CN121896830A - 一种碳纤维网纱及其制备方法、碳纤维增强复合材料 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种碳纤维网纱及其制备方法、碳纤维增强复合材料。该碳纤维网纱包括短切碳纤维和碳纳米管，碳纳米管通过高分子粘合剂粘结至短切碳纤维；碳纳米管占碳纤维网纱的质量百分比为1.8~18.6%。该碳纤维网纱将短切碳纤维与碳纳米管有机结合，构建一种独特的“多尺度层级”增韧结构。当将该碳纤维网纱用于碳纤维复合材料中时，短切碳纤维在层间起到裂纹桥接和偏转的作用，可有效抑制微裂纹的扩展。而碳纳米管则在碳纤维复合材料的裂纹尖端的富树脂区通过拔出、断裂等机制吸收能量，抑制纳米级裂纹的萌生。此外，碳纳米管通过高分子粘合剂粘结至短切碳纤维，确保碳纳米管能够牢固地固定在短切碳纤维上，保证碳纤维网纱或碳纤维复合材料功能的稳定性。

Description

一种碳纤维网纱及其制备方法、碳纤维增强复合材料

技术领域

本公开涉及复合材料技术领域，特别涉及一种碳纤维网纱及其制备方法、碳纤维增强复合材料。

背景技术

碳纤维增强基复合材料（Carbon Fibre-reinforced Polymer，CFRP）因其卓越的比强度和比刚度，在航空航天主承力结构、风力涡轮机叶片、电动汽车电池外壳等高性能领域得到了广泛应用。然而，层压复合材料固有的弱点在于其层间性能，使其极易发生层间分层失效。层间分层可能源于制造缺陷、外力冲击或应力集中，一旦发生并扩展，将严重削弱结构的整体承载能力和安全性，是限制其更广泛应用的关键技术瓶颈。

发明内容

为解决相关技术中存在的问题，本公开提供了一种碳纤维网纱及其制备方法、碳纤维增强复合材料。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种碳纤维网纱，所述碳纤维网纱包括短切碳纤维和碳纳米管，所述碳纳米管通过高分子粘合剂粘结至所述短切碳纤维；

所述碳纳米管占所述碳纤维网纱的质量百分比为1.8~18.6%。

本公开的一些实施例中，所述高分子粘合剂包括聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮或两亲性嵌段共聚物中的至少一种。

本公开的一些实施例中，所述高分子粘合剂包括所述聚乙烯醇、所述聚环氧乙烷和所述聚乙烯吡咯烷酮；其中，所述聚乙烯醇、所述聚环氧乙烷和所述聚乙烯吡咯烷酮的质量比为（1.5~2.5）：（0.8~1.8）：（3.1~4.0）。

本公开的一些实施例中，所述短切碳纤维的长度为0.5~30mm，所述短切碳纤维的表面包括含氧官能团和/或含氮官能团。

本公开的一些实施例中，所述碳纤维网纱的面密度为15~56 g/m²。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种碳纤维网纱的制备方法，所述制备方法用于制备如上述的碳纤维网纱；所述制备方法包括：

将短切碳纤维、碳纳米管和高分子粘合剂分散于溶剂中，形成分散液；

将所述分散液通过湿法成网工艺脱水，形成脱水后网纱；

将所述脱水后网纱进行干燥，得到所述碳纤维网纱。

本公开的一些实施例中，所述高分子粘合剂在所述分散液中的浓度为1.5~10wt%；

所述高分子粘合剂包括聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮；其中，所述聚乙烯醇、所述聚环氧乙烷和所述聚乙烯吡咯烷酮的质量比为（1.5~2.5）：（0.8~1.8）：（3.1~4.0）。

本公开的一些实施例中，所述制备方法还包括：

将所述短切碳纤维通过含氧气源进行等离子体处理，以在所述短切碳纤维的表面引入含氧官能团；和/或，

将所述短切碳纤维通过含氮气源进行等离子体处理，以在所述短切碳纤维的表面引入含氮官能团。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种碳纤维增强复合材料，所述碳纤维增强复合材料包括如上述的碳纤维网纱或者如上述的碳纤维网纱的制备方法制备而成的碳纤维网纱。

