权利要求

1.一种碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维复合材料包括从内向外依次设置的碳纤维、底漆层、中漆层和面漆层;

其中，所述底漆层的材料包括：改性环氧树脂、硅烷偶联剂和无机纳米填料;

所述中漆层的材料包括：柔性聚氨酯树脂、核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子和片状无机填料;

所述面漆层的材料包括：脂肪族聚氨酯树脂和耐磨填料。

2.如权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，以质量份数计，所述底漆层的材料包括：80份~120份改性环氧树脂、5份~20份硅烷偶联剂和10份~30份无机纳米填料;

和/或，所述中漆层的材料包括：80份~120份柔性聚氨酯树脂、20份~50份核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子和30份~80份片状无机填料;

和/或，所述面漆层的材料包括：80份~120份脂肪族聚氨酯树脂和20份~50份耐磨填料。

3.如权利要求1或2所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述改性环氧树脂包括：改性双酚A型环氧树脂、改性双酚F型环氧树脂和改性酚醛环氧树脂中的至少一种;

和/或，所述改性环氧树脂的改性方式包括：柔性链段增韧改性;

和/或，所述硅烷偶联剂包括：γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的至少一种;

和/或，所述无机纳米填料包括：纳米二氧化硅和纳米二氧化钛中的至少一种。

4.如权利要求1或2所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述柔性聚氨酯树脂包括：脂肪族聚酯型聚氨酯和聚醚型聚氨酯中的至少一种;

和/或，所述核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子的壳层材料包括：甲基丙烯酸甲酯;

和/或，片状无机填料包括：云母粉、玻璃鳞片和滑石粉中的至少一种。

5.如权利要求1或2所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述脂肪族聚氨酯树脂包括：聚酯型脂肪族聚氨酯树脂和丙烯酸酯型脂肪族聚氨酯树脂中的至少一种;

和/或，所述耐磨填料包括：纳米氧化铝、纳米碳化硅和纳米金刚石中的至少一种。

6.如权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述底漆层、所述中漆层和所述面漆层的厚度之比为1：(1.8~2.5)：1。

7.如权利要求1或6所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述底漆层的厚度为：10um~15um;

和/或，所述中漆层的厚度为：10um~15um;

和/或，所述面漆层的厚度为：15um~25um。

8.一种碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料的制备方法用于制备如权利要求1至7中任一项所述的碳纤维复合材料，所述方法包括以下步骤：

提供碳纤维;

在所述碳纤维的表面喷涂底漆，形成底漆层，其中，所述底漆层的材料包括：改性环氧树脂、硅烷偶联剂和无机纳米填料;

在所述底漆层的表面喷涂中漆，形成中漆层，其中，所述中漆层的材料包括：柔性聚氨酯树脂、核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子和片状无机填料;

在所述中漆层的表面喷涂面漆，形成面漆层，得到碳纤维复合材料，其中，所述面漆层的材料包括：脂肪族聚氨酯树脂和耐磨填料。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述底漆、所述中漆和/或所述面漆的喷涂方式包括：空气喷涂法;

其中，所述空气喷涂法中喷枪与工件的距离为：15cm~20cm，气压为0.3MPa~0.5MPa。

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至7中任一项所述的碳纤维复合材料。

说明书

技术领域

[0001]本申请涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料及其制备方法、电子设备。

背景技术

[0002]碳纤维因其极高的比强度、比模量及优异的抗疲劳性能，已成为航空航天、高端运动器材、精密电子结构件等领域的理想轻量化材料。然而，碳纤维表面惰性强、与基体或涂层的附着力差，且在户外、工业等环境下易受腐蚀、磨损，因此，通常需要在其表面喷涂涂层以改善其性能。

[0003]但是，碳纤维主要由石墨微晶构成，其表面呈非极性，官能团稀少，表面能极低。这种本征的惰性表面导致大多数涂料树脂难以对其产生充分的物理浸润和化学键合。传统涂装工艺(如直接喷涂面漆)在碳纤维基材上形成的涂层，往往仅依靠微弱的范德华力结合，附着力普遍偏低。在实际使用中，轻微的机械冲击、冷热循环或环境介质侵蚀都极易引发涂层起泡、开裂乃至大面积脱落，严重损害产品的美观、防护性能和使用寿命。

