一种碳纤维复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，特别是涉及一种碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术：

碳纤维复合材料通常具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、抗疲劳等优点，目前作为结构件或功能件已广泛应用在航空航天、交通运输、化工防腐、建筑工程、风电叶片等各个领域。

目前碳纤维复合材料的成型方法主要为预浸料的热压罐方法，该方法成本高、成型效率低，且制品尺寸严重受到热压罐尺寸制约，在民用领域难以推广应用，这无疑制约了碳纤维复合材料广泛应用。近年来随着低成本的要求，碳纤维复合材料成型也逐渐向一些新的工艺方向探索。传统真空灌注工艺是复合材料特别是玻璃纤维复合材料的主要低成本成型工艺，适于大尺寸复合材料制品的成型，但还不能满足高质量碳纤维复合材料成型。这主要是由于相比玻璃纤维，碳纤维单丝直径更小，真空压实后碳纤维体内空隙远小于玻璃纤维体，所以浸渍困难，耗时，浸渍质量和效果均普遍不佳，很难满足大尺寸、大厚度的碳纤维复合材料成型要求。

为了实现高质量碳纤维复合材料的真空灌注，国内一些机构做了相关研究，主要是针对碳纤维真空灌注工艺或织物结构形式进行改进，但效果及通用性均不太理想。如cn103182784a专利公开了一种方法，通过在碳纤维预制体侧边侧面增加形状一致的贴边且对真空灌注工艺细节进行微调的方法，保证产品铺放定位精度和灌注质量。但如果用该方法成型不同形状产品，需要制作不同形状的贴边，操作繁琐、且浪费，同时增加的贴边也会影响后续碳纤维织物与贴边间的灌注质量。还有cn102582092b专利公开了一种通过在脱模布上表面铺设刚性多孔平板的方法改进传统真空灌注工艺，但如果使用该方法，由于成型的碳纤维制品尺寸和形状不同，需要制作不同尺寸和形状的刚性多孔平板，会造成浪费；且由于多孔平板的引入，在真空灌注时，由于多孔和负压的存在，会使所有孔处织物发生凸起变形，影响后续产品的表面质量。

此外，3tex等公司尝试从改变织物结构形式方面改进真空灌注的浸润效果，开发碳纤维/玻璃纤维混杂三轴向织物，来代替全碳纤维织物结构。此方法虽然容易灌注，但是织物编织麻烦，成本高，且由于织物结构和纤维比例等约束及影响，压缩强度等复合材料性能也受到不小限制，满足不了一些行业对于高性能碳纤维复合材料制品的需求。

由此可见，上述现有的碳纤维复合材料及其制备方法在使用上显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。因此开发一种适用范围广、通用性强、高性能碳纤维复合材料成为研究热点，该研究可满足其在交通运输、能源等民用领域推广和应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种可设计性强、通用性强、性能优异的碳纤维复合材料，克服现有的碳纤维复合材料存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种碳纤维复合材料，包括碳纤维织物层和碳纤维预浸料层，所述碳纤维预浸料层以对称形式穿插于若干所述碳纤维织物层中。

作为本发明的一种改进，所述碳纤维织物层采用碳纤维平纹织物、碳纤维斜纹织物、碳纤维缎纹织物、碳纤维单轴向织物和碳纤维多轴向织物中的一种或多种。

进一步改进，所述碳纤维预浸料层采用碳纤维平纹织物预浸料、碳纤维斜纹织物预浸料、碳纤维缎纹织物预浸料和碳纤维单向预浸料中的一种或多种；

且所述碳纤维预浸料层中预浸料的树脂质量含量占比为30～45％。

进一步改进，所述碳纤维预浸料层与所述碳纤维织物层的铺设方式为：单层间形式交替铺设、多层间形式交替铺设，或者中间为多层所述碳纤维织物层、所述碳纤维预浸料层以对称和多层的形式铺设在所述多层碳纤维织物层的两侧；