本公开的有益效果包括但不限于：本公开所提供的碳纤维网纱，将短切碳纤维与碳纳米管有机结合，构建一种独特的“多尺度层级”增韧结构。当将该碳纤维网纱用于碳纤维复合材料中时，短切碳纤维在层间起到裂纹桥接和偏转的作用，可在碳纤维复合材料受到冲击损伤时有效抑制微裂纹的扩展。而碳纳米管则在碳纤维复合材料的裂纹尖端的富树脂区通过拔出、断裂等机制吸收能量，抑制纳米级裂纹的萌生。此外，碳纳米管通过高分子粘合剂粘结至短切碳纤维，确保碳纳米管能够牢固地固定在短切碳纤维上，保证碳纤维网纱或碳纤维复合材料功能的稳定性和可重现性，解决了碳纳米管因范德华力易团聚、在后续加工中容易脱落或迁移的问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与描述一起用于解释本公开实施例的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本公开的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开一示例性实施例的碳纤维网纱的制备方法流程示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

层压碳纤维增强复合材料固有的弱点在于其层间性能，使其极易发生层间分层失效。层间分层可能源于制造缺陷、外力冲击或应力集中，一旦发生并扩展，将严重削弱结构的整体承载能力和安全性，是限制其更广泛应用的关键技术瓶颈。相关技术中，采用了多种增韧策略，例如：基体增韧，在树脂基体中添加橡胶或热塑性颗粒，虽能提高韧性，但往往以牺牲材料的刚度、强度和耐热性（玻璃化转变温度Tg）为代价。热塑性插层，在层间插入热塑性薄膜或无纺布可以有效增韧，但通常会增加构件的厚度和重量，且可能与热固性基体树脂的界面相容性不佳，工艺集成复杂。

基于此，本公开提供了一种碳纤维网纱，将短切碳纤维与碳纳米管有机结合，构建一种独特的“多尺度层级”增韧结构。当将该碳纤维网纱用于碳纤维复合材料中时，短切碳纤维在层间起到裂纹桥接和偏转的作用，可在碳纤维复合材料受到冲击损伤时有效抑制微裂纹的扩展。而碳纳米管则在碳纤维复合材料的裂纹尖端的富树脂区通过拔出、断裂等机制吸收能量，抑制纳米级裂纹的萌生。此外，碳纳米管通过高分子粘合剂粘结至短切碳纤维，确保碳纳米管能够牢固地固定在短切碳纤维上，保证碳纤维网纱或碳纤维复合材料功能的稳定性和可重现性，解决了碳纳米管因范德华力易团聚、在后续加工中容易脱落或迁移的问题。

本公开一示例性实施例提供了一种碳纤维网纱，该碳纤维网纱包括短切碳纤维和碳纳米管，碳纳米管通过高分子粘合剂粘结至短切碳纤维；碳纳米管占碳纤维网纱的质量百分比为1.8~18.6%。

本实施例中，将短切碳纤维与碳纳米管有机结合，构建一种独特的“多尺度层级”增韧结构。当将该碳纤维网纱用于碳纤维复合材料中时，短切碳纤维在层间起到裂纹桥接和偏转的作用，可在碳纤维复合材料受到冲击损伤时有效抑制微裂纹的扩展。而碳纳米管则在碳纤维复合材料的裂纹尖端的富树脂区通过拔出、断裂等机制吸收能量，抑制纳米级裂纹的萌生。短切碳纤维与碳纳米管二者协同作用，赋予碳纤维复合材料卓越的I型（张开型）和II型（剪切型）层间断裂韧性。其中，碳纳米管的含量过低时，对裂纹的抑制作用不显著，无法有效提升碳纤维网纱或碳纤维复合材料的力学或功能性。而当碳纳米管的含量过高时，则可能导致碳纳米管在短切碳纤维上的团聚，反而降低性能，且会增加不必要的成本。因此本实施例中，将碳纳米管占碳纤维网纱的质量百分比控制在1.8~18.6%，以获得碳纤维网纱或碳纤维复合材料最佳的性能提升。例如，碳纳米管占碳纤维网纱的质量百分比可以为1.8%、3.6%、5.4%、8.5%、10.6%、13.8%、15.7%或18.6%，碳纳米管占碳纤维网纱的质量百分比也可以为示例性的质量百分比之间的任一数值，例如碳纳米管占碳纤维网纱的质量百分比可以为2.6~15.6%之间的任一数值。

