本發(fā)明涉及復合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種鋼基碳纖維復合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

由于普通鋼材的模量、抗拉強度、抗疲勞強度、比強度都有上限，不能滿足更高層面的材料學需求，所以越來越多的汽車制造商開始將鋼基體碳纖維復合材料應用于汽車板材，以提高汽車性能并降低汽車制造成本。

現(xiàn)有以鋼為基體的纖維增強型復合材料主要包括如下兩種：碳纖維板材鋼板夾層復合材料和碳纖維絲束-碳纖維預制棒復合材料。這兩種碳纖維復合材料材料性能提高不明顯，而且碳纖維與鋼板間的復合不緊密、界面易脫層脫離。

另外，以鋼為基體的纖維增強型復合材料往往都有成本、生產(chǎn)難度以及設(shè)計方面的困難。比如以碳纖維的連續(xù)纖維或經(jīng)緯編織布作為增強相時，需要根據(jù)使用條件預先設(shè)計后再柔性制造，無法做出類似金屬材料的各向同性的通用件。大量碳纖維由于耐溫性差、氧化氛圍下易燃燒、大部分特種纖維與鐵原子不能結(jié)合或容易直接發(fā)生化學反應等特性，導致此類復合材料的生產(chǎn)有著比較復雜的模具、工藝流程和較高的成本。尤其涉及柔性制造開模、烘烤等流程時，基本無法使用工業(yè)化方法制造此類材料。

由此可見，現(xiàn)有以鋼為基體的纖維增強型復合材料的生產(chǎn)工藝復雜，制作成本高，而且碳纖維與鋼板間的界面易脫層脫離，材料性能有待提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對目前存在的問題，提供一種鋼基碳纖維復合材料及其制備方法，其中復合材料的各項性能遠高于普通鋼材，同時生產(chǎn)成本、工藝門檻和批量化流程及通用性等方面都控制在金屬材料體系內(nèi)，使得有高性能材料需求的行業(yè)普遍受益。

本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

本發(fā)明提供一種鋼基碳纖維復合材料，其包括：

多個相互纏繞的彎曲碳纖維、鋼基材料和粘結(jié)在碳纖維表面的膠合劑；

所述碳纖維、膠合劑與鋼基材料通過化學鍵連接形成，其中，粘結(jié)在碳纖維表面的膠合劑與鋼基材料之間通過化學鍵形成珊瑚狀交界面。

更優(yōu)選地，所述鋼基碳纖維復合材料的各個組分中，以體積計，碳纖維占50～90％，膠合劑占5-20％，剩余為鋼基材料。

更優(yōu)選地，所述鋼基碳纖維復合材料的各個組分中，以體積計，碳纖維占70～85％，膠合劑占8-12％，剩余為鋼基材料。

更優(yōu)選地，所述鋼基碳纖維復合材料的各個組分，以體積計，碳纖維占77.5％，膠合劑占10％，剩余為鋼基材料。

更優(yōu)選地，所述碳纖維的長度為5～10厘米。

更優(yōu)選地，所述膠合劑在碳纖維表面形成20-40nm的膠膜。

更優(yōu)選地，所述膠合劑為熱塑性樹脂、高溫油性膠、高溫乳膠、高溫交聯(lián)油中的一種或幾種。

本發(fā)明還提供一種上述鋼基碳纖維復合材料的制備方法，其包括如下步驟：

步驟a，將設(shè)定體積的碳纖維投入油床中，利用該油床中的液態(tài)膠合劑對碳纖維進行浸潤；

步驟b，將經(jīng)過充分浸潤的碳纖維提取出，并擠壓以去除其中的多余膠合劑；

步驟c，對擠壓掉多余膠合劑后的碳纖維進行纏繞處理形成沾滿膠合劑且具有三維結(jié)構(gòu)的海綿狀碳纖維；

步驟d，將沾滿膠合劑且具有三維結(jié)構(gòu)的海綿狀碳纖維進行抽真空處理，使碳纖維三維結(jié)構(gòu)中的氣體被抽出；

步驟e，將液態(tài)鋼基材料向沾滿膠合劑的海綿狀碳纖維中注射，并在注射過程中進行微震動，使得沾滿膠合劑的碳纖維的三維結(jié)構(gòu)中充實液態(tài)鋼基材料；