其中，所述碳纤维预浸料层中碳纤维预浸料的层数与所述碳纤维织物层中的碳纤维织物的层数比为1:0.1～10。

进一步改进，所述碳纤维预浸料层和碳纤维织物层的铺设角度为0°、+30°、-30°、+45°、-45°、+60°、-60°或90°。

进一步改进，铺设好的所述碳纤维织物层和碳纤维预浸料层通过真空灌注工艺导入灌注树脂体系形成所述碳纤维复合材料，所述碳纤维复合材料的厚度为2～200mm，所述碳纤维复合材料的树脂质量含量占比为25-35％。

本发明还要解决的技术问题是提供一种灌注速度快、浸润质量优及孔隙率低的碳纤维复合材料的制备方法，使其制得力学性能优异、通用性强、成本低的碳纤维复合材料，克服现有的碳纤维复合材料制备方法的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种碳纤维复合材料的制备方法，所述方法包括：

(1)在真空灌注模具中按照预设的铺设方式，将碳纤维预浸料层和碳纤维织物层以层叠式结构铺好，其中，所述碳纤维预浸料层以对称形式穿插于若干所述碳纤维织物层中；

(2)采用真空灌注工艺将真空灌注用树脂体系灌注到步骤(1)得到的碳纤维复合铺层的层叠式结构中，固化、冷却、脱模即得所述碳纤维复合材料。

进一步改进，所述碳纤维织物层采用碳纤维平纹织物、碳纤维斜纹织物、碳纤维缎纹织物、碳纤维单轴向织物和碳纤维多轴向织物中的一种或多种；

所述碳纤维预浸料层采用碳纤维平纹织物预浸料、碳纤维斜纹织物预浸料、碳纤维缎纹织物预浸料和碳纤维单向预浸料中的一种或多种。

进一步改进，所述碳纤维预浸料层与所述碳纤维织物层的铺设方式为：单层间形式交替铺设、多层间形式交替铺设，或者中间为多层所述碳纤维织物层、所述碳纤维预浸料层以对称和多层的形式铺设在所述多层碳纤维织物层的两侧；

其中，所述碳纤维预浸料层中碳纤维预浸料的层数与所述碳纤维织物层中的碳纤维织物层的层数比为1:0.1～10。

进一步改进，所述碳纤维预浸料层和碳纤维织物层的铺设角度为0°、+30°、-30°、+45°、-45°、+60°、-60°或90°。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

1)本发明碳纤维复合材料通过在铺层结构中引入具有一定粘度的碳纤维预浸料，无需外部其它辅助工具就可有效保证铺层铺放的定位精度，使铺层不移位，保证了最终产品的形状，且操作简单、适合厚尺寸、形状复杂的碳纤维复合材料的制备。

2)本发明碳纤维复合材料的制备方法由于采用碳纤维预浸料与碳纤维织物层叠式铺设方法，使该碳纤维复合铺层较之碳纤维织物铺层在真空压实后整体空隙较大，还由于预浸料中存在树脂体系，可有效提高灌注速度和灌注质量，可解决单一碳纤维织物灌注易发生的浸润不良问题及单一碳纤维预浸料由于气体不能及时有效排出所导致的高孔隙率问题，本方法适合制备大尺寸、大厚度、形状复杂的碳纤维复合材料制品。

3)本发明所制备的碳纤维复合材料可以通过碳纤维织物与碳纤维预浸料夹设方式及角度的变化调节灌注速度及复合材料力学性能，可设计性强。

4)本发明通过使用传统真空灌注工艺即可完成高质量碳纤维产品成型，产品孔隙率较常规方法孔隙率最大可降低40％左右，具有通用性强、易操作等优点，本发明适于在交通运输、能源等民用领域推广和应用。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明碳纤维复合材料实施例1的结构示意图；