本实施例中，碳纳米管通过高分子粘合剂粘结至短切碳纤维，确保碳纳米管能够牢固地固定在短切碳纤维上，保证碳纤维网纱或碳纤维复合材料功能的稳定性和可重现性，解决了碳纳米管因范德华力易团聚、在后续加工中容易脱落或迁移的问题。

示例性地，碳纳米管可选用单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的至少一种。

在一示例性的实施例中，高分子粘合剂包括聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮或两亲性嵌段共聚物中的至少一种。

本实施例中，高分子粘合剂选用水溶性或水分散性的高分子粘合剂，以确保碳纤维网纱在制备过程中，高分子粘合剂能够与短切碳纤维、碳纳米管共同分散在水系溶剂中，并将短切碳纤维和碳纳米管暂时固定，并在干燥后赋予碳纤维网纱足够的机械强度。

本实施例中所选用的聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮或两亲性嵌段共聚物高分子粘合剂，这些高分子链上含有大量羟基（-OH）、醚键（-O-）、羰基（C=O）或吡咯烷酮基团，这些官能团可以通过氢键、范德华力等与短切碳纤维和碳纳米管表面产生强烈的相互作用，从而为短切碳纤维和碳纳米管提供牢固的粘结力。此外，这些高分子粘合剂与大多数树脂基体具有良好的兼容性，将本公开实施例所提供的碳纤维网纱用于碳纤维复合材料的制备时，在碳纤维复合材料的制备过程中，这些高分子粘合剂可以促进短切碳纤维与基体树脂的界面结合。

在一示例性的实施例中，高分子粘合剂包括聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮；其中，聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为（1.5~2.5）：（0.8~1.8）：（3.1~4.0）。

聚乙烯醇主要作为碳纤维网纱的成膜粘合剂，在碳纤维网纱的制备过程中，聚乙烯醇的分子链吸附于尺寸较大的短切碳纤维表面，通过空间位阻效应，有效防止短切碳纤维在水流搅动下的机械缠结，保证了后续成网过程中碳纤维骨架的均匀性。聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮协同作用，主要负责对纳米尺度的碳纳米管进行高效、稳定的分散。由于碳纳米管巨大的比表面积和较强的范德华吸引力，其在水相中极易发生团聚。聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮作为非离子型高分子分散剂，其分子链能够吸附在碳纳米管表面，并通过伸展入水相中的亲水链段形成空间位阻排斥层，从而克服范德华力，将碳纳米管束解离为更细小的束或单根管，并阻止其再次聚集。聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的组合使用产生了1+1+1>3的协同效应，它们针对短切碳纤维和碳纳米管进行靶向稳定，避免了单一分散剂的局限性，同时，在碳纤维网纱的制备过程中，聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的组合使用可以调节分散液的流变学特性，使其粘度适中、流动性好，从而适用于后续的高速、连续湿法成网工艺。将聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的质量比控制在（1.5~2.5）：（0.8~1.8）：（3.1~4.0），可以确保短切碳纤维和碳纳米管均达到优异分散状态、满足工艺对分散液的流动性的要求、以及保证最终制得的碳纤维网纱具备足够的机械强度。例如，聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的质量比可以为1.5:0.8:3.1、1.5:1.8:4.0、2.0:1.0:3.5、2.5:1.8:4.0或1.8:1.5:3.8，聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的质量比也可以为示例性的质量比之间的任一数值，例如聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的质量比可以为（1.8~2.2）：（1.0~1.5）：（3.3~3.8）之间的任一数值。

