一种超高强度复合材料及其制备工艺的制作方法

本技术涉及机床用高分子复合材料，尤其是涉及一种超高强度复合材料及其制备工艺。

背景技术：

1、机床被称为工业之母，是装备制造业的基础设备，是先进制造技术的载体和装备工业的基本生产手段。机床所应用的关键发展领域包括汽车、军工、农机、工程机械、电力设备、铁路机车、船舶等等行业领域。当前，机床的床身、底座等基础部件主要以铸铁件或钢材焊接结构为主，不仅机床整体质量偏重，不便于运输和安装，而且其生产以钢制件为主，能源消耗偏大，不说也存在着高碳排放和高环境污染的问题，不符合可持续发展和绿色环保要求严重，此外，常规的机床用钢构件的抗压强度低于250mpa，也逐渐无法满足机床的抗振动、抗蠕变的要求，制约机床的加工精度的发展。为此，本技术提供了一种超高强度复合材料及其制备工艺。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中的机床用常规钢构件生产存在的能源消耗偏大，不说也存在着高碳排放和高环境污染的问题和抗压强度低于250mpa，也逐渐无法满足机床的抗振动、抗蠕变的要求，制约机床的加工精度的发展的问题，本技术提供了一种超高强度复合材料及其制备工艺，研发超高强度复合材料替代常规钢构件用于机床的床身、底座等基础部件。

2、本技术提供的一种超高强度复合材料，是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种超高强度复合材料主要是由改性环氧树脂组合物、环氧固化剂、细骨料、粗骨料、填料组合物制成；所述改性环氧树脂组合物、环氧固化剂的总质量与所述细骨料、粗骨料、填料组合物的总质量之比控制在(38-44):(56-62)；所述细骨料、粗骨料、填料组合物之间的质量之比控制在(80-120):100:(20-50)；所述细骨料为粒度≤5.0mm的iso标准砂或石英砂；所述粗骨料为粒度在5-12mm之间的玄武岩碎石；所述环氧固化剂为异氰尿酸三缩水甘油酯tgic、ε-己内酰胺封闭异佛尔酮二异氰酸酯、顺酐、苯酐中至少一种。

4、本技术具有能够满足机床床身及底座类零件对材料的各项物理性能要求，具有轻质高强、吸波减震、良好的耐磨性、耐候性、耐腐蚀性且绿色环保的优良特性。

5、优选的，所述改性环氧树脂组合物、环氧固化剂的总质量与所述细骨料、粗骨料、填料组合物的总质量之比控制在40:60；所述细骨料、粗骨料、填料组合物之间的质量之比控制在120:100:(35-45)。

6、本技术中通过控制原材料的配比改善整体的物化性能，同时便于进行工业化批量生产，对同批次产品质量进行调控，降低生产成本，提升整体的经济效益。

7、优选的，所述填料组合物包括碳纤维短纤、玻纤短纤、球形氧化铝粉、球形氮化硅粉、纳米氧化锆粉、球形二氧化硅微粉、氮化硅晶须、氧化锌晶须、钛酸钾晶须中的至少一种。

8、优选的，所述填料组合物是由碳纤维短纤、球形氧化铝粉、球形二氧化硅微粉、氧化锌晶须、钛酸钾晶须组成；所述碳纤维短纤占填料组合物质量的20-45wt％；所述球形氧化铝粉占填料组合物质量的5-35wt％；所述球形二氧化硅微粉占填料组合物质量的5-25wt％；所述氧化锌晶须填料占填料组合物质量的3-10wt％；所述钛酸钾晶须占填料组合物质量的3-10wt％。

9、本技术中的碳纤维短纤不仅可改善整体的抗压强度和抗拉强度，而且可有效改善整体的耐候性、抗蠕变性能、抗热变形性能，使得所制备的机床用复合材料更好的满足机床床身及底座类零件对材料的各项物理性能要求。

10、本技术中的球形氧化铝粉、球形二氧化硅微粉不仅可起到赋予本技术良好的耐磨性能、耐腐蚀性能。耐高温性能，同时便于提升混合料的流动性能，改善整体的加工性能，进而可提升填料的添加占比，获得相对更好的经济效益。

11、本技术中的氧化锌晶须不仅可改善整体的耐老化性能和耐热性能，而且可提升整体的力学强度，起到增韧补强的作用，此外其高密度的特性，赋予了本技术优良的吸波减震性能，更好的满足机床床身及底座类零件对材料的各项物理性能要求。