图2是本发明碳纤维复合材料实施例2的结构示意图；

图3是本发明碳纤维复合材料实施例3的结构示意图。

具体实施方式

本发明碳纤维复合材料，包括碳纤维织物层和碳纤维预浸料层，所述碳纤维预浸料层以对称形式穿插于若干所述碳纤维织物层中。

具体的，该碳纤维织物层采用碳纤维平纹织物、碳纤维斜纹织物、碳纤维缎纹织物、碳纤维单轴向织物和碳纤维多轴向织物中的一种或多种。该碳纤维预浸料层采用碳纤维平纹织物预浸料、碳纤维斜纹织物预浸料、碳纤维缎纹织物预浸料和碳纤维单向预浸料中的一种或多种；且该碳纤维预浸料层中预浸料的树脂质量含量占比为30～45％。

该碳纤维预浸料层与该碳纤维织物层的铺设方式可以为：单层间形式交替铺设、多层间形式交替铺设，或者中间为多层该碳纤维织物层、该碳纤维预浸料层以对称和多层的形式铺设在该多层碳纤维织物层的两侧；其中，该碳纤维预浸料层中碳纤维预浸料的层数与该碳纤维织物层中的碳纤维织物的层数比为1:0.1～10。

该碳纤维预浸料层和碳纤维织物层的铺设角度可以为0°、+30°、-30°、+45°、-45°、+60°、-60°、90°等任意铺设角度或其组合，当然铺设角度还可以根据具体产品的强度要求进行调整。

该碳纤维复合材料的厚度可根据产品厚度要求进行调整，优选厚度为2-200mm，该碳纤维复合材料可作为功能件使用也可以作为结构件应用。

上述碳纤维复合材料的制备方法包括如下步骤：

(1)在真空灌注模具中按照预设的铺设方式，将碳纤维预浸料层和碳纤维织物层以层叠式结构铺好，铺层时要用辊子铺平，保证层与层之间铺设平整及均匀。

其中，该碳纤维预浸料层以对称形式穿插于若干该碳纤维织物层中；

该碳纤维织物层采用碳纤维平纹织物、碳纤维斜纹织物、碳纤维缎纹织物、碳纤维单轴向织物和碳纤维多轴向织物中的一种或多种；

该碳纤维预浸料层采用碳纤维平纹织物预浸料、碳纤维斜纹织物预浸料、碳纤维缎纹织物预浸料和碳纤维单向预浸料中的一种或多种。

该碳纤维预浸料层与该碳纤维织物层的铺设方式为：单层间形式交替铺设、多层间形式交替铺设，或者中间为多层该碳纤维织物层、该碳纤维预浸料层以对称和多层的形式铺设在该多层碳纤维织物层的两侧；该碳纤维预浸料层中碳纤维预浸料的层数与该碳纤维织物层中的碳纤维织物层的层数比为1:0.1～10。

该碳纤维预浸料层和碳纤维织物层的铺设角度为0°、+30°、-30°、+45°、-45°、+60°、-60°或90°。

(2)采用真空灌注工艺将真空灌注用树脂体系灌注到步骤(1)得到的碳纤维复合铺层的层叠式结构中，固化、冷却、脱模即得该碳纤维复合材料。

具体的，树脂体系可选用真空灌注工艺用树脂体系，即树脂体系粘度﹤300mpa·s，优选市场上通用的真空灌注用环氧树脂体系，尤其优选和碳纤维预浸料树脂体系相似或固化温度近似的树脂体系；

