本发明属于碳纤维复合材料制造领域，具体涉及一种碳纤维增强基复合材料及其制备方法。
背景技术：
碳纤维作为高性能纤维的一种，由于其强度高、韧性强、质量轻、抗疲劳等诸多优点而被作为复合材料的增强体广泛应用。但由于其表面呈惰性，反应活性比较低，因此直接与树脂复合制备复合材料，导致其表面与树脂之间粘结性较差，界面之间结合力比较弱，从而影响其复合料的性能，使得复合材料的应用具有局限性，而且复合材料虽然在轻量化具有绝对优势，但不可避免的出现一些性能上的不足之处，如不耐蚀。另外，碳纤维虽然具有优良的力学性能，但是它也具有一定的脆性，单独使用难以完全发挥其功能，因此需要将其与一些基体材料相结合，这样才能充分利用碳纤维优异的力学性能。在碳纤维复合材料中，碳纤维起到增强作用，基体则作为承载体，通过纤维基体之间的界面与碳纤维进行载荷传递。碳纤维浸渍在树脂材料中，由于树脂的沉积而硬度变大，使得浸渍不均匀。
技术实现要素：
针对上述的不足之一，本发明提供一种碳纤维增强基复合材料，通过工艺改善，使得碳纤维与树脂材料具有良好的粘结性，界面结合力增强，制备得到强度与隔热效果显著的整体均匀的复合材料。
为了达到上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一种碳纤维增强基复合材料包括40～50份碳纤维、35～45份树脂、0.1～1份短切纤维、1～10份抗氧化剂。
还提供一种碳纤维增强基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取40～50份碳纤维、35～45份树脂、0.1～1份短切纤维、1～10份抗氧化剂；
(2)将步骤(1)所述的碳纤维在80～100℃条件下机械混捏1h，升温至100～120℃机械混捏2h；
(3)往混捏后的碳纤维中加入1～3份偶联剂进行处理；
(4)将处理后的碳纤维与短切纤维浸渍在树脂中，并加入抗氧化剂；
(5)采用程序升温加热固化：升温速率5℃/min，第一阶段：升温至150℃，保温0.5h；第二阶段：从150℃升温至200℃，保温1h；第三阶段：从200℃升温至350℃，保温2h；
(6)将固化后的碳纤维进行高温碳化，致密化得到碳化的复合材料；
优选地，步骤(1)所述的的碳纤维为聚丙烯晴与纤维素基的复合碳纤维。
优选地，步骤(1)所述的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂的任一种。
优选地，步骤(1)所述的短切纤维长度为5～10mm。
优选地，步骤(1)所述的抗氧化剂为二丁基羟基甲苯、丁基羟基茴香醚、叔丁基对苯二酚中的一种或多种。
优选地，步骤(3)所述的表面处理为：调配质量分数1～3份的硅烷偶联剂溶液，将碳纤维完全浸泡在溶液中，过滤，用流动的清水清洗，干燥即可。
优选地，步骤(4)的浸渍工艺中，浸渍工艺中安装搅拌装置，对浸渍液进行搅拌，浸渍工艺持续1～3h。
优选地，步骤(6)所述的高温碳化的温度为1000～1200℃，碳化时间1～3h。
优选地，步骤(6)所述的高温碳化时通入惰性气体。
本发明制备得到的复合材料中的气孔率为1～10％,密度为0.17～0.25g/cm3，碳含量达98％以上。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：本发明硅烷偶联剂处理碳纤维原材料，与树脂粘结得到改善，界面结合紧密，加上纤维素存在的复合纤维对环化反应有促进作用，促进后续碳化进行，同时程序升温树脂受热逐渐固化，由线型变为具有高邻位的体型树脂，与碳纤维相连，形成致密的网络结构，综合上使得制备复合材料拉伸强度增加，复合材料的碳含量高达98％以上；另外，浸渍工艺安装搅拌装置进行间隔搅拌，不仅加快浸渍，使得浸渍更加均匀，更多的树脂包裹在碳纤维表面，有助于提高浸渍的质量，改善碳纤维增强基复合材料的整体均匀性。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
一种碳纤维增强基复合材料包括40～50份碳纤维、35～45份树脂、0.1～1份短切纤维、1～10份抗氧化剂。
