一种高导热高强度芳纶碳纤维复合材料及其应用的制作方法

1.本发明涉及碳纤维复合技术领域，具体涉及一种高导热高强度芳纶碳纤维复合材料及其应用。


背景技术：

2.电动推杆是近几年发展迅速的新型直线驱动，集成了伺服电机、减速箱、螺杆、螺母、缸体、缸杆和位移传感器等结构，伺服电机经减速箱减速后，带动缸体与缸杆中的丝杆螺母，能把电机的旋转运动变成缸杆的直线往复运动，具备体积小、精度高、速度快、可自锁、控制简单、使用过程环保、维护成本低等优点。由于电动推杆需要完成转动、摇动等复杂动作，因此其缸体、缸杆等传动部件尤其需要使用高性能材料。
3.碳纤维材料因具有轻质，高比强度，耐高温，耐腐蚀等优势，在交通领域、能源领域、工业生产、农业领域发挥重要的作用。例如高铁运输中轻量化可以减少列车行驶过程中对轨道的损伤和能耗；无独有偶，空中客车波音飞机的轻量化极大程度地降低了能耗。可以说碳纤维材料极大地推进了工业的发展，由于因此碳纤维复合材料
4.是综合评价最好的用于电动推杆缸体和缸杆材料的选择。但是目前生产碳纤维材料的成本较高，且现有的碳纤维材料脆性较大，需要进一步依靠材料复合来实现高强度和韧性的平衡。
5.芳纶材料断裂伸长率高，强度大，模量高，并且具有优异的热稳定性，阻燃性和绝缘性，能很好的弥补碳纤维复合材料在韧性方面的需求。中国发明专利申请201910603007.5公开了一种高纤维碳纤维和芳纶的复合技术，兼顾了强度和韧性之间的平衡。然而由于电动推杆所在部位具有高强度的机械摩擦和较高的热效应，在完成机械做功的同时会产生较大的局部热岛，该材料无法克服导热差的问题。