步驟f，將充實液態(tài)鋼基材料且沾滿膠合劑的碳纖維放入模具中加壓冷卻成型，得到成型的通過化學鍵連接的鋼基碳纖維復合材料。

更優(yōu)選地，所述步驟c包括：

當所述碳纖維為短纖碳纖維時，對擠壓掉多余膠合劑后的碳纖維進行攪拌，并在攪拌過程中加入設(shè)定數(shù)量的連續(xù)纖碳纖維或者加入經(jīng)經(jīng)緯編織或三維編織形成的碳纖維網(wǎng)格，使沾滿膠合劑的碳纖維相互纏繞形成具有三維結(jié)構(gòu)的海綿狀碳纖維；

或者，

當所述碳纖維為連續(xù)碳纖維時，對擠壓掉多余膠合劑后的碳纖維進行攪拌，使沾滿膠合劑的碳纖維相互纏繞形成沾滿膠合劑且具有三維結(jié)構(gòu)的海綿狀碳纖維。

更優(yōu)選地，所述步驟d包括：

將所述沾滿膠合劑且具有三維結(jié)構(gòu)的海綿狀碳纖維送入密閉的真空復合室中，對該真空復合室進行抽真空處理，直至所述碳纖維三維結(jié)構(gòu)中的氣體被抽出；

或者，

將所述沾滿膠合劑且具有三維結(jié)構(gòu)的海綿狀碳纖維直接放置在復合室的微注射器的針頭之間，通過抽取微注射器，將碳纖維三維結(jié)構(gòu)中的氣體抽出。

由上述本發(fā)明的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有如下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明復合材料的制作方法簡單、合理，解決了現(xiàn)有技術(shù)中鋼為基體的纖維增強型復合材料的生產(chǎn)工藝復雜，制作成本高的問題。

2、本發(fā)明復合材料中的碳纖維呈復雜的彎曲狀，混亂的碳纖維增大了碳纖維與鋼基之間的界面面積，大幅增加了碳纖維能“抓取”成片金屬分子的體積，也使得碳纖維與鋼兩種主要材料之間的結(jié)合致密度發(fā)生了質(zhì)變。

3、本發(fā)明中，粘結(jié)在碳纖維表面的膠合劑與鋼基材料之間通過化學鍵形成極其復雜的“珊瑚狀”交界面，使得碳纖維和鋼基材料直接的結(jié)合緊密程度大幅提高。

4、本發(fā)明通過鋼材基體、碳纖維和膠合劑的加入，所形成的復合材料遠遠突破常規(guī)各類鋼材基體材料自身的模量上限，剛度大幅增加，同時，增強了鋼材的抗拉強度和斷裂力。而且本發(fā)明的復合材料較碳纖維-樹脂復合材料的剪切強度也得到了很大提高。

5、因為本發(fā)明中碳纖維的存在，導致材料應力分散均勻，大幅增強了本發(fā)明復合材料的抗疲勞強度和抗蠕變性能，且很大程度上在高溫合金鋼基質(zhì)的基礎(chǔ)上提高了材料的熱性能和抗蠕變性能。

6、因為本發(fā)明中碳纖維在該復合材料中的體積含量占50～90％，且碳纖維的密度比鋼低約3-4倍、比強度比鋼高14-60倍，使得本發(fā)明復合材料的比強度得以極大提高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明鋼基碳纖維復合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中a部的局部放大示意圖；

圖3為本發(fā)明鋼基碳纖維復合材料的制作流程圖；

圖4為單一方向拉直的碳纖維與鋼基質(zhì)的復合材料中碳纖維的形狀示意圖；

圖5為彎曲碳纖維與鋼材的直接連接形成的復合材料中碳纖維的形狀示意圖；

圖6為本發(fā)明鋼基碳纖維復合材料中的碳纖維的形狀示意圖。

附圖中：

碳纖維1，鋼基材料2，粘合劑3。

具體實施方式

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本申請的技術(shù)方案，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。

