本發(fā)明涉及碳纖維復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

碳纖維復(fù)合材料通常具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，目前作為結(jié)構(gòu)件或功能件已廣泛應(yīng)用在航空航天、交通運(yùn)輸、化工防腐、建筑工程、風(fēng)電葉片等各個領(lǐng)域。

目前碳纖維復(fù)合材料的成型方法主要為預(yù)浸料的熱壓罐方法，該方法成本高、成型效率低，且制品尺寸嚴(yán)重受到熱壓罐尺寸制約，在民用領(lǐng)域難以推廣應(yīng)用，這無疑制約了碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用。近年來隨著低成本的要求，碳纖維復(fù)合材料成型也逐漸向一些新的工藝方向探索。傳統(tǒng)真空灌注工藝是復(fù)合材料特別是玻璃纖維復(fù)合材料的主要低成本成型工藝，適于大尺寸復(fù)合材料制品的成型，但還不能滿足高質(zhì)量碳纖維復(fù)合材料成型。這主要是由于相比玻璃纖維，碳纖維單絲直徑更小，真空壓實(shí)后碳纖維體內(nèi)空隙遠(yuǎn)小于玻璃纖維體，所以浸漬困難，耗時，浸漬質(zhì)量和效果均普遍不佳，很難滿足大尺寸、大厚度的碳纖維復(fù)合材料成型要求。

為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量碳纖維復(fù)合材料的真空灌注，國內(nèi)一些機(jī)構(gòu)做了相關(guān)研究，主要是針對碳纖維真空灌注工藝或織物結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，但效果及通用性均不太理想。如cn103182784a專利公開了一種方法，通過在碳纖維預(yù)制體側(cè)邊側(cè)面增加形狀一致的貼邊且對真空灌注工藝細(xì)節(jié)進(jìn)行微調(diào)的方法，保證產(chǎn)品鋪放定位精度和灌注質(zhì)量。但如果用該方法成型不同形狀產(chǎn)品，需要制作不同形狀的貼邊，操作繁瑣、且浪費(fèi)，同時增加的貼邊也會影響后續(xù)碳纖維織物與貼邊間的灌注質(zhì)量。還有cn102582092b專利公開了一種通過在脫模布上表面鋪設(shè)剛性多孔平板的方法改進(jìn)傳統(tǒng)真空灌注工藝，但如果使用該方法，由于成型的碳纖維制品尺寸和形狀不同，需要制作不同尺寸和形狀的剛性多孔平板，會造成浪費(fèi)；且由于多孔平板的引入，在真空灌注時，由于多孔和負(fù)壓的存在，會使所有孔處織物發(fā)生凸起變形，影響后續(xù)產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

此外，3tex等公司嘗試從改變織物結(jié)構(gòu)形式方面改進(jìn)真空灌注的浸潤效果，開發(fā)碳纖維/玻璃纖維混雜三軸向織物，來代替全碳纖維織物結(jié)構(gòu)。此方法雖然容易灌注，但是織物編織麻煩，成本高，且由于織物結(jié)構(gòu)和纖維比例等約束及影響，壓縮強(qiáng)度等復(fù)合材料性能也受到不小限制，滿足不了一些行業(yè)對于高性能碳纖維復(fù)合材料制品的需求。

由此可見，上述現(xiàn)有的碳纖維復(fù)合材料及其制備方法在使用上顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進(jìn)一步改進(jìn)。因此開發(fā)一種適用范圍廣、通用性強(qiáng)、高性能碳纖維復(fù)合材料成為研究熱點(diǎn)，該研究可滿足其在交通運(yùn)輸、能源等民用領(lǐng)域推廣和應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、通用性強(qiáng)、性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料，克服現(xiàn)有的碳纖維復(fù)合材料存在的不足。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種碳纖維復(fù)合材料，包括碳纖維織物層和碳纖維預(yù)浸料層，所述碳纖維預(yù)浸料層以對稱形式穿插于若干所述碳纖維織物層中。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述碳纖維織物層采用碳纖維平紋織物、碳纖維斜紋織物、碳纖維緞紋織物、碳纖維單軸向織物和碳纖維多軸向織物中的一種或多種。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述碳纖維預(yù)浸料層采用碳纖維平紋織物預(yù)浸料、碳纖維斜紋織物預(yù)浸料、碳纖維緞紋織物預(yù)浸料和碳纖維單向預(yù)浸料中的一種或多種；

且所述碳纖維預(yù)浸料層中預(yù)浸料的樹脂質(zhì)量含量占比為30～45％。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述碳纖維預(yù)浸料層與所述碳纖維織物層的鋪設(shè)方式為：單層間形式交替鋪設(shè)、多層間形式交替鋪設(shè)，或者中間為多層所述碳纖維織物層、所述碳纖維預(yù)浸料層以對稱和多層的形式鋪設(shè)在所述多層碳纖維織物層的兩側(cè)；