一种碳纤维增强基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取40～50份碳纤维、35～45份树脂、0.1～1份短切纤维、1～10份抗氧化剂；
(2)将步骤(1)所述的碳纤维在80～100℃条件下机械混捏1h，升温至100～120℃机械混捏2h；
(3)往混捏后的碳纤维中加入1～3份偶联剂进行处理；
(4)将处理后的碳纤维与短切纤维浸渍在树脂中，并加入抗氧化剂；
(5)采用程序升温加热固化：升温速率5℃/min，第一阶段：升温至150℃，保温0.5h；第二阶段：从150℃升温至200℃，保温1h；第三阶段：从200℃升温至350℃，保温2h；
(6)将固化后的碳纤维进行高温碳化，致密化得到碳化的复合材料；
其中，步骤(1)所述的的碳纤维为聚丙烯晴与纤维素基的复合碳纤维；所述的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂的任一种；所述的短切纤维长度为5～10mm；所述的抗氧化剂为二丁基羟基甲苯、丁基羟基茴香醚、叔丁基对苯二酚中的一种或多种；步骤(3)所述的表面处理为：调配质量分数1～3％的硅烷偶联剂溶液，将碳纤维完全浸泡在溶液中，过滤，用流动的清水清洗，烘干干燥即可；步骤(4)的在浸渍液的底部安装具有多个水平方向叶片的搅拌装置，分别在浸渍液上层和浸渍液下层安装液体密度计，当检测到浸渍液中上层液体浓度与下层液体浓度差比值大于0.3～0.5，通过控制器开启搅拌装置对浸渍液进行搅拌15～20min，浸渍工艺持续1～3h；步骤(6)所述的高温碳化的温度为1000～1200℃，碳化时间1～3h；步骤(6)所述的高温碳化时通入惰性气体；制备得到的复合材料中的气孔率为1～10％,密度为0.17～0.25g/cm3，碳含量达98％以上。
碳纤维表面平滑，呈现化学惰性，与树脂浸润性差，相容性不好，而使复合材料界面粘合性能差，本发明步骤(2)将碳纤维在不同温度下进行机械混捏，步骤(3)加入偶联剂进行处理，改善碳纤维表面与树脂之间粘结性较差，界面结合力较弱的缺点，提高了碳纤维与树脂的相容性和结合强度，促进后续步骤(4)的浸渍工艺中碳纤维与更多的树脂交联，并在浸渍液底部安装搅拌装置，不仅加快浸渍，使得浸渍更加均匀，更多的树脂包裹在碳纤维表面，有助于提高浸渍的质量，改善碳纤维增强基复合材料的整体均匀性；结合步骤(5)的程序升温树脂受热逐渐固化，由线型变为具有高邻位的体型树脂，与碳纤维相连，形成致密的网络结构，综合上使得制备复合材料拉伸强度增加，复合材料的碳含量高达98％以上。
实施例1
一种碳纤维增强基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取40份碳纤维、45份树脂、0.1份短切纤维、1份抗氧化剂；
(2)将步骤(1)所述的碳纤维在80℃条件下机械混捏1h，升温至100℃机械混捏2h；
(3)往混捏后的碳纤维中加入1份偶联剂进行处理；
(4)将处理后的碳纤维与短切纤维浸渍在树脂中，在浸渍液的底部安装具有多个水平方向叶片的搅拌装置，每隔20min用液体密度计检测浸渍液的上层液体浓度和下层液体浓度，当检测到浸渍液中上层液体浓度与下层液体浓度差比值大于0.3，开启搅拌装置对浸渍液进行搅拌15min，浸渍工艺持续1h并加入抗氧化剂；
(5)采用程序升温加热固化：升温速率5℃/min，第一阶段：升温至150℃，保温0.5h；第二阶段：从150℃升温至200℃，保温1h；第三阶段：从200℃升温至350℃，保温2h；
(6)将固化后的碳纤维在通入氩气条件下，温度为1000℃进行碳化1h，致密化得到碳化的复合材料；
其中，步骤(1)所述的的碳纤维为聚丙烯晴与纤维素基的复合碳纤维；所述的树脂为环氧树脂；所述的短切纤维长度为5mm；所述的抗氧化剂为二丁基羟基甲苯；步骤(3)所述的表面处理为：调配质量分数1％的硅烷偶联剂溶液，将碳纤维完全浸泡在溶液中，过滤，用流动的清水清洗，干燥即可。