技术实现要素：

6.发明目的：针对现有技术的问题，本发明在基体树脂中掺入改性碳纤维等材料来调节复合材料的导热性能，同时对复合材料的强度有更好的改善，据此提供了一种高导热高强度芳纶碳纤维复合材料，可以满足其应用于电动推杆中缸体、缸杆等传动部件实际应用时的需求。
7.本发明的技术方案：
8.一种高导热高强度芳纶碳纤维复合材料，按重量份计，包含：
9.基体树脂80-100份；
10.改性碳纤维10～30份；
11.改性芳纶纤维5～15份；
12.改性氮化硼5～15份；
13.硅烷偶联剂1～10份。
14.进一步地，所述基体树脂为热塑性树脂或热固性树脂，所述热塑性树脂选自尼龙、
聚醚醚酮、聚芳硫醚、聚醚酰亚胺及聚丙烯中的一种或更多种；所述热固性树脂选自环氧树脂、马来酰亚胺树脂及不饱和聚酯中的一种或更多种。
15.进一步地，所述改性碳纤维的制备方法如下：
16.(1)将碳纤维在强酸性条件下超声处理10-30min，过滤，备用；
17.(2)将步骤(1)处理过的碳纤维与与氯化钯溶液、氯化亚锡溶液及浓盐酸混合进行活化，活化温度为20-30℃，活化时间为1-10min，活化完毕后用清水冲洗并烘干，备用；
18.(3)将步骤(2)活化的碳纤维浸没到金属沉积液中进行金属沉积，完成后进行水洗、烘干即可；
19.所述碳纤维原料的直径为2～100nm，长度在2mm以上。进一步地，步骤 (1)中所述强酸性条件为将碳纤维置于足量的浓硫酸或浓硝酸中。
20.进一步地，所述改性芳纶纤维的制备方法如下：
21.(1)将芳纶纤维与氯化钯溶液、氯化亚锡溶液及浓盐酸混合进行活化，活化温度为40-50℃，活化时间为1-10min，活化完毕后用清水冲洗并烘干，备用；
22.(2)将步骤(1)活化的芳纶纤维浸没到金属沉积液中进行金属沉积，完成后进行水洗、烘干即可；
23.所述芳纶纤维原料为长度为1-15mm的短切纤维或长度小于1mm的芳纶浆粕。
24.进一步地，所述氯化钯溶液的浓度为100-200mg/l，所述氯化亚锡溶液的浓度为35-55g/l，所述浓盐酸的质量分数为36-38％，所述氯化钯溶液、氯化亚锡溶液及浓盐酸的体积比为1：0.5-1:0.5-5。进一步地，改性氮化硼的制备方法包括：将氮化硼、尿素及异丙醇按1:0.1-0.5:0.5-2的质量比加入球磨罐中进行高强度球磨剥离，球磨时间为100-150h，所得粉体用异丙醇洗涤后干燥即可。
25.进一步地，所述硅烷偶联剂选自硅烷偶联剂kh550、硅烷偶联剂a151及 3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种或更多种。
26.进一步地，所述金属沉积液中包含：次亚磷酸钾5-10g/l、次亚磷酸钠5
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10g/l、硫酸镍20-30g/l、硫酸铜20-30g/l、硫酸铁5-10g/l及丙酮酸30
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40ml/l及余量的水。
27.进一步地，上述复合材料的制备方法如下：按照重量比进行共混，螺杆挤出到模具后，热压干燥成型，热压温度为150-250℃，热压压力为1-10mpa，热压时间为2-30分钟。
28.本发明还提供上述高导热高强度芳纶碳纤维复合材料在电动推杆中的应用，尤其在电动推杆中缸体、缸杆等传动部件中的应用。
29.有益效果：
30.本发明通过在基体树脂中掺入改性纤维及球磨剥离后的氮化硼，可以形成线-面多层级网络结构，大大降低了封闭气孔率，显著提升导热性能，另外，本发明的复合材料中，沿气孔表面均匀分布金属杂质，随着材料使用过程中热量的释放，热量迅速从气孔的热端迁移到冷端，进一步提升了材料的热传递性能。此外，本发明提供的复合材料还维持了较高的机械性能，能够保证推杆传动过程所需的力学强度。
具体实施方式
31.以下将结合具体实施方案来说明本发明。需要说明的是，下面的实施例为本发明的示例，仅用来说明本发明，而不用来限制本发明。在不偏离本发明主旨或范围的情况下，
可进行本发明构思内的其他组合和各种改良。
32.实施例1
33.改性碳纤维的制备：
34.(1)将平均直径96nm、平均长度5mm的碳纤维原料置于足量的浓硫酸中，超声处理20min，过滤，备用；
35.(2)将步骤(1)处理过的碳纤维与足量的由100mg/l氯化钯溶液、40g/l 氯化亚锡溶液及质量分数为36-38％的浓盐酸组成的混合液(其中氯化钯溶液、氯化亚锡溶液及浓盐酸的体积比为1:1:0.5)混合并于25℃下进行活化10min，活化完毕后用清水冲洗并烘干，备用；
36.(3)将步骤(2)活化的碳纤维在60℃下浸没到金属沉积液(含有：次亚磷酸钾10g/l、次亚磷酸钠5g/l、硫酸镍20g/l、硫酸铜25g/l、硫酸铁5g/l及丙酮酸40ml/l及余量的水)中进行金属沉积，完成后进行水洗、烘干即可。
37.实施例2
38.改性芳纶纤维的制备：
39.(1)将长度为10mm的短切芳纶纤维原料与由100mg/l氯化钯溶液、 40g/l氯化亚锡溶液及质量分数为36-38％的浓盐酸组成的混合液(其中氯化钯溶液、氯化亚锡溶液及浓盐酸的体积比为1:1:0.5)混合并于40℃下进行活化 10min，活化完毕后用清水冲洗并烘干，备用；
40.(2)将步骤(1)活化的芳纶纤维在60℃下浸没到金属沉积液中(含有：次亚磷酸钾10g/l、次亚磷酸钠5g/l、硫酸镍20g/l、硫酸铜25g/l、硫酸铁 5g/l及丙酮酸40ml/l及余量的水)进行金属沉积，完成后进行水洗、烘干即可。
41.实施例3
42.改性氮化硼的制备：
43.将氮化硼、尿素及异丙醇按1:0.5:2的质量比加入球磨罐中进行高强度球磨剥离，球磨时间为120h，所得粉体用异丙醇洗涤后干燥即可。
44.实施例4
45.一种高导热高强度芳纶碳纤维复合材料，包含聚醚醚酮100份、实施例1 制备的改性碳纤维10份、实施例2制备的改性芳纶纤维15份、实施例3制备的改性氮化硼10份及硅烷偶联剂kh550 3份。
46.制备方法为：按照重量比进行共混，螺杆挤出到模具后，热压干燥成型，热压温度为220℃，热压压力为5mpa，热压时间为25分钟。
47.实施例5
48.一种高导热高强度芳纶碳纤维复合材料，包含聚醚醚酮80份、实施例1制备的改性碳纤维20份、实施例2制备的改性芳纶纤维10份、实施例3制备的改性氮化硼15份及硅烷偶联剂a151 5份。
49.制备方法为：按照重量比进行共混，螺杆挤出到模具后，热压干燥成型，热压温度为240℃，热压压力为8mpa，热压时间为20分钟。
50.实施例6
51.一种高导热高强度芳纶碳纤维复合材料，包含聚芳硫醚100份、实施例1 制备的改
性碳纤维15份、实施例2制备的改性芳纶纤维5份、实施例3制备的改性氮化硼15份及硅烷偶联剂a151 5份。
52.制备方法为：按照重量比进行共混，螺杆挤出到模具后，热压干燥成型，热压温度为180℃，热压压力为8mpa，热压时间为25分钟。
53.实施例7
54.一种高导热高强度芳纶碳纤维复合材料，包含聚丙烯100份、实施例1制备的改性碳纤维15份、实施例2制备的改性芳纶纤维5份、实施例3制备的改性氮化硼15份及硅烷偶联剂3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷5份。
55.制备方法为：按照重量比进行共混，螺杆挤出到模具后，热压干燥成型，热压温度为160℃，热压压力为5mpa，热压时间为15分钟。
56.对比例1
57.一种复合材料，包含包含聚醚醚酮100份、碳纤维10份(平均直径96nm、平均长度5mm)、长度为10mm的短切芳纶纤维15份、氮化硼10份及硅烷偶联剂kh550 3份。
58.制备方法同实施例4。
59.对比例2
60.一种复合材料，包含包含聚醚醚酮100份、碳纤维10份(平均直径96nm、平均长度5mm)、长度为10mm的短切芳纶纤维15份、实施例3制备的氮化硼 10份及硅烷偶联剂kh550 3份。
61.制备方法同实施例4。
62.性能测试
63.将上述实施例4-7及对比例1-2制备得到的复合材料应用于电动推杆的缸杆和缸体部分，并维持工作温度在250k-320k之间，使用流体力学软件fluent 进行传热数值分析，并按照标准jb 4372-1995《钢制压力容器-分析设计标准》测试其弹性应力，测试结果如下表1所示。
64.表1
[0065][0066]
由上表1可知，本发明制备的复合材料具有较好的导热性能，并且维持了较高的机械性能，保证电动推杆在传动过程中所需的力学强度和导热性。
[0067]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。