其中，所述碳纖維預(yù)浸料層中碳纖維預(yù)浸料的層數(shù)與所述碳纖維織物層中的碳纖維織物的層數(shù)比為1:0.1～10。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述碳纖維預(yù)浸料層和碳纖維織物層的鋪設(shè)角度為0°、+30°、-30°、+45°、-45°、+60°、-60°或90°。

進(jìn)一步改進(jìn)，鋪設(shè)好的所述碳纖維織物層和碳纖維預(yù)浸料層通過真空灌注工藝導(dǎo)入灌注樹脂體系形成所述碳纖維復(fù)合材料，所述碳纖維復(fù)合材料的厚度為2～200mm，所述碳纖維復(fù)合材料的樹脂質(zhì)量含量占比為25-35％。

本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題是提供一種灌注速度快、浸潤質(zhì)量優(yōu)及孔隙率低的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，使其制得力學(xué)性能優(yōu)異、通用性強(qiáng)、成本低的碳纖維復(fù)合材料，克服現(xiàn)有的碳纖維復(fù)合材料制備方法的不足。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種碳纖維復(fù)合材料的制備方法，所述方法包括：

(1)在真空灌注模具中按照預(yù)設(shè)的鋪設(shè)方式，將碳纖維預(yù)浸料層和碳纖維織物層以層疊式結(jié)構(gòu)鋪好，其中，所述碳纖維預(yù)浸料層以對稱形式穿插于若干所述碳纖維織物層中；

(2)采用真空灌注工藝將真空灌注用樹脂體系灌注到步驟(1)得到的碳纖維復(fù)合鋪層的層疊式結(jié)構(gòu)中，固化、冷卻、脫模即得所述碳纖維復(fù)合材料。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述碳纖維織物層采用碳纖維平紋織物、碳纖維斜紋織物、碳纖維緞紋織物、碳纖維單軸向織物和碳纖維多軸向織物中的一種或多種；

所述碳纖維預(yù)浸料層采用碳纖維平紋織物預(yù)浸料、碳纖維斜紋織物預(yù)浸料、碳纖維緞紋織物預(yù)浸料和碳纖維單向預(yù)浸料中的一種或多種。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述碳纖維預(yù)浸料層與所述碳纖維織物層的鋪設(shè)方式為：單層間形式交替鋪設(shè)、多層間形式交替鋪設(shè)，或者中間為多層所述碳纖維織物層、所述碳纖維預(yù)浸料層以對稱和多層的形式鋪設(shè)在所述多層碳纖維織物層的兩側(cè)；

其中，所述碳纖維預(yù)浸料層中碳纖維預(yù)浸料的層數(shù)與所述碳纖維織物層中的碳纖維織物層的層數(shù)比為1:0.1～10。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述碳纖維預(yù)浸料層和碳纖維織物層的鋪設(shè)角度為0°、+30°、-30°、+45°、-45°、+60°、-60°或90°。

采用這樣的設(shè)計(jì)后，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料通過在鋪層結(jié)構(gòu)中引入具有一定粘度的碳纖維預(yù)浸料，無需外部其它輔助工具就可有效保證鋪層鋪放的定位精度，使鋪層不移位，保證了最終產(chǎn)品的形狀，且操作簡單、適合厚尺寸、形狀復(fù)雜的碳纖維復(fù)合材料的制備。

2)本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料的制備方法由于采用碳纖維預(yù)浸料與碳纖維織物層疊式鋪設(shè)方法，使該碳纖維復(fù)合鋪層較之碳纖維織物鋪層在真空壓實(shí)后整體空隙較大，還由于預(yù)浸料中存在樹脂體系，可有效提高灌注速度和灌注質(zhì)量，可解決單一碳纖維織物灌注易發(fā)生的浸潤不良問題及單一碳纖維預(yù)浸料由于氣體不能及時有效排出所導(dǎo)致的高孔隙率問題，本方法適合制備大尺寸、大厚度、形狀復(fù)雜的碳纖維復(fù)合材料制品。

3)本發(fā)明所制備的碳纖維復(fù)合材料可以通過碳纖維織物與碳纖維預(yù)浸料夾設(shè)方式及角度的變化調(diào)節(jié)灌注速度及復(fù)合材料力學(xué)性能，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。

4)本發(fā)明通過使用傳統(tǒng)真空灌注工藝即可完成高質(zhì)量碳纖維產(chǎn)品成型，產(chǎn)品孔隙率較常規(guī)方法孔隙率最大可降低40％左右，具有通用性強(qiáng)、易操作等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明適于在交通運(yùn)輸、能源等民用領(lǐng)域推廣和應(yīng)用。

