一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料及其制备工艺的制作方法

本发明涉及碳纤维复合材料，具体是一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料及其制备工艺。

背景技术：

1、随着科技的进步和发展，新材料的研发也越来越深入，近年来，碳纤维作为一种高强度、低密度、高模量比的纤维增强材料，因其具有优异的耐磨性、耐热性以及耐酸碱性能，碳纤维已经成为高端应用领域的重要增强材料；其中，碳纤维-环氧树脂复合材料也逐渐成为航空航天、海洋船舶、汽车以及轨道交通的首选材料之一。

2、现有市面上制备碳纤维-环氧树脂复合材料时，由于碳纤维的表面呈现惰性，导致碳纤维或碳纤维布与树脂复合时界面性能较差，导致复合材料的力学性能无法满足需求，因此基于该情况，本申请公开了一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料及其制备工艺，以解决该技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料及其制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料的制备工艺，包括以下步骤：

3、步骤(1)：将tris溶液和多巴胺混合，得到多巴胺溶液；将tris溶液和聚乙烯亚胺混合，得到聚乙烯亚胺溶液；将多巴胺溶液、聚乙烯亚胺溶液混合，搅拌均匀，得到双组分浸渍液；

4、取碳纤维布，400～450℃下热处理40～50min，丙酮浸泡12～16h，取出干燥，再转移至双组分浸渍液中，浸渍20～24h，去离子水洗涤，60～70℃下真空干燥，得到预处理碳纤维布；

5、步骤(2)：将环氧化石墨烯与n,n-二甲基甲酰胺混合，超声分散20～30min，得到环氧化石墨烯分散液；

6、将预处理碳纤维布浸渍于环氧化石墨烯分散液中，60～65℃下搅拌反应4～6h，离心收集产物，洗涤干燥，得到负载石墨烯的碳纤维布；

7、步骤(3)：将高锰酸钾、去离子水混合，350～450rmp转速下搅拌30～40min，得到高锰酸钾溶液；将负载石墨烯的碳纤维布浸渍于高锰酸钾溶液中，150～160℃下保温反应5～6h，洗涤干燥，得到碳纤维基体；

8、步骤(4)：将环氧树脂、固化剂和活性稀释剂混合，搅拌均匀，脱泡30～40min，得到环氧树脂胶液；将环氧树脂胶液缓慢浇注至模具底部，70～75℃预聚合15～25min，再将若干层碳纤维基体平铺至模具中，接着浇注环氧树脂胶液，在45～50n压力下固化，得到碳纤维复合材料。

9、较优化的方案，步骤(1)中，多巴胺溶液的浓度为2～3mg/ml；聚乙烯亚胺溶液的浓度为4～6mg/ml；tris溶液的配置方法为：将三羟甲基氨基甲烷和去离子水混合，搅拌至溶解，得到10mm的tris溶液，盐酸调节ph至8.5。

10、较优化的方案，步骤(2)中，环氧化石墨烯的制备步骤为：将氧化石墨烯超声分散在n,n-二甲基甲酰胺中，加入氟化钾和碘化钾，搅拌均匀，再加入环氧氯丙烷，100～105℃下回流反应12～15h，离心收集产物，洗涤干燥，得到环氧化石墨烯；所述氧化石墨烯、环氧氯丙烷的用量为0.2g：40ml。

11、较优化的方案，步骤(2)中，所述环氧化石墨烯分散液的浓度为2～3mg/ml。

12、较优化的方案，步骤(3)中，所述高锰酸钾溶液的质量浓度为0.02～0.03wt％。

13、较优化的方案，步骤(4)中，所述固化剂包括聚乙烯亚胺和三乙烯四胺，聚乙烯亚胺和三乙烯四胺的质量为6：4；所述环氧树脂、固化剂和活性稀释剂的质量比为10：7：1。

14、较优化的方案，步骤(1)中，聚乙烯亚胺的分子量为600～800；步骤(3)中，聚乙烯亚胺的分子量为1200～1800。

15、较优化的方案，步骤(4)中，固化参数为：90～95℃下干燥2～3h，再在110～120℃下干燥4～5h。

16、较优化的方案，根据以上任一项所述的制备工艺制备的一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料。

