紧密、界面易脱层脱离。
另外，以钢为基体的纤维增强型复合材料往往都有成本、生产难度以及设计方面的困难。比如以碳纤维的连续纤维或经纬编织布作为增强相时，需要根据使用条件预先设计后再柔性制造，无法做出类似金属材料的各向同性的通用件。大量碳纤维由于耐温性差、氧化氛围下易燃烧、大部分特种纤维与铁原子不能结合或容易直接发生化学反应等特性，导致此类复合材料的生产有着比较复杂的模具、工艺流程和较高的成本。尤其涉及柔性制造开模、烘烤等流程时，基本无法使用工业化方法制造此类材料。
由此可见，现有以钢为基体的纤维增强型复合材料的生产工艺复杂，制作成本高，而且碳纤维与钢板间的界面易脱层脱离，材料性能有待提高。
技术实现要素：
本发明的目的是针对目前存在的问题，提供一种钢基碳纤维复合材料及其制备方法，其中复合材料的各项性能远高于普通钢材，同时生产成本、工艺门槛和批量化流程及通用性等方面都控制在金属材料体系内，使得有高性能材料需求的行业普遍受益。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
本发明提供一种钢基碳纤维复合材料，其包括：
多个相互缠绕的弯曲碳纤维、钢基材料和粘结在碳纤维表面的胶合剂；
所述碳纤维、胶合剂与钢基材料通过化学键连接形成，其中，粘结在碳纤维表面的胶合剂与钢基材料之间通过化学键形成珊瑚状交界面。
更优选地，所述钢基碳纤维复合材料的各个组分中，以体积计，碳纤维占50～90％，胶合剂占5-20％，剩余为钢基材料。
更优选地，所述钢基碳纤维复合材料的各个组分中，以体积计，碳纤维占70～85％，胶合剂占8-12％，剩余为钢基材料。
更优选地，所述钢基碳纤维复合材料的各个组分，以体积计，碳纤维占77.5％，胶合剂占10％，剩余为钢基材料。
更优选地，所述碳纤维的长度为5～10厘米。
更优选地，所述胶合剂在碳纤维表面形成20-40nm的胶膜。
更优选地，所述胶合剂为热塑性树脂、高温油性胶、高温乳胶、高温交联油中的一种或几种。
本发明还提供一种上述钢基碳纤维复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
步骤a，将设定体积的碳纤维投入油床中，利用该油床中的液态胶合剂对碳纤维进行浸润；
步骤b，将经过充分浸润的碳纤维提取出，并挤压以去除其中的多余胶合剂；
步骤c，对挤压掉多余胶合剂后的碳纤维进行缠绕处理形成沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维；
步骤d，将沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维进行抽真空处理，使碳纤维三维结构中的气体被抽出；
步骤e，将液态钢基材料向沾满胶合剂的海绵状碳纤维中注射，并在注射过程中进行微震动，使得沾满胶合剂的碳纤维的三维结构中充实液态钢基材料；
步骤f，将充实液态钢基材料且沾满胶合剂的碳纤维放入模具中加压冷却成型，得到成型的通过化学键连接的钢基碳纤维复合材料。
更优选地，所述步骤c包括：
当所述碳纤维为短纤碳纤维时，对挤压掉多余胶合剂后的碳纤维进行搅拌，并在搅拌过程中加入设定数量的连续纤碳纤维或者加入经经纬编织或三维编织形成的碳纤维网格，使沾满胶合剂的碳纤维相互缠绕形成具有三维结构的海绵状碳纤维；
或者，