制备得到的复合材料中的气孔率为1％,密度为0.25g/cm3。
实施例2
一种碳纤维增强基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取50份碳纤维、40份树脂、1份短切纤维、8份抗氧化剂；
(2)将步骤(1)所述的碳纤维在100℃条件下机械混捏1h，升温至120℃机械混捏2h；
(3)调配质量分数3％的硅烷偶联剂溶液，将混捏后的碳纤维完全浸泡在溶液中，过滤，用流动的清水清洗，干燥即可；
(4)将处理后的碳纤维与短切纤维浸渍在树脂中，加入抗氧化剂，在浸渍液的底部安装具有多个水平方向叶片的搅拌装置，分别在浸渍液上层和浸渍液下层安装液体密度计，当检测到浸渍液中上层液体浓度与下层液体浓度差比值大于0.5，通过控制器开启搅拌装置对浸渍液进行搅拌20min，浸渍工艺持续3h。
(5)采用程序升温加热固化：升温速率5℃/min，第一阶段：升温至150℃，保温0.5h；第二阶段：从150℃升温至200℃，保温1h；第三阶段：从200℃升温至350℃，保温2h；
(6)将固化后的碳纤维在通入氩气气体条件下，温度为1200℃进行碳化3h，致密化得到碳化的复合材料；
其中，步骤(1)所述的的碳纤维为聚丙烯晴与纤维素基的复合碳纤维；所述的树脂为酚醛树脂；所述的短切纤维长度为10mm；所述的抗氧化剂为丁基羟基茴香醚；
制备得到的复合材料中的气孔率为10％,密度为0.17g/cm3。
实施例3
一种碳纤维增强基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取45份碳纤维、35份树脂、1份短切纤维、5份抗氧化剂；
(2)将步骤(1)所述的碳纤维在90℃条件下机械混捏1h，升温至110℃机械混捏2h；
(3)调配质量分数2％的硅烷偶联剂溶液，将混捏后的碳纤维完全浸泡在溶液中，过滤，用流动的清水清洗，干燥即可；
(4)将处理后的碳纤维与短切纤维浸渍在树脂中，加入抗氧化剂，在浸渍液的底部安装具有多个水平方向叶片的搅拌装置，分别在浸渍液上层和浸渍液下层安装液体密度计，当检测到浸渍液中上层液体浓度与下层液体浓度差比值大于0.4，通过控制器开启搅拌装置对浸渍液进行搅拌20min，浸渍工艺持续3h；
(5)采用程序升温加热固化：升温速率5℃/min，第一阶段：升温至150℃，保温0.5h；第二阶段：从150℃升温至200℃，保温1h；第三阶段：从200℃升温至350℃，保温2h；
(6)将固化后的碳纤维在通入氮气气体条件下，温度为1200℃进行碳化1～3h，致密化得到碳化的复合材料；
其中，步骤(1)所述的的碳纤维为聚丙烯晴与纤维素基的复合碳纤维；所述的树脂为聚酯树脂；所述的短切纤维长度为10mm；所述的抗氧化剂为叔丁基对苯二酚；
制备得到的复合材料中的气孔率为6％,密度为0.18g/cm3。
实施例4
一种碳纤维增强基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取48份碳纤维、36份树脂、1份短切纤维、10份抗氧化剂；
(2)将步骤(1)所述的碳纤维在95℃条件下机械混捏1h，升温至120℃机械混捏2h；
(3)调配质量分数3％的硅烷偶联剂溶液，将混捏后的碳纤维完全浸泡在溶液中，过滤，用流动的清水清洗，干燥即可；
(4)将处理后的碳纤维与短切纤维浸渍在树脂中，加入抗氧化剂，在浸渍液的底部安装具有多个水平方向叶片的搅拌装置，分别在浸渍液上层和浸渍液下层安装液体密度计，当检测到浸渍液中上层液体浓度与下层液体浓度差比值大于0.3，通过控制器通过控制器开启搅拌装置对浸渍液进行搅拌15min，浸渍工艺持续1h。
浸渍工艺持续3h；
(5)采用程序升温加热固化：升温速率5℃/min，第一阶段：升温至150℃，保温0.5h；第二阶段：从150℃升温至200℃，保温1h；第三阶段：从200℃升温至350℃，保温2h；
(6)将固化后的碳纤维在通入惰性气体条件下，温度为1000～1200℃进行碳化1～3h，致密化得到碳化的复合材料；