17、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

18、本发明公开了一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料的制备工艺，方案以碳纤维布为集体，在碳纤维布表面沉积聚多巴胺层，再负载环氧化石墨烯，并利用聚多巴胺层原位生长二氧化锰纳米片，以制得碳纤维基体，再在模具中浇注环氧树脂胶液预聚，将碳纤维基体平铺至预聚的胶液中，继续浇注环氧树脂胶液，升温固化，固化时施加45～50n压力，制得碳纤维复合材料；通过该方案制得的碳纤维复合材料具有优异的力学性能，拉伸强度和层间剪切强度均得到提升，能够广泛应用至车辆、船舶等领域，实用性较高。

19、本方案首先将碳纤维布在400～450℃下热处理40～50min，丙酮浸泡12～16h，以去除其表面杂质，再将其浸渍于双组分浸渍液中，此处的双组分浸渍液为多巴胺溶液、聚乙烯亚胺溶液等体积混合，以在碳纤维布表面形成聚乙烯亚胺-聚多巴胺共聚涂层，一方面，聚乙烯亚胺-聚多巴胺共聚涂层的存在能够为后续二氧化锰纳米片以及环氧化石墨烯的负载提供活性位点，另一方面，在聚多巴胺聚合过程中引入聚乙烯亚胺，能够提高共聚涂层的稳定性和反应活性，并改善单纯聚多巴胺共聚导致的涂层刚性，进一步提高界面性能；同时，方案限定了聚乙烯亚胺的分子量为600～800，避免因过大的分子量导致的涂层凹凸不平的情况。

20、此处需提醒：在常规碳纤维布表面聚合聚乙烯亚胺-聚多巴胺共聚涂层时，一般会选择高分子量的聚乙烯亚胺，以提高碳纤维布表面的粗糙度，形成凹凸不平的界面，从而提高碳纤维布与后续聚合物的界面锚合性能，但在本方案中，由于后续需进行原位生长，并负载氧化石墨烯，因此该方案中选择小分子量的聚乙烯亚胺，小分子易在碳纤维布表面铺展，更有利于后续反应过程。

21、在此基础上，方案首先将预处理碳纤维布浸渍于环氧化石墨烯分散液中，在其表面负载环氧化石墨烯，之所以对石墨烯进行环氧化改性，其原因在于：后续本方案采用的聚合物为环氧树脂，因而环氧化石墨烯的存在能够进一步的提高界面性能；接着，将负载石墨烯的碳纤维布浸渍于高锰酸钾溶液中，在碳纤维布表面原位生长二氧化锰纳米片，在该方案中，环氧化石墨烯和二氧化锰纳米片的加工顺序十分重要，方案先负载环氧化石墨烯，再原位生长二氧化锰纳米片，此时环氧化石墨烯垂直于碳纤维布界面，而二氧化锰纳米片的存在能够起到补充辅助的作用，二者相互配合，从而进一步提高环氧树脂与碳纤维布的锚合效果；如果二者顺序相反，原位生长二氧化锰纳米片后，环氧化石墨烯的负载效果会非常差，反而会影响产品的界面性能。

22、本发明公开了一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料的制备工艺，方案调整了碳纤维布的表面改性工艺，碳纤维布的表面活性及浸润性大大提升，界面性能优异，最终制得的碳纤维复合材料力学性能得到提升，实用性更高。

1.一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤(1)中，多巴胺溶液的浓度为2～3mg/ml；聚乙烯亚胺溶液的浓度为4～6mg/ml。

3.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤(2)中，环氧化石墨烯的制备步骤为：将氧化石墨烯超声分散在n,n-二甲基甲酰胺中，加入氟化钾和碘化钾，搅拌均匀，再加入环氧氯丙烷，100～105℃下回流反应12～15h，离心收集产物，洗涤干燥，得到环氧化石墨烯。

4.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤(2)中，所述环氧化石墨烯分散液的浓度为2～3mg/ml。

5.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤(3)中，所述高锰酸钾溶液的质量浓度为0.02～0.03wt％。

6.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤(4)中，所述固化剂包括聚乙烯亚胺和三乙烯四胺，聚乙烯亚胺和三乙烯四胺的质量为6：4；所述环氧树脂、固化剂和活性稀释剂的质量比为10：7：1。

7.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤(1)中，聚乙烯亚胺的分子量为600～800；步骤(3)中，聚乙烯亚胺的分子量为1200～1800。

8.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤(4)中，固化参数为：90～95℃下干燥2～3h，再在110～120℃下干燥4～5h。

9.根据权利要求1～8中任一项所述制备工艺制备的一种轨道交通车辆用碳纤维复合材料。