当所述碳纤维为连续碳纤维时，对挤压掉多余胶合剂后的碳纤维进行搅拌，使沾满胶合剂的碳纤维相互缠绕形成沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维。
更优选地，所述步骤d包括：
将所述沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维送入密闭的真空复合室中，对该真空复合室进行抽真空处理，直至所述碳纤维三维结构中的气体被抽出；
或者，
将所述沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维直接放置在复合室的微注射器的针头之间，通过抽取微注射器，将碳纤维三维结构中的气体抽出。
由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：
1、本发明复合材料的制作方法简单、合理，解决了现有技术中钢为基体的纤维增强型复合材料的生产工艺复杂，制作成本高的问题。
2、本发明复合材料中的碳纤维呈复杂的弯曲状，混乱的碳纤维增大了碳纤维与钢基之间的界面面积，大幅增加了碳纤维能“抓取”成片金属分子的体积，也使得碳纤维与钢两种主要材料之间的结合致密度发生了质变。
3、本发明中，粘结在碳纤维表面的胶合剂与钢基材料之间通过化学键形成极其复杂的“珊瑚状”交界面，使得碳纤维和钢基材料直接的结合紧密程度大幅提高。
4、本发明通过钢材基体、碳纤维和胶合剂的加入，所形成的复合材料远远突破常规各类钢材基体材料自身的模量上限，刚度大幅增加，同时，增强了钢材的抗拉强度和断裂力。而且本发明的复合材料较碳纤维-树脂复合材料的剪切强度也得到了很大提高。
5、因为本发明中碳纤维的存在，导致材料应力分散均匀，大幅增强了本发明复合材料的抗疲劳强度和抗蠕变性能，且很大程度上在高温合金钢基质的基础上提高了材料的热性能和抗蠕变性能。
6、因为本发明中碳纤维在该复合材料中的体积含量占50～90％，且碳纤维的密度比钢低约3-4倍、比强度比钢高14-60倍，使得本发明复合材料的比强度得以极大提高。
附图说明
图1为本发明钢基碳纤维复合材料的结构示意图；
图2为图1中a部的局部放大示意图；
图3为本发明钢基碳纤维复合材料的制作流程图；
图4为单一方向拉直的碳纤维与钢基质的复合材料中碳纤维的形状示意图；
图5为弯曲碳纤维与钢材的直接连接形成的复合材料中碳纤维的形状示意图；
图6为本发明钢基碳纤维复合材料中的碳纤维的形状示意图。
附图中：
碳纤维1，钢基材料2，粘合剂3。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明提供一种钢基碳纤维复合材料，其结构如图1和图2所示，其由多个相互缠绕的弯曲碳纤维、钢基材料与粘结在碳纤维表面的胶合剂通过化学键连接形成。其中，粘结在碳纤维表面的胶合剂与钢基材料之间通过化学键形成极其复杂的“珊瑚状”交界面。
上述钢基碳纤维复合材料中包括的各个组分中，以体积计，碳纤维占50～90％，优选70～85％，胶合剂占5-20％，优选8-12％，剩余为钢基材料。胶合剂在碳纤维表面平均形成20-40nm的胶膜，优选，上述碳纤维的长度为5～10厘米。
优选地，上述钢基碳纤维复合材料的各个组分中，以体积计，碳纤维占70～85％，胶合剂占8-12％，剩余为钢基材料。胶合剂在碳纤维表面平均形成20-40nm的胶膜，优选，上述碳纤维的长度为5～10厘米。
优选地，上述钢基碳纤维复合材料的各个组分中，以体积计，碳纤维占77.5％，胶合剂占10％，剩余为钢基材料。胶合剂在碳纤维表面平均形成20-40nm的胶膜，优选，上述碳纤维的长度为5～10厘米。