其中，步骤(1)所述的的碳纤维为聚丙烯晴与纤维素基的复合碳纤维；所述的树脂为环氧树脂；所述的短切纤维长度为8mm；所述的抗氧化剂为二丁基羟基甲苯、丁基羟基茴香醚、叔丁基对苯二酚的混合物；
制备得到的复合材料中的气孔率为7％,密度为0.21g/cm3。
实施例5
一种碳纤维增强基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取42份碳纤维、44份树脂、0.8份短切纤维、4份抗氧化剂；
(2)将步骤(1)所述的碳纤维在85℃条件下机械混捏1h，升温至110℃机械混捏2h；
(3)调配质量分数2％的硅烷偶联剂溶液，将混捏后的碳纤维完全浸泡在溶液中，过滤，用流动的清水清洗，干燥即可；
(4)将处理后的碳纤维与短切纤维浸渍在树脂中，加入抗氧化剂，在浸渍液的底部安装具有多个水平方向叶片的搅拌装置，分别在浸渍液上层和浸渍液下层安装液体密度计，当检测到浸渍液中上层液体浓度与下层液体浓度差比值大于0.5，通过控制器开启搅拌装置对浸渍液进行搅拌15min，浸渍工艺持续3h；
(5)采用程序升温加热固化：升温速率5℃/min，第一阶段：升温至150℃，保温0.5h；第二阶段：10min从150℃升温至200℃，保温1h；第三阶段：10min从200℃升温至350℃，保温2h；
(6)将固化后的碳纤维在通入惰性气体条件下，温度为1200℃进行碳化1h，致密化得到碳化的复合材料；
其中，步骤(1)所述的的碳纤维为聚丙烯晴与纤维素基的复合碳纤维；所述的树脂为环氧树脂；所述的短切纤维长度为6mm；所述的抗氧化剂为二丁基羟基甲苯、丁基羟基茴香醚混合；
制备得到的复合材料中的气孔率为8％,密度为0.19g/cm3。
对比例1
一种碳纤维增强基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取45份碳纤维、35份树脂、1份短切纤维、5份抗氧化剂；
(2)将步骤(1)所述的碳纤维在90℃条件下机械混捏1h，升温至110℃机械混捏2h；
(3)将机械混捏后的碳纤维与短切纤维浸渍在树脂中，加入抗氧化剂，在浸渍液的底部安装具有多个水平方向叶片的搅拌装置，分别在浸渍液上层和浸渍液下层安装液体密度计，当检测到浸渍液中上层液体浓度与下层液体浓度差比值大于0.3，通过控制器开启搅拌装置对浸渍液进行搅拌20min，浸渍工艺持续3h；
(4)采用程序升温加热固化：升温速率5℃/min，第一阶段：升温至150℃，保温0.5h；第二阶段：从150℃升温至200℃，保温1h；第三阶段：从200℃升温至350℃，保温2h；
(5)将固化后的碳纤维在通入氮气气体条件下，温度为1200℃进行碳化1～3h，致密化得到碳化的复合材料；
其中，步骤(1)所述的的碳纤维为聚丙烯晴与纤维素基的复合碳纤维；所述的树脂为聚酯树脂；所述的短切纤维长度为10mm；所述的抗氧化剂为叔丁基对苯二酚；
制备得到的复合材料中的气孔率为7％,密度为0.29g/cm3。
对比例2
一种碳纤维增强基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取45份碳纤维、35份树脂、1份短切纤维、5份抗氧化剂；
(2)将步骤(1)所述的碳纤维在90℃条件下机械混捏1h，升温至110℃机械混捏2h；
(3)调配质量分数2％的硅烷偶联剂溶液，将混捏后的碳纤维完全浸泡在溶液中，过滤，用流动的清水清洗，干燥即可；
(4)将处理后的碳纤维与短切纤维浸渍在树脂中，加入抗氧化剂，在浸渍液的底部安装具有多个水平方向叶片的搅拌装置，分别在浸渍液上层和浸渍液下层安装液体密度计，当检测到浸渍液中上层液体浓度与下层液体浓度差比值大于0.3，通过控制器开启搅拌装置对浸渍液进行搅拌15min，浸渍工艺持续3h；
(5)采用程序升温加热固化：升温速率5℃/min，第一阶段：升温至150℃，保温0.5h；第二阶段：从150℃升温至200℃，保温1h；第三阶段：从200℃升温至350℃，保温2h；
(6)将固化后的碳纤维在通入氮气气体条件下，温度为1200℃进行碳化3h，致密化得到碳化的复合材料；