12、本技术中的钛酸钾晶须起到改善耐热性和耐酸碱腐蚀性的作用，同时可有效改善整体的抗压强度，使得所制备的机床用复合材料具有优异的抗压强度，适用于机床底座材料。

13、本技术中的碳纤维短纤、球形氧化铝粉、球形二氧化硅微粉、氧化锌晶须、钛酸钾晶须组成的填料组合物赋予本技术轻质高强、吸波减震、良好的耐磨性、耐候性、耐腐蚀性且绿色环保的优良特性同时经济效益更佳，更好的满足机床床身及底座类零件对材料的各项物理性能要求。

14、优选的，所述填料组合物是由碳纤维短纤、球形氧化铝粉、球形二氧化硅微粉、氧化锌晶须、钛酸钾晶须以质量比40:25:20:8:7组成。

15、通过采用上述技术方案，可进一步保证本技术的具有轻质高强、吸波减震、良好的耐磨性、耐候性、耐腐蚀性且绿色环保的优良特性，更好的满足机床床身及底座类零件对材料的各项物理性能要求。

16、优选的，所述碳纤维短纤的制备方法，包括以下步骤：

17、s1，对碳纤维长丝进行表面清洗处理；

18、s2，s1中的碳纤维长丝置于0.8-1.6wt％的硝酸盐或者硫酸盐溶液中进行电化学氧化处理，s1中的碳纤维长丝做阳极，碳棒作为阴极，电压4.8-5.4v，时间240-320s，冲洗、烘干；

19、s3，s2中的碳纤维长丝置于0.8-3.2wt％的电聚合物水溶液中进行电化学聚合处理，聚合电压为4.0-4.5v，时间50-120s，冲洗、烘干，裁切得长度0.5-6.4mm半成品碳纤维短纤；

20、s4，将半成品碳纤维短纤置于0.8-3.0wt％的γ-缩水甘油醚氧丙基三乙氧基硅烷水溶液中进行超声分散处理20-60min，沥干后置于60-75℃下烘干，即得成品碳纤维短纤。

21、本技术中所制备的碳纤维短纤与环氧树脂基体具有良好的相容性可有效改善所制备的机床用复合材料的物化性能，更好的满足机床床身及底座类零件对材料的各项物理性能要求。此外，本技术中提供的碳纤维短纤的制备方法相对简单，便于实现工业化生产制造的目的。

22、优选的，所述改性环氧树脂组合物是由氟硅改性环氧树脂e44、双酚a环氧树脂、耐高温改性聚酯多元醇、四溴二酚基丙烷型环氧树脂以质量比(8-20):(50-85):(15-30):(8-15)组成；所述氟硅改性环氧树脂e44主要是由含氟丙烯酸酯树脂、甲基丙烯酰氧基硅烷、双酚a环氧树脂e44制成；所述耐高温改性聚酯多元醇主要是由1，3，5-三(3-异氰酸根甲基苯基)-1，3，5-三嗪-2，4，6(1h，2h，5h)-三酮、芳香族二酸、马来酸酐、二元醇、甲基丙烯酯类活性稀释剂制成。

23、本技术中氟硅改性环氧树脂e44的引入可有效改善整体的耐腐性能、耐热性能、耐污性能、耐候性能，提升机床用复合材料的使用稳定性和使用寿命。本技术中耐高温改性聚酯多元醇的引入赋予本技术更好的耐热性能、耐化学品性能、绝缘性能，降低机床加工时化学滴溅腐蚀的概率，可更好提升机床用复合材料的使用稳定性和使用寿命。四溴二酚基丙烷型环氧树脂的主要是为了改善机床用复合材料的抗热变形性能，提升机床加工的精确性。

24、本技术中通过试验调控氟硅改性环氧树脂e44、双酚a环氧树脂、耐高温改性聚酯多元醇、四溴二酚基丙烷型环氧树脂的质量比形成的改性环氧树脂组合物与细骨料、粗骨料、填料组合物的配伍性相对较好，可保证所制备的机床用复合材料的物化性能，更好的满足机床床身及底座类零件对材料的各项物理性能要求。