上述钢基材料可以为纯钢基材料；也可以为钢与其它有色金属复合而成的复合钢基材料，如钢与铜、铝或钛等有色金属复合的钢基材料。
上述胶合剂可以为热塑性树脂、高温油性胶、高温乳胶或高温交联油等中的任意一种或几种的组合。
将如下表所示不同体积份数制备的钢基碳纤维复合材料分别进行剪切强度、抗拉强度等相关力学性能试验。
具体实验情况如下：
在进行剪切强度试验时，在电子万能试验机(优选instron-1186万能电子试验机)进行室温剪切强度试验，加载速率为0.5mm/min；记录材料切断时输出的最大载荷，根据最大载荷换算上述复合材料的剪切强度。
在进行抗拉强度试验时，在电子万能试验机(优选instron-1186万能电子试验机)上进行室温抗拉试验，测量其抗拉伸性能，得到抗拉强度，进而同时获得弹性模量和弯曲模量。
表1：不同体积分数制备的复合材料
需要说明的是：由于粘结在碳纤维表面的胶合剂与钢基材料之间通过化学键形成极其复杂的“珊瑚状”交界面，油膜的厚度为不规则状态，因此，上述表1中的油膜厚度指的是油膜最厚位置的油膜厚度。
通过上述力学性能试验，上述不同体积份数制备的复合材料对应的剪切强度、抗拉强度、弹性模量和弯曲模量等性能参数，它们的剪切强度在410.2mpa～865.8mpa的范围内，抗拉强度在1059.8mpa～5619.7mpa的范围内，弹性模量在782-1010gpa的范围内，弯曲模量在69.6gpa～671gpa的范围内。其中，序号9对应的碳纤维含量为77.5％、胶合剂含量为10％、钢基材料含量为22.5％时，所获得的钢基碳纤维复合材料的性能最佳，分别为：剪切强度为865.8mpa，抗拉强度为5619.7mpa，弹性模量为998gpa，弯曲模量为669gpa。由此可见，本发明所请求保护的钢基碳纤维复合材料的力学性能得到了大幅提升。
本发明的钢基碳纤维复合材料，可以根据不同的性能需求改变物料比例：
当钢材占比大时，材料整体趋向于金属材料的各种特征。比如各向同性；抗剪切力均匀；滑动韧性与塑性变形强；模量低等。
当碳纤维占比大时，材料整体趋向于无机材料的特征。比如相对的、有限的各向异性；高温性能稳定、远高于金属体系材料的抗拉强度与模量、杨氏模量(储能模量)高等。
针对上述钢基碳纤维复合材料，本发明还提供了该复合材料的制备方法，其实施流程如图3所示，包括如下步骤：
步骤s1、碳纤维备料过程
步骤s11)预处理：
取体积为a立方米的碳纤维，对碳纤维进行清洗、烘干、去静电等预处理。
碳纤维的体积a占整个复合材料体积的50-90％。优选的占70-85％。
上述碳纤维有两种：
一种是短纤碳纤维，长度大约5～10厘米。这种短纤碳纤维可以由连续碳纤维经过剪切等预处理后得到，也可以通过回收废旧碳纤维毛料得到。
另一种是连续纤维碳纤维，其长度没有具体要求。
步骤s12)投料
油床内事先装有液体状态的胶合剂，例如热塑性树脂、高温油性胶、高温乳胶或者高温交联油等。
将预处理后的碳纤维投入油床中，具体可以通过推送装置将碳纤维投入到油床中。
步骤s13)浸润：利用该油床中的胶合剂对碳纤维进行浸润(该过程也可通俗称为“上浆”)。
在该过程中，可以通过气缸、油缸或者其它设备施加压力给碳纤维的上表面，使得被投入到油床中的碳纤维全部没入至胶合剂内，以便碳纤维与胶合剂充分接触，使得碳纤维在胶合剂中得以浸润，直至在碳纤维表面形成一层胶合剂油膜层。该油膜层能够隔绝空气，避免碳纤维在高温下与空气中的氧气反应而被氧化，起到保护作用，同时又可在后续增加碳纤维与钢水结合的紧密程度。
