[发明专利]碳纤维复合材料

说明书

本发明提出了一种碳纤维复合材料，其特征在于，利用碳纤维表面存在的缺陷和含氧官能团，有效启动TiO2薄膜生长的特性,首先引入四异丙醇钛,通过碳纤维表面上‑OH或‑COOH的活性基团的自限制化学反应在碳纤维表面形成‑OCH(CH3)2,并引入H2O与‑OCH(CH3)2反应形成单层TiO2薄膜和外露的‑OH,每个步骤之后通过氮气吹除剩余物质。

技术领域

本发明涉及碳纤维及其复合材料领域，特别是指一种碳纤维复合材料。

背景技术

炭/炭复合材料是一类以炭纤维为增强体,炭为基体的多功能、多用途的先进复合材料,在航空、航天、现代地面交通、高端机械制造、新能源等诸多战略性新兴产业中有着广泛应用,市场前景广阔。我国炭/炭复合材料及其装备工程技术产业化水平较低,特别是在高端产品、规模化生产能力和工程化装备领域落后于欧美发达国家,与国家重大工程和新型国民经济发展的需求不相符。并且,由于炭/炭复合材料涉及航空航天等高端技术领域,事关国家安全战略,美、英、法等发达国家禁止相关技术和装备出口。因此,组建“国家炭/炭复合材料工程技术研究中心”可有效整合行业优势工程技术,解决共性瓶颈关键技术问题,实现高端炭/炭复合材料产业化、高性能炭/炭复合材料低成本化和应用技术装备自主化,对提升国内炭/炭复合材料工程技术水平,打破国外技术封锁,服务国家重大科技专项工程具有积极意义。

国家炭/炭复合材料工程技术研究中心于2013年5月获批建设,组建以来,以高端炭/炭复合材料产业化和高性能炭/炭复合材料低成本化为核心,整合炭/炭复合材料领域优势科技资源,集成了材料设计、制备技术、工艺装备、质控检测和应用考核等关键技术,提升了工程中心的研发能力和水平,形成了具有自主知识产权的核心技术体系,具备了炭/炭复合材料工程技术研究和中试试验所需的基础条件。开发了高端材料及低成本制备技术,改进了制备工艺,形成了系列化的质量控制和检测技术标准。实现了“产学研用”成果转化和推广辐射,开展了国内、国际技术交流与合作,凝聚、培养了一批炭/炭复合材料行业的工程技术创新人才。

碳纤维由于具有独特的物理化学性能,广泛应用于航空航天、汽车、化工、基础设施、军事、体育、能源、纺织等各个领域。但是,碳纤维的类石墨结构使其表面呈化学惰性、界面能低、界面浸润性能和高温耐氧化性能差、缺乏具有较高反应活性的化学基团,这使得碳纤维与其它基体材料之间不能形成有效的界面耦合作用,界面强度下降,从而严重影响其力学性能。另外,与染料分子间低的化学键合作用,使其难以染色,从而导致所开发的碳纤维制品色调过于单一,难以满足消费者的时尚化需求。

现有的实现碳纤维织物着色的方法有:织入约50％的可染色纱线,如玻璃纤维、涤纶、铜、芳纶等,但碳纤维织物的机械性能也会相应地下降；苹果公司公布的一项专利US7790637B2通过增加一个附加的“罩层(scrim)”来改变碳纤维织物的外观颜色。曼彻斯特大学在不久前开发出一种新的电致变色树脂,可用作碳纤维预浸料,使其在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化。

尽管如此,在保持碳纤维织物高机械性能的同时实现其直接着色仍然是科学家需要攻克的难题。近日,我国湖北大学王世敏教授和武汉纺织大学徐卫林教授等指导的研究团队研究出一种有效、易操作的碳纤维织物着色方法,不仅颜色可调,还具有优良的耐洗涤性能。这项研究已经发表在国际材料科学领域顶级期刊《ACS Nano》上(Facile andEffective Coloration of Dye-Inert Carbon Fiber Fabrics with Tunable Colorsand Excellent Laundering Durability)。据介绍,该研究主要从仿生结构生色的思路出发,采用ALD(原子层沉积)技术在碳纤维/织物表面构建尺度各异的非晶Ti O2薄膜,实现了碳纤维及其织物的着色。