高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法

本发明涉及碳纤维复合材料，尤其涉及一种高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法。

背景技术：

1、近年来，碳纤维增强树脂基复合材料(cfrps)由于其具有低密度、高强度、高刚度等优异的力学性能，在工业、医疗设备、航空航天等领域得到了广泛的应用。随着技术的进步，cfrps的制备取得了很大的进展。为了制备更高强度的cfrps，研究人员做出了巨大的努力，越来越多高性能碳纤维复合材料接踵而至。但是，目前还没有研究人员公布过与高性能彩色碳纤维复合材料有关的任何研究。cfrps中作为增强体的碳纤维由于其固有的高结晶度和表面化学惰性，使其与染料分子之间只存在弱的化学键相互作用，因而难以利用传统的染料或色素分子使碳纤维着色；其次，碳纤维还具有极强的吸光特性，而无法真正实现使碳纤维显色的目的。

2、现有技术中，申请号为cn202010308451.7，公开日期为2020年8月14日，名称为“一种纳米颗粒增强三维机织复合材料的制备方法”的专利文件中通过将纳米粒子分散在环氧聚合物中后，将其作为基体在三维机织复合材料上形成层结构，以此改善三维机织复合材料的力学性能。但是，上述技术方案中向环氧聚合物中添加纳米粒子是为了利用纳米粒子与树脂间强的界面作用以及增强由环氧聚合物形成的层结构的粗糙度，但该过程仍无法实现使以碳纤维为增强体的复合材料显色的目的。

3、有鉴于此，有必要设计一种改进的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：

3、s1、先对碳纤维织物进行表面处理，除去其表面的上浆剂等杂质，然后在碳纤维织物表面制备显色层，得到预处理的碳纤维织物，所述显色层的表层分布活性基团；

4、s2、将环氧树脂和固化剂混合均匀，并进行真空排气泡处理后，得到环氧树脂混合溶液；

5、s3、将步骤s1中得到所述预处理的碳纤维织物置于模具中，再通过真空辅助成型工艺将步骤s2中的所述环氧树脂溶液引入所述模具内，所述环氧树脂溶液充满所述模具后，对树脂注入口和真空泵抽气口进行密封处理；然后，对密封处理后的模具进行干燥处理，以使所述预处理的碳纤维织物表面形成固化的聚合物层，脱模后，即制得所述复合材料。

6、优选的，在步骤s2中，所述环氧树脂和所述固化剂的混合比为100：(4-85)。

7、优选的，在步骤s1中，所述显色层为若干极性涂层组装在一起得到，所述极性涂层的厚度为5-1000nm，层数为1-5层。

8、优选的，在步骤s3中，所述干燥处理分三个阶段进行，第一阶段的条件为：在80-100℃，干燥1-3h；第二阶段的条件为：在100-120℃，干燥1-3h；第三阶段的条件为：在120-140℃，干燥1-3h。

9、优选的，在步骤s1中，在向所述碳纤维织物的表面制备所述极性涂层之前，需在所述碳纤维织物的表面引入活性含氧基团。

10、优选的，在所述碳纤维织物的表面引入活性含氧基团的方式通过将所述碳纤维织物置于等离子体机器中，处理5-10min实现。

11、优选的，在步骤s1中，在所述碳纤维织物表面制备所述极性涂层的方式为转式原子层沉积法、分子层沉积、层层自组装、多光子电离、化学气相沉积、pecvd、真空溅镀、磁控溅射、电镀、化学电镀及化学黏合中的一种或几种。

12、优选的，所述极性涂层的原料为bao、sro、mgo、al2o3、b2o3、ga2o3、in2o3、sio2、tio2、zro2、zno、聚酰亚胺、聚脲、聚氨酯中的一种或几种。

