[发明专利]一种高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺复合材料及其制备方法

说明书

本发明提出一种高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺复合材料及其制备方法。该复合材料包括增强体和树脂基体，所述增强体为高模量碳纤维，所述树脂基体为无机纳米粒子增强聚酰亚胺获得的高刚度聚酰亚胺。其中高模量碳纤维其拉伸模量优选大于350GPa。该制备方法首先制备高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺预浸料，然后进行铺层、固化、脱模，得到高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺复合材料。本发明通过选用耐高温聚酰亚胺树脂、无机纳米粒子及高模量碳纤维，组成纳米、微米杂化聚酰亚胺，获得了兼具高模和耐高温性能的复合材料。

技术领域

本发明涉及一种高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺复合材料及其制备方法，属于结构复合材料制造技术领域。

背景技术

聚酰亚胺由于具有突出的耐热性能、良好的力学性能和优异的介电性能，常作为碳纤维树脂基复合材料的基体树脂用于航空航天和汽车等领域。高强型碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料是目前应用较多的聚酰亚胺复合材料，如采用T300、T700、T800，然而其拉伸模量均低于300GPa导致由其制备的复合材料模量较低。

近年来随着航空航天技术飞速发展，对材料高模量的需求日益增加，如卫星的主承力筒、太阳翼基板等，如何通过复合材料结构设计及树脂基体的改性获得高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺复合材料是一个亟需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺复合材料及其制备方法。

本发明的技术解决方案：

一种高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺复合材料，包括增强体和树脂基体，所述增强体为高模量碳纤维，所述树脂基体为无机纳米粒子增强聚酰亚胺获得的高刚度聚酰亚胺。

本发明选择无机纳米粒子一方面是因为无机组分热分解温度高，另一方面是因为纳米粒子具有的纳米效应，在少量添加量的情况下可较为显著的提高材料的模量。

本发明的一种高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺复合材料，其无机纳米粒子增强聚酰亚胺获得的高刚度聚酰亚胺占复合材料的重量含量为35％～50％，该高刚度聚酰亚胺的组成按重量份数计，包括聚酰亚胺树脂低聚物80～99.9份，无机纳米粒子0.1～20份。

本发明采用的高模量碳纤维没有特殊的种类限制，其模量等级根据使用工况确定，通常其拉伸模量大于350GPa，可以选择M40J、M40X、M55J或者沥青碳纤维等。

本发明采用的聚酰亚胺种类为本领域常用的热固性聚酰亚胺树脂，可分为可溶型的完全亚胺化的聚酰亚胺如NPI-550，及PMR型的聚酰胺酸盐溶液树脂如KH304、KH450和KH500S等，本领域内相关人员可根据使用工况的耐温等级和复合材料制备的工艺路线确定。

本发明采用的无机纳米粒子为本领域常用的无机粒子，如纳米蒙脱土、纳米二氧化硅和纳米氧化钛粒子等。

一种制备上述高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺复合材料的方法，包括以下步骤：

第一步，利用无机纳米粒子、聚酰亚胺树脂和高模量碳纤维，制备高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺预浸料；

第二步，将高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺预浸料进行铺层、固化、脱模，得到高模碳纤维/高刚度聚酰亚胺复合材料。

进一步地，所述第一步包括：

A1.1、根据相应的工况和复合材料制备的工艺路线需求选择合适的聚酰亚胺树脂体系，如果是聚酰亚胺粉末则选择相应溶剂并通过机械搅拌制备含有聚酰亚胺均相溶液，如果是PMR型的聚酰胺酸盐溶液则从冷藏室中取出并倒入带有机械搅拌的容器中；