25、优选的，所述氟硅改性环氧树脂e44主要是由甲基丙烯酸五氟苯酯、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、双酚a环氧树脂e44制成；所述耐高温改性聚酯多元醇主要是由1，3，5-三(3-异氰酸根甲基苯基)-1，3，5-三嗪-2，4，6(1h，2h，5h)-三酮、对苯二甲酸、马来酸酐、1，6-己二醇、2，3，5，6-四氟对苯二甲醇、3-(全氟己基)丙基丙烯酸酯、甲基丙烯酰氧基硅烷制成。

26、本技术中由甲基丙烯酸五氟苯酯、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、双酚a环氧树脂e44制成氟硅改性环氧树脂e44不仅赋予了本技术良好的耐腐性能、耐污性能、耐候性能，而且甲基丙烯酸五氟苯酯中进入苯环和氟元素可更进一步改善整体的抗蠕变性能、抗热变形性能、耐热性能，提升整体的抗压强度，更好的满足机床床身及底座类零件对材料的各项物理性能要求。

27、本技术中高温改性聚酯多元醇中1，3，5-三(3-异氰酸根甲基苯基)-1，3，5-三嗪-2，4，6(1h，2h，5h)-三酮是多苯环结构保证本技术具有良好的抗蠕变性能、抗热变形性能、耐热性能、抗压强度；1，6-己二醇、2，3，5，6-四氟对苯二甲醇复配形成的二元醇和3-(全氟己基)丙基丙烯酸酯、甲基丙烯酰氧基硅烷复配形成的甲基丙烯酯类活性稀释剂，其为高分子链段中引入更多的苯环结构和氟元素、硅元素，可进一步提升整体的抗热变形性能、耐热性能和抗压强度，更好的满足机床床身及底座类零件对材料的各项物理性能要求。

28、优选的，所述粗骨料为粒度在5-12mm之间的玄武岩碎石集料，所述玄武岩碎石集料中粒度在5-6mm之间的玄武岩碎石占粗骨料总质量的20-40％；所述玄武岩碎石集料中粒度在6-7mm之间的玄武岩碎石占粗骨料总质量的20-30％；所述玄武岩碎石集料中粒度在7-8mm之间的玄武岩碎石占粗骨料总质量的15-30％；所述玄武岩碎石集料中粒度在8-10mm之间的玄武岩碎石占粗骨料总质量的10-20％；所述玄武岩碎石集料中粒度在10-12mm之间的玄武岩碎石占粗骨料总质量的10-20％；所述粗骨料的制备方法如下；对玄武岩进行破碎会进行分级筛分得粒度在5-6mm之间的玄武岩碎石、6-7mm之间的玄武岩碎石、7-8mm之间的玄武岩碎石、8-10mm之间的玄武岩碎石、10-12mm之间的玄武岩碎石，然后按配比混合均匀得半成品玄武岩碎石集料；最后将所得玄武岩碎石集料于0.8-3.0wt％的环氧硅烷水溶液中进行超声分散处理30-60min，沥干后置于60-100℃下烘干，即得成品玄武岩碎石集料。

29、本技术中的玄武岩碎石集料与改性环氧树脂组合物具有较好的配伍性、相容性，可进步改善所制备的机床用复合材料的物化性能，提升其使用稳定性和使用寿命，更好的满足机床床身及底座类零件对材料的各项物理性能要求。

30、第二方面，本技术提供的一种超高强度复合材料的制备方法，是通过以下技术方案得以实现的：

31、一种超高强度复合材料的制备方法，包括以下步骤：

32、步骤一，原材料的制备：改性环氧树脂组合物、细骨料、粗骨料、填料组合物的制备；

33、步骤二、向改性环氧树脂组合物中依次加入填料组合物、细骨料、粗骨料，以120-240rpm预混合5-10min后加入消泡剂，所述消泡剂占混合物总质量的0.2-0.8％，以120-240rpm混合60-180min，抽真空消泡，得成品混合物料；

34、步骤三、向成品混合物料中加入环氧固化剂混合均匀后采用真空挤出机挤出得挤出物；

35、步骤四，将步骤三中所制得挤出物加入模具中震动填实后，静置、固化、脱模，得成品超高强度复合材料。

36、本技术的制备方法相对简单，操作难度较低，便于实现工业化生产。

37、综上所述，本技术具有以下优点：

38、1、本技术具有能够满足机床床身及底座类零件对材料的各项物理性能要求，具有轻质高强、吸波减震、良好的耐磨性、耐候性、耐腐蚀性且绿色环保的优良特性。

39、2、本技术的制备方法相对简单，操作难度较低，便于实现工业化生产。