本發(fā)明提供一種鋼基碳纖維復合材料，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，其由多個相互纏繞的彎曲碳纖維、鋼基材料與粘結(jié)在碳纖維表面的膠合劑通過化學鍵連接形成。其中，粘結(jié)在碳纖維表面的膠合劑與鋼基材料之間通過化學鍵形成極其復雜的“珊瑚狀”交界面。

上述鋼基碳纖維復合材料中包括的各個組分中，以體積計，碳纖維占50～90％，優(yōu)選70～85％，膠合劑占5-20％，優(yōu)選8-12％，剩余為鋼基材料。膠合劑在碳纖維表面平均形成20-40nm的膠膜，優(yōu)選，上述碳纖維的長度為5～10厘米。

優(yōu)選地，上述鋼基碳纖維復合材料的各個組分中，以體積計，碳纖維占70～85％，膠合劑占8-12％，剩余為鋼基材料。膠合劑在碳纖維表面平均形成20-40nm的膠膜，優(yōu)選，上述碳纖維的長度為5～10厘米。

優(yōu)選地，上述鋼基碳纖維復合材料的各個組分中，以體積計，碳纖維占77.5％，膠合劑占10％，剩余為鋼基材料。膠合劑在碳纖維表面平均形成20-40nm的膠膜，優(yōu)選，上述碳纖維的長度為5～10厘米。

上述鋼基材料可以為純鋼基材料；也可以為鋼與其它有色金屬復合而成的復合鋼基材料，如鋼與銅、鋁或鈦等有色金屬復合的鋼基材料。

上述膠合劑可以為熱塑性樹脂、高溫油性膠、高溫乳膠或高溫交聯(lián)油等中的任意一種或幾種的組合。

將如下表所示不同體積份數(shù)制備的鋼基碳纖維復合材料分別進行剪切強度、抗拉強度等相關(guān)力學性能試驗。

具體實驗情況如下：

在進行剪切強度試驗時，在電子萬能試驗機(優(yōu)選instron-1186萬能電子試驗機)進行室溫剪切強度試驗，加載速率為0.5mm/min；記錄材料切斷時輸出的最大載荷，根據(jù)最大載荷換算上述復合材料的剪切強度。

在進行抗拉強度試驗時，在電子萬能試驗機(優(yōu)選instron-1186萬能電子試驗機)上進行室溫抗拉試驗，測量其抗拉伸性能，得到抗拉強度，進而同時獲得彈性模量和彎曲模量。

表1：不同體積分數(shù)制備的復合材料

需要說明的是：由于粘結(jié)在碳纖維表面的膠合劑與鋼基材料之間通過化學鍵形成極其復雜的“珊瑚狀”交界面，油膜的厚度為不規(guī)則狀態(tài)，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。

通過上述力學性能試驗，上述不同體積份數(shù)制備的復合材料對應的剪切強度、抗拉強度、彈性模量和彎曲模量等性能參數(shù)，它們的剪切強度在410.2mpa～865.8mpa的范圍內(nèi)，抗拉強度在1059.8mpa～5619.7mpa的范圍內(nèi)，彈性模量在782-1010gpa的范圍內(nèi)，彎曲模量在69.6gpa～671gpa的范圍內(nèi)。其中，序號9對應的碳纖維含量為77.5％、膠合劑含量為10％、鋼基材料含量為22.5％時，所獲得的鋼基碳纖維復合材料的性能最佳，分別為：剪切強度為865.8mpa，抗拉強度為5619.7mpa，彈性模量為998gpa，彎曲模量為669gpa。由此可見，本發(fā)明所請求保護的鋼基碳纖維復合材料的力學性能得到了大幅提升。

本發(fā)明的鋼基碳纖維復合材料，可以根據(jù)不同的性能需求改變物料比例：

當鋼材占比大時，材料整體趨向于金屬材料的各種特征。比如各向同性；抗剪切力均勻；滑動韌性與塑性變形強；模量低等。

當碳纖維占比大時，材料整體趨向于無機材料的特征。比如相對的、有限的各向異性；高溫性能穩(wěn)定、遠高于金屬體系材料的抗拉強度與模量、楊氏模量(儲能模量)高等。