发明内容

[0004]本申请的主要目的在于提供一种碳纤维复合材料及其制备方法、电子设备，本申请旨在解决碳纤维表面惰性强导致涂层易剥离的问题。

[0005]为实现上述目的，本申请实施例提供一种碳纤维复合材料，包括从内向外依次设置的碳纤维、底漆层、中漆层和面漆层;

其中，所述底漆层的材料包括：改性环氧树脂、硅烷偶联剂和无机纳米填料;

所述中漆层的材料包括：柔性聚氨酯树脂、核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子和片状无机填料;

所述面漆层的材料包括：脂肪族聚氨酯树脂和耐磨填料。

[0006]在一实施例中，以质量份数计，所述底漆层的材料包括：80份~120份改性环氧树脂、5份~20份硅烷偶联剂和10份~30份无机纳米填料。

[0007]在一实施例中，所述中漆层的材料包括：80份~120份柔性聚氨酯树脂、20份~50份核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子和30份~80份片状无机填料。

[0008]在一实施例中，所述面漆层的材料包括：80份~120份脂肪族聚氨酯树脂和20份~50份耐磨填料。

[0009]在一实施例中，所述改性环氧树脂包括：改性双酚A型环氧树脂、改性双酚F型环氧树脂和改性酚醛环氧树脂中的至少一种。

[0010]在一实施例中，所述改性环氧树脂的改性方式包括：柔性链段增韧改性。

[0011]在一实施例中，所述硅烷偶联剂包括：γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。

[0012]在一实施例中，所述无机纳米填料包括：纳米二氧化硅和纳米二氧化钛中的至少一种。

[0013]在一实施例中，所述柔性聚氨酯树脂包括：脂肪族聚酯型聚氨酯和聚醚型聚氨酯中的至少一种。

[0014]在一实施例中，所述核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子的壳层材料包括：甲基丙烯酸甲酯。

[0015]在一实施例中，片状无机填料包括：云母粉、玻璃鳞片和滑石粉中的至少一种。

[0016]在一实施例中，所述脂肪族聚氨酯树脂包括：聚酯型脂肪族聚氨酯树脂和丙烯酸酯型脂肪族聚氨酯树脂中的至少一种。

[0017]在一实施例中，所述耐磨填料包括：纳米氧化铝、纳米碳化硅和纳米金刚石中的至少一种。

[0018]在一实施例中，所述底漆层、所述中漆层和所述面漆层的厚度之比为1：(1.8~2.5)：1。

[0019]在一实施例中，所述底漆层的厚度为：10um~15um。

[0020]在一实施例中，所述中漆层的厚度为：10um~15um。

[0021]在一实施例中，所述面漆层的厚度为：15um~25um。

[0022]为实现上述目的，本申请实施例提供一种碳纤维复合材料的制备方法用于制备如上所述的碳纤维复合材料，所述方法包括以下步骤：

提供碳纤维;

在所述碳纤维的表面喷涂底漆，形成底漆层，其中，所述底漆层的材料包括：改性环氧树脂、硅烷偶联剂和无机纳米填料;

在所述底漆层的表面喷涂中漆，形成中漆层，其中，所述中漆层的材料包括：柔性聚氨酯树脂、核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子和片状无机填料;

在所述中漆层的表面喷涂面漆，形成面漆层，得到碳纤维复合材料，其中，所述面漆层的材料包括：脂肪族聚氨酯树脂和耐磨填料。

[0023]在一实施例中，所述底漆、所述中漆和/或所述面漆的喷涂方式包括：空气喷涂法;