附圖說明

上述僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1是本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料，包括碳纖維織物層和碳纖維預(yù)浸料層，所述碳纖維預(yù)浸料層以對稱形式穿插于若干所述碳纖維織物層中。

具體的，該碳纖維織物層采用碳纖維平紋織物、碳纖維斜紋織物、碳纖維緞紋織物、碳纖維單軸向織物和碳纖維多軸向織物中的一種或多種。該碳纖維預(yù)浸料層采用碳纖維平紋織物預(yù)浸料、碳纖維斜紋織物預(yù)浸料、碳纖維緞紋織物預(yù)浸料和碳纖維單向預(yù)浸料中的一種或多種；且該碳纖維預(yù)浸料層中預(yù)浸料的樹脂質(zhì)量含量占比為30～45％。

該碳纖維預(yù)浸料層與該碳纖維織物層的鋪設(shè)方式可以為：單層間形式交替鋪設(shè)、多層間形式交替鋪設(shè)，或者中間為多層該碳纖維織物層、該碳纖維預(yù)浸料層以對稱和多層的形式鋪設(shè)在該多層碳纖維織物層的兩側(cè)；其中，該碳纖維預(yù)浸料層中碳纖維預(yù)浸料的層數(shù)與該碳纖維織物層中的碳纖維織物的層數(shù)比為1:0.1～10。

該碳纖維預(yù)浸料層和碳纖維織物層的鋪設(shè)角度可以為0°、+30°、-30°、+45°、-45°、+60°、-60°、90°等任意鋪設(shè)角度或其組合，當(dāng)然鋪設(shè)角度還可以根據(jù)具體產(chǎn)品的強(qiáng)度要求進(jìn)行調(diào)整。

該碳纖維復(fù)合材料的厚度可根據(jù)產(chǎn)品厚度要求進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)選厚度為2-200mm，該碳纖維復(fù)合材料可作為功能件使用也可以作為結(jié)構(gòu)件應(yīng)用。

上述碳纖維復(fù)合材料的制備方法包括如下步驟：

(1)在真空灌注模具中按照預(yù)設(shè)的鋪設(shè)方式，將碳纖維預(yù)浸料層和碳纖維織物層以層疊式結(jié)構(gòu)鋪好，鋪層時要用輥?zhàn)愉伷剑ＷC層與層之間鋪設(shè)平整及均勻。

其中，該碳纖維預(yù)浸料層以對稱形式穿插于若干該碳纖維織物層中；

該碳纖維織物層采用碳纖維平紋織物、碳纖維斜紋織物、碳纖維緞紋織物、碳纖維單軸向織物和碳纖維多軸向織物中的一種或多種；

該碳纖維預(yù)浸料層采用碳纖維平紋織物預(yù)浸料、碳纖維斜紋織物預(yù)浸料、碳纖維緞紋織物預(yù)浸料和碳纖維單向預(yù)浸料中的一種或多種。

該碳纖維預(yù)浸料層與該碳纖維織物層的鋪設(shè)方式為：單層間形式交替鋪設(shè)、多層間形式交替鋪設(shè)，或者中間為多層該碳纖維織物層、該碳纖維預(yù)浸料層以對稱和多層的形式鋪設(shè)在該多層碳纖維織物層的兩側(cè)；該碳纖維預(yù)浸料層中碳纖維預(yù)浸料的層數(shù)與該碳纖維織物層中的碳纖維織物層的層數(shù)比為1:0.1～10。

該碳纖維預(yù)浸料層和碳纖維織物層的鋪設(shè)角度為0°、+30°、-30°、+45°、-45°、+60°、-60°或90°。

(2)采用真空灌注工藝將真空灌注用樹脂體系灌注到步驟(1)得到的碳纖維復(fù)合鋪層的層疊式結(jié)構(gòu)中，固化、冷卻、脫模即得該碳纖維復(fù)合材料。

具體的，樹脂體系可選用真空灌注工藝用樹脂體系，即樹脂體系粘度﹤300mpa·s，優(yōu)選市場上通用的真空灌注用環(huán)氧樹脂體系，尤其優(yōu)選和碳纖維預(yù)浸料樹脂體系相似或固化溫度近似的樹脂體系；

其中，傳統(tǒng)真空灌注成型工藝步驟具體包括：

a、采用導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布、單層或雙層真空袋膜、密封膠帶等工藝所需輔材，將上述碳纖維復(fù)合鋪層結(jié)構(gòu)密封，同時設(shè)置好進(jìn)膠口和抽氣口；

b、碳纖維復(fù)合鋪層結(jié)構(gòu)在35-60℃下預(yù)熱0.5-1h，在真空負(fù)壓下將環(huán)氧樹脂或其他真空灌注用樹脂體系灌注到該碳纖維復(fù)合鋪層結(jié)構(gòu)中；

c、按樹脂體系固化溫度70-110℃固化5-10h后，冷卻到45℃左右即可脫模。

所得碳纖維復(fù)合材料中樹脂質(zhì)量含量占比為25-35％。

本發(fā)明提供了一種可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、通用性強(qiáng)、性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料及其制備方法，該方法通過對碳纖維復(fù)合鋪層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，不僅提高了產(chǎn)品的精確定位，且提高了后續(xù)真空灌注過程中的灌注速度和質(zhì)量，簡單易行，操作方便，解決了傳統(tǒng)真空灌注工藝在碳纖維復(fù)合材料制備上效果不理想問題。