針對上述鋼基碳纖維復合材料，本發(fā)明還提供了該復合材料的制備方法，其實施流程如圖3所示，包括如下步驟：

步驟s1、碳纖維備料過程

步驟s11)預處理：

取體積為a立方米的碳纖維，對碳纖維進行清洗、烘干、去靜電等預處理。

碳纖維的體積a占整個復合材料體積的50-90％。優(yōu)選的占70-85％。

上述碳纖維有兩種：

一種是短纖碳纖維，長度大約5～10厘米。這種短纖碳纖維可以由連續(xù)碳纖維經(jīng)過剪切等預處理后得到，也可以通過回收廢舊碳纖維毛料得到。

另一種是連續(xù)纖維碳纖維，其長度沒有具體要求。

步驟s12)投料

油床內(nèi)事先裝有液體狀態(tài)的膠合劑，例如熱塑性樹脂、高溫油性膠、高溫乳膠或者高溫交聯(lián)油等。

將預處理后的碳纖維投入油床中，具體可以通過推送裝置將碳纖維投入到油床中。

步驟s13)浸潤：利用該油床中的膠合劑對碳纖維進行浸潤(該過程也可通俗稱為“上漿”)。

在該過程中，可以通過氣缸、油缸或者其它設(shè)備施加壓力給碳纖維的上表面，使得被投入到油床中的碳纖維全部沒入至膠合劑內(nèi)，以便碳纖維與膠合劑充分接觸，使得碳纖維在膠合劑中得以浸潤，直至在碳纖維表面形成一層膠合劑油膜層。該油膜層能夠隔絕空氣，避免碳纖維在高溫下與空氣中的氧氣反應而被氧化，起到保護作用，同時又可在后續(xù)增加碳纖維與鋼水結(jié)合的緊密程度。

步驟s14)退油：將經(jīng)過充分浸潤的碳纖維提取出，并擠壓以去除其中的多余膠合劑，得到初次“退油”后的碳纖維。

經(jīng)過充分浸潤的碳纖維被送入攪拌機，經(jīng)過攪拌機的攪拌，可以使碳纖維與膠合劑混合更充分，還可以將多余的膠合劑擠壓掉，在此稱此擠壓膠合劑的過程為初次“退油”。

步驟s15)纏繞：對初次“退油”后的碳纖維進行纏繞處理，形成沾滿膠合劑且具有三維結(jié)構(gòu)的“海綿狀”碳纖維。

此纏繞過程也可以通過攪拌機來完成。在攪拌過程中，通過在多個方向設(shè)置不同的攪拌槳葉等方式，將沾滿膠合劑的短纖碳纖維或連續(xù)纖碳纖維混合成具有混亂的、復雜的三維結(jié)構(gòu)(類似毛線球或鋼絲球狀)的“海綿狀”碳纖維。

當使用短纖碳纖維時，為了增加使用短纖碳纖維時在特定方向上的材料性能，還可以在此攪拌過程中加入設(shè)定數(shù)量的連續(xù)纖碳纖維作為骨架進行材料性能的補強，或者是加入經(jīng)經(jīng)緯編織或三維編織形成的碳纖維網(wǎng)格等。

當使用連續(xù)纖碳纖維時，經(jīng)攪拌，多個沾滿膠合劑的碳纖維相互纏繞會形成復雜的三維結(jié)構(gòu)，這種情況下可以省略此加入連續(xù)纖碳纖維進行補強的步驟。

經(jīng)過上述攪拌后，沾滿粘合劑的碳纖維相互纏繞在一起，最終形成具有三維結(jié)構(gòu)的“海綿狀”碳纖維。

經(jīng)過上述碳纖維備料過程，最終得到沾滿膠合劑且具有三維結(jié)構(gòu)的“海綿狀”碳纖維。隨后通過如下步驟對其進行抽真空處理，然后與液態(tài)鋼基材料(如鋼水)復合。具體操作過程如下：

