技术领域
[0001] 本
发明涉及
碳纤维及其复合材料领域，特别是指一种碳纤维复合材料。
背景技术
[0002] 炭/炭复合材料是一类以炭纤维为增强体,炭为基体的多功能、多用途的先进复合材料,在航空、航天、现代地面交通、高端机械制造、新
能源等诸多战略性新兴产业中有着广泛应用,市场前景广阔。我国炭/炭复合材料及其装备工程技术产业化
水平较低,特别是在高端产品、规模化生产能
力和工程化装备领域落后于欧美发达国家,与国家重大工程和新型国民经济发展的需求不相符。并且,由于炭/炭复合材料涉及航空航天等高端技术领域,事关国家安全战略,美、英、法等发达国家禁止相关技术和装备出口。因此,组建“国家炭/炭复合材料工程技术研究中心”可有效整合行业优势工程技术,解决共性
瓶颈关键技术问题,实现高端炭/炭复合材料产业化、高性能炭/炭复合材料低成本化和应用技术装备自主化,对提升国内炭/炭复合材料工程技术水平,打破国外技术封
锁,服务国家重大科技专项工程具有积极意义。
[0003] 国家炭/炭复合材料工程技术研究中心于2013年5月获批建设,组建以来,以高端炭/炭复合材料产业化和高性能炭/炭复合材料低成本化为核心,整合炭/炭复合材料领域优势科技资源,集成了材料设计、制备技术、工艺装备、质控检测和应用考核等关键技术,提升了工程中心的研发能力和水平,形成了具有自主知识产权的核心技术体系,具备了炭/炭复合材料工程技术研究和中试试验所需的
基础条件。开发了高端材料及低成本制备技术,改进了制备工艺,形成了系列化的
质量控制和检测技术标准。实现了“产学研用”成果转化和推广
辐射,开展了国内、国际技术交流与合作,凝聚、培养了一批炭/炭复合材料行业的工程技术创新人才。
[0004] 碳纤维由于具有独特的物理化学性能,广泛应用于航空航天、
汽车、化工、基础设施、军事、体育、能源、纺织等各个领域。但是,碳纤维的类
石墨结构使其表面呈化学惰性、界面能低、界面浸润性能和高温耐
氧化性能差、缺乏具有较高反应活性的化学基团,这使得碳纤维与其它基体材料之间不能形成有效的界面耦合作用,界面强度下降,从而严重影响其力学性能。另外,与染料分子间低的化学键合作用,使其难以
染色,从而导致所开发的碳纤维制品
色调过于单一,难以满足消费者的时尚化需求。
[0005] 现有的实现碳纤维织物着色的方法有:织入约50％的可染色
纱线,如玻璃纤维、涤纶、
铜、芳纶等,但碳纤维织物的机械性能也会相应地下降；苹果公司公布的一项
专利US7790637B2通过增加一个附加的“罩层(scrim)”来改变碳纤维织物的外观
颜色。曼彻斯特大学在不久前开发出一种新的
电致变色树脂,可用作碳纤维
预浸料,使其在外加
电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化。
[0006] 尽管如此,在保持碳纤维织物高机械性能的同时实现其直接着色仍然是科学家需要攻克的难题。近日,我国湖北大学王世敏教授和武汉纺织大学徐卫林教授等指导的研究团队研究出一种有效、易操作的碳纤维织物着色方法,不仅颜色可调,还具有优良的耐洗涤性能。这项研究已经发表在国际材料科学领域顶级期刊《ACS Nano》上(Facile and Effective Coloration of Dye-Inert Carbon Fiber Fabrics with Tunable Colors and Excellent Laundering Durability)。据介绍,该研究主要从仿生结构生色的思路出发,采用ALD(
原子层沉积)技术在碳纤维/织物表面构建尺度各异的非晶Ti O2
薄膜,实现了碳纤维及其织物的着色。
[0007] 结构色是由于自然界中一系列因特殊光学尺度的微观结构对可见光进行选择性反射、色散、散射、干涉、衍射和透射等物理作用而产生的五彩缤纷的
生物色彩。结构色所具有的无污染、不褪色、高饱和
亮度、无虹彩效应的显色机理也使其具有其他染色技术所无法比拟的技术优势和广阔的应用前景。这为碳纤维的生态着色提供了新的思路。
[0008] 大自然中的结构色
[0009] 用于构建结构色的方法包括溶胶-凝胶法、自组装、全息
光刻、喷墨印刷、
阳极氧化、
电泳沉积、电纺和原子层沉积(ALD)等。ALD是一种特殊的
化学气相沉积技术,由于自限制表面化学反应特性,原子层沉积技术具有优异的保形性、大面积生长的均匀性以及精确的亚
单层薄膜厚度可控的特点。
纳米级可控化学键合生长以及优异的保形性特性使其兼具耐服役特性,而且操作方便,
稳定性高,不受基体材料大小和形状的限制,能够原子水平上控制膜的组成结构和厚度,适用性广,对周围环境无污染。
发明内容
[0010] 有鉴于此，本发明提出的一种碳纤维复合材料。
[0011] 一种碳纤维复合材料，利用碳纤维表面存在的
缺陷和含氧官能团，有效启动TiO2薄膜生长的特性,首先引入四异丙醇
钛,通过碳纤维表面上-OH或-COOH的活性基团的自限制化学反应在碳纤维表面形成-OCH(CH3)2,并引入H2O与-OCH(CH3)2反应形成单层TiO2薄膜和外露的-OH,每个步骤之后通过氮气吹除剩余物质。
[0012] 作为优选地，所述缺陷和含氧官能团为-OH和/或-COOH。
[0013] 作为优选地，碳纤维复合材料的颜色通过控制非晶TiO2薄膜的厚度实现，并能通过三原色的复合,即改变碳纤维织物表面原子层沉积的TiO2的厚度,获得其他各种不同的颜色。
[0014] 与
现有技术相比，本发明所形成的TiO2薄膜耐洗涤性能优良,可经受50次的洗涤。这一成果为实现碳纤维及其织物的生态着色指明了方向。
具体实施方式
[0015] 为让本领域的技术人员更加清晰直观的了解本发明，下面将对本发明作进一步的说明。
[0016] 一种碳纤维复合材料，利用碳纤维表面存在的缺陷和含氧官能团，有效启动TiO2薄膜生长的特性,首先引入四异丙醇钛,通过碳纤维表面上-OH或-COOH的活性基团的自限制化学反应在碳纤维表面形成-OCH(CH3)2,并引入H2O与-OCH(CH3)2反应形成单层TiO2薄膜和外露的-OH,每个步骤之后通过氮气吹除剩余物质。
[0017] 作为优选地，所述缺陷和含氧官能团为-OH和/或-COOH。
[0018] 作为优选地，碳纤维复合材料的颜色通过控制非晶TiO2薄膜的厚度实现，并能通过三原色的复合,即改变碳纤维织物表面原子层沉积的TiO2的厚度,获得其他各种不同的颜色。
[0019] 以上所述仅为本发明的较佳
实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