其中，所述空气喷涂法中喷枪与工件的距离为：15cm~20cm，气压为0.3MPa~0.5MPa。

[0024]为实现上述目的，本申请实施例提供一种电子设备，所述电子设备包括如上所述的碳纤维复合材料。

[0025]本申请实施例提供一种碳纤维复合材料，通过梯度功能化涂层结构设计，有效解决了碳纤维表面惰性强、涂层易剥离、耐环境损伤差的核心难题。具体而言，在本申请实施例中，位于碳纤维复合材料内层的底漆利用硅烷偶联剂与无机纳米填料的协同作用，在碳纤维表面实现了化学键合与纳米级物理锚固的双重强附着，奠定了牢固的界面基础;中间层(即中漆层)以柔性聚氨酯为基体，嵌入核壳橡胶粒子与高径厚比片状填料，构建了一个兼具优异弹性、应力耗散与迷宫式阻隔效应的缓冲过渡区，有效吸收和分散了因温差、形变产生的内应力，并显著延缓了腐蚀介质的渗透;最外层的面漆层则以高耐候的脂肪族聚氨酯为连续相，均匀分散高硬度耐磨填料，形成了兼具高光泽、抗紫外线、抗刮擦及耐化学腐蚀的终极防护层。三层涂层在材料模量上形成“硬-软-硬”的梯度匹配，在功能上实现“附着-缓冲-防护”的逐级递进与协同增效，最终使复合材料在保持轻量化优势的同时，获得了远超常规涂层的附着力、耐久性、环境适应性和表面装饰性，极大地拓展了碳纤维在高端电子、户外装备及苛刻工业环境中的应用潜力。

附图说明

[0026]图1为本申请实施例方案涉及的碳纤维复合材料制备方法的流程图。

[0027]本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

[0028]为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

[0029]以下，适当地参照附图详细说明具体公开了本申请的碳纤维复合材料及其制备方法、电子设备的实施方式。但是会有省略不必要的详细说明的情况。例如，有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，便于本领域技术人员的理解。此外，附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本申请而提供的，并不旨在限定权利要求书所记载的主题。

[0030]本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定，给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的，选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的，并且可以进行任意地组合，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，如果针对特定参数列出了60~120和80~110的范围，理解为60~110和80~120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1~3、1~4、1~5、2~3、2~4和2~5。在本申请中，除非有其他说明，数值范围“a~b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0~5”表示本文中已经全部列出了“0~5”之间的全部实数，“0~5”只是这些数值组合的缩略表示。另外，当表述某个参数为≥2的整数，则相当于公开了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。

[0031]如果没有特别的说明，本申请的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。

[0032]如果没有特别的说明，本申请的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，优选是顺序进行的。例如，方法包括步骤(a)和(b)，表示方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b)，也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如，提到方法还可包括步骤(c)，表示步骤(c)可以任意顺序加入到方法，例如，方法可以包括步骤(a)、(b)和(c)，也可包括步骤(a)、(c)和(b)，也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。

[0033]为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明本申请的技术方案。但是本申请不限于所列出的实施例，还应包括在本申请所要求的权利范围内其他任何公知的改变。

[0034]为了更好的理解本申请的技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式进行详细的说明。

[0035]碳纤维主要由石墨微晶构成，其表面呈非极性，官能团稀少，表面能极低。这种本征的惰性表面导致大多数涂料树脂难以对其产生充分的物理浸润和化学键合。传统涂装工艺(如直接喷涂面漆)在碳纤维基材上形成的涂层，往往仅依靠微弱的范德华力结合，附着力普遍偏低。在实际使用中，轻微的机械冲击、冷热循环或环境介质侵蚀都极易引发涂层起泡、开裂乃至大面积脱落，严重损害产品的美观、防护性能和使用寿命。

