[发明专利]改进碳纤维与有机基质间的粘合性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及能够改进碳纤维与有机基质间的粘合性的方法，该有机基质与这些纤维形成复合材料并且从可固化树脂的链型聚合得到。

这一方法，可以获得那些具有同时在横向(即，垂直于碳纤维的方向)和纵向(即，在碳纤维的方向上)上抗应力的突出性能的复合材料，特别地在航空，航天，铁路，造船和汽车工业中是有用的，用于结构部件，发动机部件，机舱部件或机身部件的制造中。

然而，它还可以用于其它类型的工业如军火工业中，例如用于参与导弹或导弹发射管的构造的那些部件的制造，或用于运动和休闲制品的制造，例如用于水上运动和滑雪(glisse)运动的那些制品的制造。

现有技术的状况

复合材料是能够利用材料的优越机械性能的非均质材料，它的制造方法仅仅以纤维的形式(而不是以本体形式)为人们所熟悉，该纤维形式的方法通过将纤维包埋在固化的有机聚合物(或树脂)中，这能让纤维彼此粘结，确保应力分布在复合材料中，以及保护该纤维免受化学侵蚀。

高性能复合材料制造的必要条件是：在组成该复合材料的纤维和基质之间的粘结作用是良好的。这是因为，如果该纤维/基质粘结作用是不充分的，则获得中等的横向机械性能(如抗剪强度)的复合材料并且因此具有非常有限的使用可能性，由复合材料制成的部件一般用于在三向应力的状态下工作。

碳在化学上比较惰性的和天然地显示出与聚合物基质间的低粘合性。因此，碳纤维的制造厂家已经直接设法让他们的纤维适应于那些打算被复合材料制成的部件的制造厂家用作基质的树脂。

因此已经提出以下方法：

1)表面处理，它们都目的在于在纤维的表面上产生能够与由树脂携带的化学官能团反应的官能团；它们主要是电解处理或化学氧化处理(参见，例如JP-A-3076869[1])但其它类型的处理也有描述，如等离子体热处理(参见，例如EP-A-1 484 435[2])，在酸性或碱性介质中电解(EP-A-O640 702[3])还或Si或B型的原子的植入(JP-B-2002327374[4])；

2)使用特定的施胶剂-即通过在纤维的表面上沉积具有增强该纤维与树脂的相容性、促进纤维被树脂浸渍作用和保证在纤维和由这些树脂的聚合反应所形成的基质之间的“钩挂”作用的产品；一般而言，所使用的施胶剂是具有复杂化学结构的聚合物或共聚物，它们的选择主要由经验来指导的；和

3)在纤维的表面上接枝弹性体相(Wu et al.，Carbon，34，59-67，1996[5])或聚酯、乙烯基聚合物(尤其聚苯乙烯)或聚缩醛型(Tsubokawa，Carbon，31，1257-1263，1993[6])的聚合物类，在这里它们也能够增强纤维与树脂间的相容性。

应该指出的是，对于除了改进碳纤维与有机基质之间的粘结作用之外的其它目的也可以在碳纤维上使用施胶剂，例如为了促进纤维的操作(manipulation)性能。

一般而言，如果上述处理在由树脂的热聚合(即，由热诱导的聚合反应)所获得的基质的情况下是相对有效的，但是，发现当基质用树脂生产时这些处理不是有效的或不充分有效的，其中该树脂的聚合反应是由光辐射(可见光或紫外光)或电离辐射(β或γ辐射或X射线)所引发的。

这是因为经验表明，用由辐射进行聚合的树脂所获得的复合材料显示出明显比用由热途径聚合的树脂生产的更好复合材料的横向机械性能更差的横向机械性能，这通常解释为纤维/基质粘结作用仍然不足够，尽管由碳纤维的制造厂家对该碳纤维施加了各种处理。

然而，在辐射下树脂的聚合反应相对于由热途径的树脂聚合反应而言还具有许多优点，这些优点特别与没有高压釜的操作的可能性相关并且因此更容易制造大尺寸或结构复杂的复合部件并获得更高的聚合速率，这使得有可能以较低的成本实现更高的生产速率。

本发明人因此设定目标为提供一种方法，在由可固化树脂，且更具体地由能够由链型聚合反应固化的树脂在辐射下的聚合反应获得基质情况下，该方法能够改进碳纤维与聚合物基质之间的粘合性，这是因为在实践中能够在辐射下聚合的树脂是这样的树脂，它的聚合反应通过链机理来完成。

此外，他们还设定了目标：这一方法适用于最大可能数量类型的能够用于复合材料的制造中的碳纤维(长纤维，中等长度纤维，短纤维，氧化纤维，经施胶的纤维，等等)。

另外，他们还设定了目标：该方法的操作成本与其在工业规模上的使用相适应。

发明公开