在一示例性的实施例中，短切碳纤维的长度为0.5~30mm，短切碳纤维的表面包括含氧官能团和/或含氮官能团。

示例性地，可选用聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维或再生纤维素基碳纤维。示例性地，可选用T300、T700、T800、IM7等不同等级的碳纤维。

短切碳纤维的长度是保障碳纤维网纱的成网工艺和性能的关键。当短切碳纤维的长度过短时，短切碳纤维难以形成有效的碳纤维网络，则会导致碳纤维网纱的强度过低，而当短切碳纤维的长度过长时，在碳纤维网纱的制备过程中，短切碳纤维易在分散液中易缠结，难以形成均匀的碳纤维网纱。本实施例中，将短切碳纤维的长度控制在0.5~30mm，可以平衡碳纤维网纱制备过程中的“可加工性”与碳纤维网纱成品的“网络结构完整性”。例如，短切碳纤维的长度可以为0.5mm、2.5mm、5.0mm、8.7mm、10.0mm、15.3mm、20.0mm、25.6或30mm，短切碳纤维的长度也可以为示例性的长度之间的任一数值，例如短切碳纤维的长度可以为2~12mm之间的任一数值。示例性地，可以将碳纤维长丝通过机械方式处理，得到上述长度的短切碳纤维。

短切碳纤维可以经等离子体处理使其表面引入含氧官能团和/或含氮官能团。短切碳纤维表面的含氧官能团，例如羟基（-OH）、羧基（-COOH），可以在碳纤维网纱用于制备碳纤维复合材料时，通过氢键等作用提高碳纤维网纱与基体树脂的浸润性。短切碳纤维表面的含氮官能团，例如胺基（-NH₂），可以在碳纤维网纱用于制备碳纤维复合材料时，引入的胺基（-NH₂）与环氧树脂的环氧基团发生开环反应，形成牢固的共价键，从而实现碳纤维网纱与基体树脂最强的界面结合，从而大幅提升碳纤维复合材料的层间剪切强度和抗冲击性能。

在一示例性的实施例中，碳纤维网纱的面密度为15~56 g/m²，碳纤维网纱的厚度为50~100 μm。

碳纤维网纱的面密度和厚度可以根据不同的应用场景进行选择，例如，将碳纤维网纱作为表面层或夹层，用于轻量化制品或需要表面功能性的场景时，可以选择较低面密度和较低厚度的碳纤维网纱；当需要碳纤维网纱提供显著的结构增强效果时，则可以选择较高面密度和较高厚度的碳纤维网纱。例如，碳纤维网纱的面密度可以为15 g/m²、20.6g/m²、30.7g/m²、45.1g/m²或56 g/m²，碳纤维网纱的面密度也可以为示例性的面密度之间的任一数值，例如，碳纤维网纱的面密度可以为20.1~50.7 g/m²之间的任一数值。例如，碳纤维网纱的厚度可以为50 μm、65 μm、75 μm、80 μm、90 μm或100 μm，碳纤维网纱的厚度也可以为示例性的厚度之间的任一数值，例如，碳纤维网纱的厚度可以为60~80 μm之间的任一数值。

本公开一示例性实施例提供了一种碳纤维网纱的制备方法，该制备方法用于制备如上述的碳纤维网纱；如图1所示，该制备方法包括：

S100、将短切碳纤维、碳纳米管和高分子粘合剂分散于溶剂中，形成分散液。

示例性地，溶剂可以为水性溶剂，例如去离子水。将短切碳纤维、碳纳米管和高分子粘合剂加入去离子水中，为确保各组分均匀分散，可以采用机械搅拌（转速200-1500rpm）与超声波处理相结合的方式促进各组分的分散。超声波处理有助于打散碳纳米管的团聚体，形成均匀、稳定的分散液。