步骤s14)退油：将经过充分浸润的碳纤维提取出，并挤压以去除其中的多余胶合剂，得到初次“退油”后的碳纤维。
经过充分浸润的碳纤维被送入搅拌机，经过搅拌机的搅拌，可以使碳纤维与胶合剂混合更充分，还可以将多余的胶合剂挤压掉，在此称此挤压胶合剂的过程为初次“退油”。
步骤s15)缠绕：对初次“退油”后的碳纤维进行缠绕处理，形成沾满胶合剂且具有三维结构的“海绵状”碳纤维。
此缠绕过程也可以通过搅拌机来完成。在搅拌过程中，通过在多个方向设置不同的搅拌桨叶等方式，将沾满胶合剂的短纤碳纤维或连续纤碳纤维混合成具有混乱的、复杂的三维结构(类似毛线球或钢丝球状)的“海绵状”碳纤维。
当使用短纤碳纤维时，为了增加使用短纤碳纤维时在特定方向上的材料性能，还可以在此搅拌过程中加入设定数量的连续纤碳纤维作为骨架进行材料性能的补强，或者是加入经经纬编织或三维编织形成的碳纤维网格等。
当使用连续纤碳纤维时，经搅拌，多个沾满胶合剂的碳纤维相互缠绕会形成复杂的三维结构，这种情况下可以省略此加入连续纤碳纤维进行补强的步骤。
经过上述搅拌后，沾满粘合剂的碳纤维相互缠绕在一起，最终形成具有三维结构的“海绵状”碳纤维。
经过上述碳纤维备料过程，最终得到沾满胶合剂且具有三维结构的“海绵状”碳纤维。随后通过如下步骤对其进行抽真空处理，然后与液态钢基材料(如钢水)复合。具体操作过程如下：
步骤s2、真空处理过程。对沾满胶合剂且具有三维结构的“海绵状”碳纤维进行抽真空处理，以抽去碳纤维三维结构中的空气。
将沾满胶合剂且具有三维结构的“海绵状”碳纤维从搅拌机中移出，将其放置于模具上静置设定时间，然后将其送入密闭的真空复合室中。该真空复合室能够避免碳纤维在高温下被氧气；对该真空复合室进行抽真空处理，使得碳纤维三维结构中的空气被抽出，这样可以避免碳纤维材料在后续复合过程中产生空泡。
或者，
将具有三维结构的海绵状碳纤维直接放置在复合室的微注射器的针头之间，通过抽取微注射器，将碳纤维三维结构中的气体抽出，以避免碳纤维材料在后续复合过程中产生空泡。
步骤s3、取液态钢基材料到预置空腔中。
以液态钢基材料为钢水为例，该钢水可以由钢锭经过熔炉进行金属熔炼形成或直接引入炼钢厂的钢水，该钢水的温度为高于该牌号熔点的设计温度，以绝对杜绝浆态并确保充分流动性和浸润性为准，取量通过预置空腔控制，只多不少，多余的钢水溢出回收。
步骤s4、将液态钢基材料向沾满胶合剂的海绵状碳纤维中的注射，使沾满胶合剂的海绵状碳纤维的三维结构中充有钢基材料。
钢水通过微注射器注射到在复合室内的海绵状碳纤维三维结构的“体内”，并在注射过程中对该碳纤维进行微震动，震动频率在2mhz以上。由于沾满胶合剂的碳纤维的三维结构孔隙中的气体已经被抽真空，所以通过微震动，能够使得沾满胶合剂的碳纤维的三维结构中充实液态钢基材料。该复合过程包含同时进行的两个步骤——注射过程和微振动过程。
1)注射：预置空腔中的钢水通过不与大气接触的管道与位于复合室中的微注射器相连。通过与位于复合室中的微注射器相连的密闭管道引入钢水，并通过微注射器将该钢水注入到复合室中海绵状碳纤维的三维结构“体内”。
微注射器是平板结构，上面布满了注射针头。在复合室内，融化的钢水通过微注射器注入到海绵状碳纤维的三维结构“体内”。注入过程中注射针头逐渐拔出，逐渐在海绵状碳纤维的不同层次中填充熔融的钢液。