其中，传统真空灌注成型工艺步骤具体包括：

a、采用导流网、脱模布、单层或双层真空袋膜、密封胶带等工艺所需辅材，将上述碳纤维复合铺层结构密封，同时设置好进胶口和抽气口；

b、碳纤维复合铺层结构在35-60℃下预热0.5-1h，在真空负压下将环氧树脂或其他真空灌注用树脂体系灌注到该碳纤维复合铺层结构中；

c、按树脂体系固化温度70-110℃固化5-10h后，冷却到45℃左右即可脱模。

所得碳纤维复合材料中树脂质量含量占比为25-35％。

本发明提供了一种可设计性强、通用性强、性能优异的碳纤维复合材料及其制备方法，该方法通过对碳纤维复合铺层结构的设计及应用，不仅提高了产品的精确定位，且提高了后续真空灌注过程中的灌注速度和质量，简单易行，操作方便，解决了传统真空灌注工艺在碳纤维复合材料制备上效果不理想问题。

以下通过具体实例对本发明的技术方案做进一步的详细说明，但不构成对本专利的限制或约束。

本实施例中原材料来源：

真空灌注环氧树脂体系:瀚森rim145树脂体系；

碳纤维织物及碳纤维预浸料:航天长征睿特科技有限公司；

实施例1：

1)按照传统真空灌注工艺要求清理及处理模具、铺设导流网、脱模布等辅材；

2)从模具底部按以下铺层方式向上铺设，得到碳纤维复合材料的铺层结构：将单向碳纤维预浸料单层设为a，碳纤维单轴织物单层设为b；以对称方式将该碳纤维预浸料铺层穿插于该碳纤维单轴织物中铺放，如附图1所示，此实施例1按b/a/b/a/a/b/a/b，铺设角度为[(0)/0/(0)/0]s；每铺一层，用辊子将铺层铺平；保证层与层之间铺设平整及均匀，保证a层与b层间粘贴平整及定位精确。

3)按照传统真空灌注工艺将上述碳纤维复合铺层结构密封，同时设置好进胶口和抽气口；碳纤维复合铺层在60℃下预热0.5h；在真空负压下将真空灌注用环氧树脂体系灌注到碳纤维复合铺层结构中；

4)然后按树脂体系固化制度进行固化：即灌注完成后，以10℃/小时的升温速率进行升温，80℃固化2小时，110℃固化5h后，冷却到45℃左右后脱模，即得到本发明的碳纤维复合铺层结构复合材料。该复合材料树脂质量含量32％，复合材料孔隙率为1.0％，较常规方法孔隙率低41％。

实施例2：

1)按照传统真空灌注工艺要求清理及处理模具、铺设导流网、脱模布等辅材；

2)从模具底部按以下铺层方式向上铺设，得到碳纤维复合铺层结构：碳纤维斜纹织物预浸料单层设为c，碳纤维斜纹织物单层设为d；以对称方式将该碳纤维预浸料铺层穿插于该碳纤维斜纹织物中铺放，如附图2所示，此实例按2d/2c/2c/2d铺设角度为[(0)2/(45)2/(45)2/(0)2]；每铺一层，用辊子将铺层铺平；保证层与层之间铺设平整及均匀，保证c层与d层间粘贴平整及定位精确。

3)重复实施例1中的3)、4)步骤，即得到碳纤维复合材料。该复合材料树脂质量含量为33％。复合材料孔隙率为1.1％，较常规方法孔隙率低35％。

实施例3：

1)按照传统真空灌注工艺要求清理及处理模具、铺设导流网、脱模布等辅材；

2)从模具底部按以下铺层方式向上铺设，得到碳纤维复合铺层结构：单向碳纤维预浸料单层设为a，碳纤维±45°双轴织物单层设为e；以对称方式将该碳纤维预浸料铺层穿插于该碳纤维±45°双轴织物中铺放，如附图3所示，此实例按2a/e/2a/e/e/2a/e/2a铺设角度为[02/(+45,-45)/02/(+45,-45)]s；每铺一层，用辊子将铺层铺平；保证层与层之间铺设平整及均匀，保证a层与e层间粘贴平整及定位精确。

3)重复实施例1中的3)、4)步骤，即得到本发明的碳纤维复合材料。该复合材料树脂质量含量为33％。复合材料孔隙率为1.2％，较常规方法孔隙率低30％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。