其中，步骤(1)所述的的碳纤维为聚丙烯晴碳纤维；所述的树脂为聚酯树脂；所述的短切纤维长度为10mm；所述的抗氧化剂为叔丁基对苯二酚；
制备得到的复合材料中的气孔率为8％,密度为0.19g/cm3。
对比例3
一种碳纤维增强基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取45份碳纤维、35份树脂、1份短切纤维、5份抗氧化剂；
(2)将步骤(1)所述的碳纤维在90℃条件下机械混捏1h，升温至110℃机械混捏2h；
(3)调配质量分数2％的硅烷偶联剂溶液，将混捏后的碳纤维完全浸泡在溶液中，过滤，用流动的清水清洗，干燥即可；
(4)将处理后的碳纤维与短切纤维浸渍在树脂中，浸渍工艺持续3h；
(5)升温至350℃加热固化2h；
(6)将固化后的碳纤维在通入氮气气体条件下，温度为1200℃进行碳化1～3h，致密化得到碳化的复合材料；
其中，步骤(1)所述的的碳纤维为聚丙烯晴与纤维素基的复合碳纤维；所述的树脂为聚酯树脂；所述的短切纤维长度为10mm；所述的抗氧化剂为叔丁基对苯二酚；
制备得到的复合材料中的气孔率为7％,密度为0.27g/cm3。
对比例4
一种碳纤维增强基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取45份碳纤维、35份树脂、1份短切纤维、5份抗氧化剂；
(2)将步骤(1)所述的碳纤维在90℃条件下机械混捏1h，升温至110℃机械混捏2h；
(3)调配质量分数2％的硅烷偶联剂溶液，将混捏后的碳纤维完全浸泡在溶液中，过滤，用流动的清水清洗，干燥即可；
(4)将处理后的碳纤维与短切纤维浸渍在树脂中，并加入抗氧化剂，浸渍工艺持续3h；
(5)采用程序升温加热固化：升温速率5℃/min，第一阶段：升温至150℃，保温0.5h；第二阶段：从150℃升温至200℃，保温1h；第三阶段：从200℃升温至350℃，保温2h；
(6)将固化后的碳纤维在通入氮气气体条件下，温度为1200℃进行碳化1～3h，致密化得到碳化的复合材料；
其中，步骤(1)所述的的碳纤维为聚丙烯晴与纤维素基的复合碳纤维；所述的树脂为聚酯树脂；所述的短切纤维长度为10mm；所述的抗氧化剂为叔丁基对苯二酚；
制备得到的复合材料中的气孔率为6％,密度为0.14g/cm3。
性能测试结果
(1)测试复合材料的硬度
方案：选取实施例1～5和对比例1～制备得到的复合材料，分别在上下表面选取20个点，使用lx-c型邵氏硬度计测量各样品的硬度(单位hc)，取结果记录如下表1。
表1
由表1分析可知，实施例1～5制备得到的碳纤维增强基复合材料整体的硬度，均匀性较好，对比例1与实施例3相比，仅没有经过硅烷偶联剂处理，对比例2采用聚丙烯晴碳纤维作为原材料，制备得到的碳纤维增强基复合材料都没有实施例1～5制备的碳纤维增强基复合材料的硬度强，说明硅烷偶联剂和聚丙烯晴与纤维素基复合的碳纤维都有助于增强碳纤维增强基复合材料的硬度；对比例3制备工艺中直接加热升温固化，制备得到的碳纤维增强基复合材料存在硬度梯度，而实施例1～5的制备工艺中，采用程序升温，优化固化温度，制备得到的碳纤维增强基复合材料整体的均匀性良好；对比例4制备工艺中没有采用电机搅拌，制备得到的碳纤维增强基复合材料也存在硬度梯度，说明适当搅拌能使浸渍更加均匀，改善碳纤维增强基复合材料的整体均匀性。综合上，本发明制备的碳纤维增强基复合材料具有较好的硬度与整体均匀性。
(2)碳含量测量结果见表2
表2
由表2的数据记录可知，本发明的通过工艺优化，制备得到的碳纤维增强基复合材料具有较高的碳含量。
综合上，本发明制备碳纤维增强基复合材料拉伸强度增加，碳含量高达98％以上；且碳纤维增强基复合材料的整体均匀性良好。
以上实施例仅说明本发明的实施方案，并没有对本发明有任何形式上的限制；任何从事本专业的技术人员，都有能力利用揭示的技术内容作出一些更动或修饰，成为等同变化的等效实施例，根据本发明技术实质，对本发明进行简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。