2)微振动：抽真空以后直至注射完成前全部需要在超声波等手段构成的微震动氛围下进行。微震动氛围有两个目的，一是去除多余的胶合剂(二次“退油”)；另外可以增加胶合剂与钢水结合界面的交联程度，提高比表面积，从而实现提高材料性能的目的。
步骤s5、成型过程：将充实液态钢基材料且沾满胶合剂的碳纤维放入模具中加压冷却成型，得到通过碳纤维-胶合剂-钢通过化学键连接的微观架构，即得到成型的钢基碳纤维复合材料。该钢基碳纤维复合材料是以钢为基体的碳纤维增强高模量高温复合材料。
该步骤s5具体包括如下步骤：
步骤s51)压模：将从复合室出来的充实液态钢基材料且沾满胶合剂的碳纤维放入相应的模具中，并加压挤出未填满的部分，使复合材料成型，形成更加致密的碳纤维-胶合剂-钢通过化学键连接的微观架构。
步骤s52)冷却：对成型的复合材料进行冷却。自然冷却或使用液氮进行急速冷却(取决于性能需求)，进一步增加钢水与胶合剂界面的复杂程度。
步骤s53)退模：使材料脱离模具，完成整个生产工艺流程。
本发明形成的复合材料脱模时需要形成一种类似聚甲醛材料的质密、复杂的混乱纤维，并交错存在于钢的内部，形成如图1和图2所示的具有碳纤维-胶合剂-钢间通过化学键连接的微观架构的复合材料。
由图1和图2可以看出，通过本申请得到的复合材料中，碳纤维本身之间形成了化学键，同时碳纤维又与胶合剂之间形成稳定的化学键，粘结在碳纤维表面的胶合剂与钢之间也形成化学键且通过化学键结合形成极其复杂的珊瑚状结构。这样的珊瑚状结构使得碳纤维与钢的连接变得异常紧密，碳纤维的拔出力已经远远高于碳纤维本身的抗拉强度。
下面通过将本发明得到的复合材料与单一方向拉直的碳纤维与钢基质的复合材料和弯曲碳纤维与钢材的直接连接形成的复合材料来对比，详细说明本申请所得到的复合材料的性能。为了方便形象理解本发明得到的复合材料的性能优越性，这里将单一方向拉直的碳纤维与钢基质的复合材料中的碳纤维形状简化为图4所示，将弯曲碳纤维与钢材的直接连接形成的复合材料中的碳纤维形状简化为图5所示，将本发明得到的复合材料中的碳纤维的形状简化为图6所示。
从图4可以看出，碳纤维跟钢之间是简单的物理连接，没有化学界面。其相互咬合的作用力只存在范德华力(摩擦力)，故该图4中的单一方向拉直的碳纤维与钢基质的复合材料中的碳纤维的拔出力非常小。意味着两种材料之间的结合并不紧密，材料复合后的各项性能没有太大的提高。
从图5可以看出，虽然碳纤维与钢之间仍然是简单的物理连接，但与图4相比，增加了接触面的复杂弯曲程度，因此碳纤维的拔出力已有大幅度提高。
再分析图6，该碳纤维呈复杂的弯曲状。其与图4和图5所示的简单物理连接相比，以10倍-100倍的幅度增大了连接强度。且混乱的碳纤维短纤增大了碳纤维与钢基之间的界面面积，大幅增加了碳纤维能“抓取”成片金属分子的体积，也使得碳纤维与钢两种主要材料之间的结合致密度发生了质变。
本发明获得的钢基碳纤维复合材料可以作为建筑材料；工程材料；车辆用材料；航空设备用材料；耐热、隔热材料；磁屏蔽材料；耐锈蚀与氧化材料；化工设备材料；海用平台材料以及船舶用材料等。可广泛应用于船舶用骨架与船身；各类车辆底盘结构件、发动机缸体传动结构；叶片叶轮；反倾彻、反穿透装甲；家电；机电工程；航天器与卫星；加工设备与机床、钻头车刀；石油勘探与钻井以及人造骨骼或医用设备中。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。