S200、将分散液通过湿法成网工艺脱水，形成脱水后网纱。

步骤S100中，将高分子粘合剂与短切碳纤维、碳纳米管共同分散在溶剂中形成分散液，高分子粘合剂能够将短切碳纤维和碳纳米管固定，使得碳纳米管被锁定在碳纤维骨架中，保证碳纤维网纱制备工艺与功能的稳定性和可重现性，解决了碳纳米管因范德华力易团聚、在湿法成网工艺中容易脱落或迁移的问题。

在步骤S200中，例如可以将均匀的分散液泵送至湿法成网设备中，在移动的网帘上脱水形成湿网纱。通过控制短切碳纤维、碳纳米管和高分子粘合剂的量和网速，可以精确调控网纱的面密度和厚度，形成脱水后网纱。当上述稳定、均质的分散液在网帘上脱水时，碳纳米管被“固化”到脱水后网纱结构中，尺寸较大的短切碳纤维形成多孔骨架，而稳定分散的碳纳米管则与高分子粘合剂一起被物理截留并均匀沉积在骨架的节点和短切碳纤维表面，最终形成一个贯穿整体的三维互穿网络结构。

S300、将脱水后网纱进行干燥，得到碳纤维网纱。

将脱水后网纱通过热风或真空烘箱在80~120℃下干燥，得到最终的柔性碳纤维网纱。

本实施例中采用湿法成网工艺制备碳纤维网纱，该工艺生产效率高、成本可控，易于实现大规模工业化生产。所制得的碳纤维网纱形态稳定、易于操作，可集成到预浸料铺层、热压罐固化或树脂传递模塑等碳纤维复合材料的制备流程中。此外，湿法成网工艺，能够在微观尺度上实现短切碳纤维、碳纳米管和高分子粘合剂的同步沉积与自组装，形成一种所有组分在整个碳纤维网纱厚度方向上均质分布、物理互穿的三维网络结构。这从根本上区别于喷涂法所形成的、功能组分仅富集于表面的二维层压结构。这种独特的三维网络结构最大化了短切碳纤维节点处的有效粘接，为碳纤维网纱或碳纤维复合材料实现高效的多尺度载荷传递提供了结构基础，赋予碳纤维复合材料良好的损伤容限，满足高端应用需求，例如航空航天主承力结构等安全关键型的应用需求。

在一示例性的实施例中，高分子粘合剂在分散液中的浓度为1.5~10wt%。高分子粘合剂包括聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮；其中，聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为（1.5~2.5）：（0.8~1.8）：（3.1~4.0）。

高分子粘合剂在分散液中的浓度是保证短切碳纤维和碳纳米管粘结牢固度的关键。当高分子粘合剂在分散液中的浓度过低时，高分子粘合剂对短切碳纤维和碳纳米管的粘结力不足，碳纳米管在短切碳纤维上固定不牢，所制得的碳纤维网纱强度差。当高分子粘合剂在分散液中的浓度过高时，分散液粘稠，流动性差，无法进行均匀的湿法成网，且干燥后碳纤维网纱过硬、脆性大。因此，本实施例中，将高分子粘合剂在分散液中的浓度控制在1.5~10wt%，可以确保分散液具有适宜的粘度以利于成型，同时干燥后能形成较高强度的碳纤维网纱。例如，高分子粘合剂在分散液中的浓度可以为1.5wt%、4.3wt%、8.6wt%或10wt%，高分子粘合剂在分散液中的浓度也可以为示例性的浓度之间的任一数值，例如高分子粘合剂在分散液中的浓度可以为3.5~9.4wt%之间的任一数值。