步驟s2、真空處理過程。對沾滿膠合劑且具有三維結(jié)構(gòu)的“海綿狀”碳纖維進行抽真空處理，以抽去碳纖維三維結(jié)構(gòu)中的空氣。

將沾滿膠合劑且具有三維結(jié)構(gòu)的“海綿狀”碳纖維從攪拌機中移出，將其放置于模具上靜置設(shè)定時間，然后將其送入密閉的真空復合室中。該真空復合室能夠避免碳纖維在高溫下被氧氣；對該真空復合室進行抽真空處理，使得碳纖維三維結(jié)構(gòu)中的空氣被抽出，這樣可以避免碳纖維材料在后續(xù)復合過程中產(chǎn)生空泡。

或者，

將具有三維結(jié)構(gòu)的海綿狀碳纖維直接放置在復合室的微注射器的針頭之間，通過抽取微注射器，將碳纖維三維結(jié)構(gòu)中的氣體抽出，以避免碳纖維材料在后續(xù)復合過程中產(chǎn)生空泡。

步驟s3、取液態(tài)鋼基材料到預置空腔中。

以液態(tài)鋼基材料為鋼水為例，該鋼水可以由鋼錠經(jīng)過熔爐進行金屬熔煉形成或直接引入煉鋼廠的鋼水，該鋼水的溫度為高于該牌號熔點的設(shè)計溫度，以絕對杜絕漿態(tài)并確保充分流動性和浸潤性為準，取量通過預置空腔控制，只多不少，多余的鋼水溢出回收。

步驟s4、將液態(tài)鋼基材料向沾滿膠合劑的海綿狀碳纖維中的注射，使沾滿膠合劑的海綿狀碳纖維的三維結(jié)構(gòu)中充有鋼基材料。

鋼水通過微注射器注射到在復合室內(nèi)的海綿狀碳纖維三維結(jié)構(gòu)的“體內(nèi)”，并在注射過程中對該碳纖維進行微震動，震動頻率在2mhz以上。由于沾滿膠合劑的碳纖維的三維結(jié)構(gòu)孔隙中的氣體已經(jīng)被抽真空，所以通過微震動，能夠使得沾滿膠合劑的碳纖維的三維結(jié)構(gòu)中充實液態(tài)鋼基材料。該復合過程包含同時進行的兩個步驟——注射過程和微振動過程。

1)注射：預置空腔中的鋼水通過不與大氣接觸的管道與位于復合室中的微注射器相連。通過與位于復合室中的微注射器相連的密閉管道引入鋼水，并通過微注射器將該鋼水注入到復合室中海綿狀碳纖維的三維結(jié)構(gòu)“體內(nèi)”。

微注射器是平板結(jié)構(gòu)，上面布滿了注射針頭。在復合室內(nèi)，融化的鋼水通過微注射器注入到海綿狀碳纖維的三維結(jié)構(gòu)“體內(nèi)”。注入過程中注射針頭逐漸拔出，逐漸在海綿狀碳纖維的不同層次中填充熔融的鋼液。

2)微振動：抽真空以后直至注射完成前全部需要在超聲波等手段構(gòu)成的微震動氛圍下進行。微震動氛圍有兩個目的，一是去除多余的膠合劑(二次“退油”)；另外可以增加膠合劑與鋼水結(jié)合界面的交聯(lián)程度，提高比表面積，從而實現(xiàn)提高材料性能的目的。

步驟s5、成型過程：將充實液態(tài)鋼基材料且沾滿膠合劑的碳纖維放入模具中加壓冷卻成型，得到通過碳纖維-膠合劑-鋼通過化學鍵連接的微觀架構(gòu)，即得到成型的鋼基碳纖維復合材料。該鋼基碳纖維復合材料是以鋼為基體的碳纖維增強高模量高溫復合材料。