13、优选的，在步骤s2中，所述环氧树脂为双酚a型环氧树脂jc-02a，所述固化剂为酸酐类固化剂jc-05b。

14、优选的，在步骤s2中，所述真空排气泡处理的时间为1-4h。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明提供的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，通过在碳纤维织物表面依次形成显色层和聚合物层，并在上述处理前在碳纤维织物表面引入活性含氧基团，从而利用碳纤维织物和显色层及显色层和聚合物层之间的化学键合作用，增强了复合材料内部相邻两层之间的界面结合力，显色层的引入赋予复合材料结构生色的性能，并能够通过对显色层中极性涂层的层数、厚度、原料选取等条件的控制，对复合材料的颜色进行调控。通过上述方式，制得能够稳定显色且力学性能优异的高性能彩色碳纤维增强复合材料。同时，显色层表层分布的高密度活性基团-oh能够与树脂间形成分子间氢键，能够改善其与树脂的界面相容性，进而改善cfrps的力学性能。

17、2、本发明提供的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，通过利用各个层结构之间的化学键合作用形成复合材料，可在不改变碳纤维织物内部结构的前提下，有效提高其力学稳定性，并使其具备显色性；通过在显色层外形成聚合物层，一方面，可利用聚合物层的自身力学性能提高碳纤维织物的力学性能，同时，在聚合物层的高透光性下，能够避免因聚合物层的引入而导致显色层的显色。上述制备过程，制备条件简单，操作便捷，且实验重现性好，具有很好的应用前景。

技术特征：

1.一种高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述环氧树脂和所述固化剂的混合比为100：(4-85)。

3.根据权利要求1所述的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述显色层为若干极性涂层组装在一起得到，所述极性涂层的厚度为5-1000nm，层数为1-5层。

4.根据权利要求1所述的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，所述干燥处理分三个阶段进行，第一阶段的条件为：在80-100℃，干燥1-3h；第二阶段的条件为：在100-120℃，干燥1-3h；第三阶段的条件为：在120-140℃，干燥1-3h。

5.根据权利要求3所述的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，在向所述碳纤维织物的表面制备所述极性涂层之前，需在所述碳纤维织物的表面引入活性含氧基团。

6.根据权利要求5所述的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，在所述碳纤维织物的表面引入活性含氧基团的方式通过将所述碳纤维织物置于等离子体机器中，处理5-10min实现。

7.根据权利要求3所述的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，在所述碳纤维织物表面制备所述极性涂层的方式为转式原子层沉积法、分子层沉积、层层自组装、多光子电离、化学气相沉积、pecvd、真空溅镀、磁控溅射、电镀、化学电镀及化学黏合中的一种或几种。

8.根据权利要求7所述的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，所述极性涂层的原料为bao、sro、mgo、al2o3、b2o3、ga2o3、in2o3、sio2、tio2、zro2、zno、聚酰亚胺、聚脲、聚氨酯中的一种或几种。

9.根据权利要求1所述的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述环氧树脂为双酚a型环氧树脂jc-02a，所述固化剂为酸酐类固化剂jc-05b。

10.根据权利要求1所述的高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述真空排气泡处理的时间为1-4h。

技术总结
本发明提供了一种高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法，通过在碳纤维织物表面依次形成显色层和聚合物层，并在上述处理前在碳纤维织物表面引入活性含氧基团，从而利用碳纤维织物和显色层及显色层和聚合物层之间的化学键合作用，增强了复合材料内部相邻两层之间的界面结合力，利用显色层的引入赋予复合材料结构生色的性能，并能够通过对显色层中极性涂层的层数、厚度、原料选取等条件的控制，对复合材料的颜色进行调控。通过上述方式，制得能够稳定显色且力学性能优异的高性能彩色碳纤维增强复合材料。

技术研发人员：陈凤翔,骆宇新,张玉,王梦琦,史芷丞,乔思杰,童爱心,邢桐贺,何安南,黄智宇,梁子辉,刘欣,徐卫林
受保护的技术使用者：武汉纺织大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15