聚乙烯醇主要作为碳纤维网纱的成膜粘合剂，在碳纤维网纱的制备过程中，聚乙烯醇的分子链吸附于尺寸较大的短切碳纤维表面，通过空间位阻效应，有效防止短切碳纤维在水流搅动下的机械缠结，保证了湿法成网过程中碳纤维骨架的均匀性。聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮协同作用，主要负责对纳米尺度的碳纳米管进行高效、稳定的分散。由于碳纳米管巨大的比表面积和较强的范德华吸引力，其在水相中极易发生团聚。聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮作为非离子型高分子分散剂，其分子链能够吸附在碳纳米管表面，并通过伸展入水相中的亲水链段形成空间位阻排斥层，从而克服范德华力，将碳纳米管束解离为更细小的束或单根管，并阻止其再次聚集。聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的组合使用产生了1+1+1>3的协同效应，它们针对短切碳纤维和碳纳米管进行靶向稳定，避免了单一分散剂的局限性，同时，在碳纤维网纱的制备过程中，聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的组合使用可以调节分散液的流变学特性，使其粘度适中、流动性好，从而适用于后续的高速、连续湿法成网工艺。将聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的质量比控制在（1.5~2.5）：（0.8~1.8）：（3.1~4.0），可以确保短切碳纤维和碳纳米管均达到优异分散状态、满足工艺对分散液的流动性的要求、以及保证最终制得的碳纤维网纱具备足够的机械强度。例如，聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的质量比可以为1.5:0.8:3.1、1.5:1.8:4.0、2.0:1.0:3.5、2.5:1.8:4.0或1.8:1.5:3.8，聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的质量比也可以为示例性的质量比之间的任一数值，例如聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮的质量比可以为（1.8~2.2）：（1.0~1.5）：（3.3~3.8）之间的任一数值。

在一示例性的实施例中，碳纤维网纱的制备方法还包括：将短切碳纤维通过含氧气源进行等离子体处理，以在短切碳纤维的表面引入含氧官能团。

本实施例中，通过含氧气源，例如氧气（O₂），对短切碳纤维进行等离子体处理，可在短切碳纤维表面引入羟基（-OH）、羧基（-COOH）等含氧极性基团，可以在碳纤维网纱用于制备碳纤维复合材料时，通过氢键等作用提高碳纤维网纱与基体树脂的浸润性。

在一示例性的实施例中，碳纤维网纱的制备方法还包括：将短切碳纤维通过含氮气源进行等离子体处理，以在短切碳纤维的表面引入含氮官能团。

本实施例中，通过含氮气源，例如氮气（N₂）或氨气（NH₃），对短切碳纤维进行等离子体处理，可在短切碳纤维表面引入胺基（-NH₂）等含氮官能团，由此可以在碳纤维网纱用于制备碳纤维复合材料时，引入的胺基（-NH₂）等含氮官能团与环氧树脂的环氧基团发生开环反应，形成牢固的共价键，从而实现碳纤维网纱与基体树脂最强的界面结合，从而大幅提升碳纤维复合材料的层间剪切强度和抗冲击性能。

本公开一示例性实施例提供了一种碳纤维增强复合材料，该碳纤维增强复合材料包括如上述的碳纤维网纱或者如上述的碳纤维网纱的制备方法制备而成的碳纤维网纱。

例如，上述的碳纤维网纱或者如上述的碳纤维网纱的制备方法制备而成的碳纤维网纱可以作为增韧插层，铺设于碳纤维/树脂等预浸料的层与层之间。随后，采用标准的热压罐、模压或真空袋等工艺进行固化成型，最终得到碳纤维增强复合材料。该碳纤维增强复合材料的韧性、抗冲击性和层间性能得到大幅提升，可广泛应用于航空航天、新能源汽车、体育器材、电子设备外壳等高技术领域，满足其对材料轻量化、高强度和高功能性的高标准要求。