該步驟s5具體包括如下步驟：

步驟s51)壓模：將從復合室出來的充實液態(tài)鋼基材料且沾滿膠合劑的碳纖維放入相應的模具中，并加壓擠出未填滿的部分，使復合材料成型，形成更加致密的碳纖維-膠合劑-鋼通過化學鍵連接的微觀架構(gòu)。

步驟s52)冷卻：對成型的復合材料進行冷卻。自然冷卻或使用液氮進行急速冷卻(取決于性能需求)，進一步增加鋼水與膠合劑界面的復雜程度。

步驟s53)退模：使材料脫離模具，完成整個生產(chǎn)工藝流程。

本發(fā)明形成的復合材料脫模時需要形成一種類似聚甲醛材料的質(zhì)密、復雜的混亂纖維，并交錯存在于鋼的內(nèi)部，形成如圖1和圖2所示的具有碳纖維-膠合劑-鋼間通過化學鍵連接的微觀架構(gòu)的復合材料。

由圖1和圖2可以看出，通過本申請得到的復合材料中，碳纖維本身之間形成了化學鍵，同時碳纖維又與膠合劑之間形成穩(wěn)定的化學鍵，粘結(jié)在碳纖維表面的膠合劑與鋼之間也形成化學鍵且通過化學鍵結(jié)合形成極其復雜的珊瑚狀結(jié)構(gòu)。這樣的珊瑚狀結(jié)構(gòu)使得碳纖維與鋼的連接變得異常緊密，碳纖維的拔出力已經(jīng)遠遠高于碳纖維本身的抗拉強度。

下面通過將本發(fā)明得到的復合材料與單一方向拉直的碳纖維與鋼基質(zhì)的復合材料和彎曲碳纖維與鋼材的直接連接形成的復合材料來對比，詳細說明本申請所得到的復合材料的性能。為了方便形象理解本發(fā)明得到的復合材料的性能優(yōu)越性，這里將單一方向拉直的碳纖維與鋼基質(zhì)的復合材料中的碳纖維形狀簡化為圖4所示，將彎曲碳纖維與鋼材的直接連接形成的復合材料中的碳纖維形狀簡化為圖5所示，將本發(fā)明得到的復合材料中的碳纖維的形狀簡化為圖6所示。

從圖4可以看出，碳纖維跟鋼之間是簡單的物理連接，沒有化學界面。其相互咬合的作用力只存在范德華力(摩擦力)，故該圖4中的單一方向拉直的碳纖維與鋼基質(zhì)的復合材料中的碳纖維的拔出力非常小。意味著兩種材料之間的結(jié)合并不緊密，材料復合后的各項性能沒有太大的提高。

從圖5可以看出，雖然碳纖維與鋼之間仍然是簡單的物理連接，但與圖4相比，增加了接觸面的復雜彎曲程度，因此碳纖維的拔出力已有大幅度提高。

再分析圖6，該碳纖維呈復雜的彎曲狀。其與圖4和圖5所示的簡單物理連接相比，以10倍-100倍的幅度增大了連接強度。且混亂的碳纖維短纖增大了碳纖維與鋼基之間的界面面積，大幅增加了碳纖維能“抓取”成片金屬分子的體積，也使得碳纖維與鋼兩種主要材料之間的結(jié)合致密度發(fā)生了質(zhì)變。

本發(fā)明獲得的鋼基碳纖維復合材料可以作為建筑材料；工程材料；車輛用材料；航空設(shè)備用材料；耐熱、隔熱材料；磁屏蔽材料；耐銹蝕與氧化材料；化工設(shè)備材料；海用平臺材料以及船舶用材料等。可廣泛應用于船舶用骨架與船身；各類車輛底盤結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機缸體傳動結(jié)構(gòu)；葉片葉輪；反傾徹、反穿透裝甲；家電；機電工程；航天器與衛(wèi)星；加工設(shè)備與機床、鉆頭車刀；石油勘探與鉆井以及人造骨骼或醫(yī)用設(shè)備中。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但實施例并不限定本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，所做的任何等效變化或潤飾，同樣屬于本發(fā)明之保護范圍。因此本發(fā)明的保護范圍應當以本申請的權(quán)利要求所界定的內(nèi)容為標準。