以下通過具體實(shí)例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不構(gòu)成對本專利的限制或約束。

本實(shí)施例中原材料來源：

真空灌注環(huán)氧樹脂體系:瀚森rim145樹脂體系；

碳纖維織物及碳纖維預(yù)浸料:航天長征睿特科技有限公司；

實(shí)施例1：

1)按照傳統(tǒng)真空灌注工藝要求清理及處理模具、鋪設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布等輔材；

2)從模具底部按以下鋪層方式向上鋪設(shè)，得到碳纖維復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)：將單向碳纖維預(yù)浸料單層設(shè)為a，碳纖維單軸織物單層設(shè)為b；以對稱方式將該碳纖維預(yù)浸料鋪層穿插于該碳纖維單軸織物中鋪放，如附圖1所示，此實(shí)施例1按b/a/b/a/a/b/a/b，鋪設(shè)角度為[(0)/0/(0)/0]s；每鋪一層，用輥?zhàn)訉亴愉伷剑槐ＷC層與層之間鋪設(shè)平整及均勻，保證a層與b層間粘貼平整及定位精確。

3)按照傳統(tǒng)真空灌注工藝將上述碳纖維復(fù)合鋪層結(jié)構(gòu)密封，同時設(shè)置好進(jìn)膠口和抽氣口；碳纖維復(fù)合鋪層在60℃下預(yù)熱0.5h；在真空負(fù)壓下將真空灌注用環(huán)氧樹脂體系灌注到碳纖維復(fù)合鋪層結(jié)構(gòu)中；

4)然后按樹脂體系固化制度進(jìn)行固化：即灌注完成后，以10℃/小時的升溫速率進(jìn)行升溫，80℃固化2小時，110℃固化5h后，冷卻到45℃左右后脫模，即得到本發(fā)明的碳纖維復(fù)合鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。該復(fù)合材料樹脂質(zhì)量含量32％，復(fù)合材料孔隙率為1.0％，較常規(guī)方法孔隙率低41％。

實(shí)施例2：

1)按照傳統(tǒng)真空灌注工藝要求清理及處理模具、鋪設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布等輔材；

2)從模具底部按以下鋪層方式向上鋪設(shè)，得到碳纖維復(fù)合鋪層結(jié)構(gòu)：碳纖維斜紋織物預(yù)浸料單層設(shè)為c，碳纖維斜紋織物單層設(shè)為d；以對稱方式將該碳纖維預(yù)浸料鋪層穿插于該碳纖維斜紋織物中鋪放，如附圖2所示，此實(shí)例按2d/2c/2c/2d鋪設(shè)角度為[(0)2/(45)2/(45)2/(0)2]；每鋪一層，用輥?zhàn)訉亴愉伷?；保證層與層之間鋪設(shè)平整及均勻，保證c層與d層間粘貼平整及定位精確。

3)重復(fù)實(shí)施例1中的3)、4)步驟，即得到碳纖維復(fù)合材料。該復(fù)合材料樹脂質(zhì)量含量為33％。復(fù)合材料孔隙率為1.1％，較常規(guī)方法孔隙率低35％。

實(shí)施例3：

1)按照傳統(tǒng)真空灌注工藝要求清理及處理模具、鋪設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布等輔材；

2)從模具底部按以下鋪層方式向上鋪設(shè)，得到碳纖維復(fù)合鋪層結(jié)構(gòu)：單向碳纖維預(yù)浸料單層設(shè)為a，碳纖維±45°雙軸織物單層設(shè)為e；以對稱方式將該碳纖維預(yù)浸料鋪層穿插于該碳纖維±45°雙軸織物中鋪放，如附圖3所示，此實(shí)例按2a/e/2a/e/e/2a/e/2a鋪設(shè)角度為[02/(+45,-45)/02/(+45,-45)]s；每鋪一層，用輥?zhàn)訉亴愉伷?；保證層與層之間鋪設(shè)平整及均勻，保證a層與e層間粘貼平整及定位精確。

3)重復(fù)實(shí)施例1中的3)、4)步驟，即得到本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料。該復(fù)合材料樹脂質(zhì)量含量為33％。復(fù)合材料孔隙率為1.2％，較常規(guī)方法孔隙率低30％。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。