[0036]本申请实施例提供一种碳纤维复合材料，通过梯度功能化涂层结构设计，有效解决了碳纤维表面惰性强、涂层易剥离、耐环境损伤差的核心难题。具体而言，在本申请实施例中，位于碳纤维复合材料内层的底漆利用硅烷偶联剂与无机纳米填料的协同作用，在碳纤维表面实现了化学键合与纳米级物理锚固的双重强附着，奠定了牢固的界面基础;中间层(即中漆层)以柔性聚氨酯为基体，嵌入核壳橡胶粒子与高径厚比片状填料，构建了一个兼具优异弹性、应力耗散与迷宫式阻隔效应的缓冲过渡区，有效吸收和分散了因温差、形变产生的内应力，并显著延缓了腐蚀介质的渗透;最外层的面漆层则以高耐候的脂肪族聚氨酯为连续相，均匀分散高硬度耐磨填料，形成了兼具高光泽、抗紫外线、抗刮擦及耐化学腐蚀的终极防护层。三层涂层在材料模量上形成“硬-软-硬”的梯度匹配，在功能上实现“附着-缓冲-防护”的逐级递进与协同增效，最终使复合材料在保持轻量化优势的同时，获得了远超常规涂层的附着力、耐久性、环境适应性和表面装饰性，极大地拓展了碳纤维在高端电子、户外装备及苛刻工业环境中的应用潜力。

[0037]本申请实施例提供一种碳纤维复合材料，包括从内向外依次设置的碳纤维、底漆层、中漆层和面漆层;

其中，底漆层的材料包括：改性环氧树脂、硅烷偶联剂和无机纳米填料;

中漆层的材料包括：柔性聚氨酯树脂、核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子和片状无机填料;

面漆层的材料包括：脂肪族聚氨酯树脂和耐磨填料。

[0038]在一可行实施例中，碳纤维复合材料中的底漆层作为与碳纤维直接接触的界面层，其核心任务是克服碳纤维表面惰性，建立牢固的、不可逆的结合。底漆层的改性环氧树脂作为底漆层的成膜基体，提供优异的润湿性、高强度和与后续涂层的反应活性。而硅烷偶联剂则作为关键界面桥接成分，其分子一端的烷氧基水解后与碳纤维表面潜在的微量羟基形成Si-O-C共价键，另一端的有机官能团则与环氧树脂发生化学反应，从而在碳纤维与树脂基体间构筑“分子桥”，实现化学键合。同时，通过无机纳米填料的加入提供物理增强与锚固，其纳米尺寸效应赋予填料巨大的比表面积，能深入到碳纤维编织纹理中，产生“钉扎”效应。同时，其可提升底漆的模量、耐磨性和内聚强度。

[0039]可选地，底漆层的材料还包括：溶剂和其他添加剂，例如，分散剂、消泡剂等，本申请实施例对此不加以限制。

[0040]在一可行实施例中，碳纤维复合材料中的中漆层作为功能性的中间层，主要承担应力吸收、分散和阻隔腐蚀介质纵向渗透的任务。中漆层中的柔性聚氨酯树脂具有低玻璃化转变温度和高断裂伸长率的成膜基体，赋予该层优异的弹性和形变回复能力，是吸收冲击能和热应力的关键。而核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子的软核可发生大形变吸收能量，硬壳保证与树脂的良好相容性，当涂层受力或产生微裂纹时，这些粒子能诱导裂纹偏转、分支和钉扎，显著提升涂层韧性。此外，片状无机填料则是具有高径厚比的片状结构，其在涂层中平行于基材排列，从而能够形成迷宫效应，极大地延长了水、氧气、腐蚀离子等介质的渗透路径，是提升耐腐蚀性的关键。同时，片状填料也能在平面方向增强涂层，分散应力。

[0041]可选地，中漆层的材料还包括：溶剂和其他添加剂，例如，分散剂、消泡剂等，本申请实施例对此不加以限制。

[0042]在一可行实施例中，碳纤维复合材料中的面漆层作为最外层，直接与外部环境接触，提供装饰性外观、抵抗机械磨损和紫外线、化学腐蚀等环境老化因素。面漆层中的脂肪族聚氨酯树脂能够提供优异的耐候性(抗黄变、抗粉化)、高光泽、良好的机械强度和一定的柔韧性。而耐磨填料则是高硬度颗粒，能够均匀分散于树脂中，直接承担并分散外部摩擦、刮擦的应力，极大提升涂层表面硬度和耐磨寿命。