为了更清楚地解释说明本公开示例性实施例所提供的技术方案，给出本公开示例性实施例所提供的碳纤维网纱的制备方法制备本公开示例性实施例所提供的碳纤维网纱的具体示例。

将所述短切碳纤维通过含氧气源（功率5W、气压100Pa、处理时长60秒）/含氮气源（功率7.5W、气压80Pa、处理时长90秒）进行等离子体处理。

将短切碳纤维、碳纳米管和高分子粘合剂分散于溶剂中，形成分散液；

将分散液通过湿法成网工艺脱水，形成脱水后网纱；

将脱水后网纱进行干燥，得到碳纤维网纱。

在实施例1-6中按照上述具体示例中的制备方法制备碳纤维网纱。采用T800级碳纤维/环氧树脂单向预浸料，并按照各力学性能测试标准进行制板，，其中在碳纤维/环氧树脂等预浸料的层与层之间铺设实施例1-6的碳纤维网纱，并在180℃下通过热压罐工艺固化2小时，制得碳纤维增强复合材料层压板。按照相关ASTM标准进行力学性能测试，包括：层间剪切强度（ILSS，ASTM D2344）、压缩强度（SACMA SRM 1）、I型层间断裂韧性（GIC，ASTMD5528）、II型层间断裂韧性（GIIC，ASTM D7905）以及冲击后压缩强度（CAI，ASTM D7136/D7137）。具体见表1：

表1

此外，本公开还采用T800级碳纤维/环氧树脂单向预浸料，并按照各力学性能测试标准进行制板，但并未铺设碳纤维网纱，在180℃下通过热压罐工艺固化2小时，制得碳纤维增强复合材料层压板，作为对比例1。按照相关ASTM标准对对比例1进行力学性能测试。对比例1碳纤维增强复合材料层压板的层间剪切强度97 MPa、压缩强度1476 MPa、I型层间断裂韧性408 J/m²、II型层间断裂韧性932 J/m²、冲击后压缩强度237 MPa。

从表1以及对比例1的数据可以看出，采用本公开实施例所提供的碳纤维网纱并制备的碳纤维增强复合材料层压板其各项力学性能，相对于未经碳纤维网纱增韧的对比例1有显著提升。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本公开的保护范围之内。

最后应说明的是：在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种碳纤维网纱，其特征在于，所述碳纤维网纱包括短切碳纤维和碳纳米管，所述碳纳米管通过高分子粘合剂粘结至所述短切碳纤维；

所述碳纳米管占所述碳纤维网纱的质量百分比为1.8~18.6%。

2.根据权利要求1所述的碳纤维网纱，其特征在于，所述高分子粘合剂包括聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮或两亲性嵌段共聚物中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的碳纤维网纱，其特征在于，所述高分子粘合剂包括所述聚乙烯醇、所述聚环氧乙烷和所述聚乙烯吡咯烷酮；其中，所述聚乙烯醇、所述聚环氧乙烷和所述聚乙烯吡咯烷酮的质量比为（1.5~2.5）：（0.8~1.8）：（3.1~4.0）。

4.根据权利要求1所述的碳纤维网纱，其特征在于，所述短切碳纤维的长度为0.5~30mm，所述短切碳纤维的表面包括含氧官能团和/或含氮官能团。

5.根据权利要求1所述的碳纤维网纱，其特征在于，所述碳纤维网纱的面密度为15~56g/m²。

6.一种碳纤维网纱的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备如权利要求1~5任一项所述的碳纤维网纱；所述制备方法包括：

将短切碳纤维、碳纳米管和高分子粘合剂分散于溶剂中，形成分散液；

将所述分散液通过湿法成网工艺脱水，形成脱水后网纱；

将所述脱水后网纱进行干燥，得到所述碳纤维网纱。

7.根据权利要求6所述的碳纤维网纱的制备方法，其特征在于，所述高分子粘合剂在所述分散液中的浓度为1.5~10wt%；

所述高分子粘合剂包括聚乙烯醇、聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮；其中，所述聚乙烯醇、所述聚环氧乙烷和所述聚乙烯吡咯烷酮的质量比为（1.5~2.5）：（0.8~1.8）：（3.1~4.0）。

8.根据权利要求6所述的碳纤维网纱的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：

将所述短切碳纤维通过含氧气源进行等离子体处理，以在所述短切碳纤维的表面引入含氧官能团；和/或，

将所述短切碳纤维通过含氮气源进行等离子体处理，以在所述短切碳纤维的表面引入含氮官能团。

9.一种碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述碳纤维增强复合材料包括如权利要求1~5任一项所述的碳纤维网纱或者如权利要求6~8任一项所述的碳纤维网纱的制备方法制备而成的碳纤维网纱。