一种玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料及制备方法

本发明涉及新型材料，具体涉及一种玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料及制备方法。

背景技术：

1、碳纤维树脂基复合材料作为一种结构轻量化材料，具有高比强度、高比模量、耐酸碱腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天、国防军工和高端装备制造领域，比如民航客机、战机的机身结构部件和导弹外壳等。然而由于碳纤维价格昂贵，导致其复合材料在民用领域的应用受限，比如风电叶片、压力容器和体育器材等对结构轻量化材料的需求量非常大，但受制于成本原因对碳纤维树脂基复合材料的实际使用规模有限且制得的产品价格普遍较高。由此可见，降低碳纤维树脂基复合材料的成本对扩大其在民用领域的应用规模至关重要。玄武岩纤维作为一种高强度、高模量、耐疲劳、耐酸碱腐蚀、变温适应性强、绿色环保且价格便宜的高性能纤维，力学性能介于碳纤维与玻璃纤维之间。使用玄武岩纤维来替代部分碳纤维制备的高性能玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料可兼具碳纤维与玄武岩纤维各自的优点，降低碳纤维树脂基复合材料的成本，扩大玄武岩纤维与碳纤维在民用领域的应用规模。然而，玄武岩纤维-碳纤维树脂基复合材料相较于全碳纤维树脂基复合材料力学性能有所降低。复合材料设计、制备和实际应用必须确保材料结构强度的稳定性及使用过程的安全性，对于玄武岩纤维-碳纤维树脂基复合材料而言，须改善树脂基体脆性，强化粘接界面的物理效应和力学效应，优化层间结构纤维排布，从而提升玄武岩纤维-碳纤维树脂基复合材料的力学性能。因此，采用玄武岩纤维更多替代碳纤维形成低成本且性能优于全碳纤维复合材料的玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料是复合材料性能与增强技术开发的重要研究方向，对国产玄武岩纤维及其复合材料产业的高性能化和产业化发展具有强有力的推动作用。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料的制备方法。

2、一种玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤1：将微纳米芳纶短纤维和环氧树脂混合搅拌至均匀状态，待溶剂完全挥发后获得纤维树脂混合物；

4、步骤2：将纤维树脂混合物与固化剂混合均匀后分别涂抹于m层玄武岩纤维布和m层碳纤维布，通过交错堆叠铺层形成玄武岩纤维/碳纤维交替树脂基层状材料坯体；

5、步骤3：将玄武岩纤维/碳纤维交替树脂基层状材料坯体采用模压成型制得玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料，恒温养护后得到完全固化的高性能玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料。

6、进一步的，所述步骤1中，纤维树脂混合物中芳纶短纤维的质量分数为1wt％～5wt％。

7、进一步的，所述步骤2中，m＝5。

8、进一步的，所述步骤2中，纤维树脂混合物中环氧树脂和固化剂的质量比为5：1。

9、进一步的，所述步骤3中，模压成型的模压强度为1.5mpa～2.0mpa，保压时间为15h～24h。

10、进一步的，所述步骤3中，恒温养护的养护温度为50℃～60℃，养护时间为72h～120h。

11、本发明的另一方面提供一种高性能玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料，所述材料抗弯强度可达532-563.60mpa，微纳米芳纶短纤维可在纤维层间构筑纤维桥接结构，起到增强树脂粘接层与树脂/纤维粘接界面的双重作用。

12、本发明的有益效果是：

13、本发明引入微纳米芳纶短纤维，可增强层间树脂和减少富树脂现象被消除，通过在玄武岩纤维与碳纤维的层间形成类似抓手的纤维桥接结构，有效改善粘接层和粘接界面缺陷。在外部荷载作用下，原本微裂纹容易在富树脂区或缺陷区生长并沿着纤维层/树脂层的粘接界面扩展的现象被改善，裂纹扩展路径由向层平面扩展变为向准厚度方向扩展，避免复合材料结构发生分层失效，从而提升了复合材料的力学性能，推动高性能玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料在汽车工业、风电设备和体育用品等民用装备领域轻量化发展。

技术特征：

1.一种玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述一种玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，纤维树脂混合物中微纳米芳纶短纤维的质量分数为1wt％～5wt％。

3.根据权利要求1所述一种玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，m＝5。

4.根据权利要求1所述一种玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，纤维树脂混合物中环氧树脂和固化剂的质量比为5：1。

5.根据权利要求1所述一种玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，模压成型的模压强度为1.5mpa～2.0mpa，保压时间为15h～24h。

6.根据权利要求1所述一种玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，恒温养护的养护温度为50℃～60℃，养护时间为72h～120h。

7.采用如权利要求1-6任一种方法制备得到玄武岩纤维-碳纤维交替树脂基复合材料，其特征在于，所述材料抗弯强度为532-563.60mpa，微纳米芳纶短纤维在纤维层间构筑纤维桥接结构。

技术总结
本发明公开了一种玄武岩纤维‑碳纤维交替树脂基复合材料及制备方法，包括以下步骤：首先将微纳米芳纶短纤维和环氧树脂稀释混合搅拌，待溶剂挥发后获得纤维树脂混合物；然后将纤维树脂混合物与固化剂混合均匀后涂抹于玄武岩纤维布和碳纤维布，通过交错堆叠铺层形成玄武岩纤维/碳纤维交替树脂基层状材料坯体；最后将坯体采用模压成型制得玄武岩纤维‑碳纤维交替树脂基复合材料，恒温养护后得到完全固化的高性能玄武岩纤维‑碳纤维交替树脂基复合材料。本发明玄武岩纤维替代碳纤维形成玄武岩纤维‑碳纤维交替树脂基复合材料，推动其在汽车工业、风电设备和体育用品等民用装备领域轻量化发展。

技术研发人员：程飞,杨光明,何佳鑫,左世豪,黄文艺,张劲恒,胡晓智
受保护的技术使用者：西南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15