[0043]可选地，面漆层的材料还包括：溶剂和其他添加剂，例如，紫外线吸收剂、光稳定剂、流平剂等，共同保障漆膜外观和长期耐候性，本申请实施例对此不加以限制。

[0044]在一可行实施方式中，以质量份数计，底漆层的材料包括：80份~120份改性环氧树脂、5份~20份硅烷偶联剂和10份~30份无机纳米填料。

[0045]可选地，以质量份数计，底漆层的材料包括改性环氧树脂80份、85份、90份、95份、100份、105份、110份、115份、120份等。

[0046]可选地，以质量份数计，底漆层的材料包括硅烷偶联剂5份、10份、15份、20份等。

[0047]可选地，以质量份数计，底漆层的材料包括无机纳米填料10份、15份、20份、25份、30份等。

[0048]在本实施例中，若底漆层中的硅烷偶联剂含量过低，则界面化学键合可能不足;而多硅烷偶联剂含量过高，则过量偶联剂可能自聚或影响树脂本体性能。而若纳米填料含量过低，则物理锚固与增强效果弱，若含量过高，则分散较为困难，漆膜变脆，且可能影响树脂对纤维的浸润。因此，本申请实施例确定以质量份数计，底漆层的材料包括：80份~120份改性环氧树脂、5份~20份硅烷偶联剂和10份~30份无机纳米填料。

[0049]在一可行实施方式中，以质量份数计，中漆层的材料包括：80份~120份柔性聚氨酯树脂、20份~50份核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子和30份~80份片状无机填料。

[0050]可选地，以质量份数计，中漆层的材料包括柔性聚氨酯树脂80份、85份、90份、95份、100份、105份、110份、115份、120份等。

[0051]可选地，以质量份数计，中漆层的材料包括核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子20份、30份、40份、50份等。

[0052]可选地，以质量份数计，中漆层的材料包括片状无机填料30份、40份、50份、60份、70份、80份等。

[0053]在本实施例中，若中漆层中的核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子含量过低，则增韧效果不显著;而若含量过高，则可能导致涂层模量过低，影响整体支撑性。若片状无机填料的含量过低，则“迷宫”阻隔效应不足，而若含量过高，则加工性变差，涂层柔韧性下降，层间结合可能变弱。因此，本申请实施例确定以质量份数计，中漆层的材料包括：80份~120份柔性聚氨酯树脂、20份~50份核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子和30份~80份片状无机填料。

[0054]在一可行实施方式中，以质量份数计，面漆层的材料包括：80份~120份脂肪族聚氨酯树脂和20份~50份耐磨填料。

[0055]可选地，以质量份数计，中漆层的材料包括脂肪族聚氨酯树脂80份、85份、90份、95份、100份、105份、110份、115份、120份等。

[0056]可选地，以质量份数计，中漆层的材料包括耐磨填料20份、30份、40份、50份等。

[0057]在本实施例中，若中漆层中的耐磨填料含量过低，则其表面硬度与耐磨性提升有限，而若含量过高，则树脂包覆不足，填料易团聚脱落，涂层光泽下降，韧性变差。因此，本申请实施例确定以质量份数计，面漆层的材料包括：80份~120份脂肪族聚氨酯树脂和20份~50份耐磨填料。

[0058]可以理解的是，本申请实施例的三层结构并非简单堆叠，而是构成了一个功能互补、性能梯度的有机整体，其中，底漆提供强大锚固，将应力牢固地传递至中漆。中漆的柔性则作为“缓冲垫”，将来自面漆或外界的集中应力(如冲击、热应力)分散为更温和的分布应力，避免了应力在刚性的底漆界面处集中而导致剥离。而中漆的柔韧性为硬质的面漆提供了“弹性地基”，使面漆在承受局部压力或弯曲时不易开裂。同时，中漆的阻隔作用保护了底层免受因面漆微损伤而渗入的介质侵蚀。碳纤维复合材料从高模量的底漆(强附着)到低模量的中漆(应力缓冲)再到高模量的面漆(硬质防护)，形成了一个“硬-软-硬”的模量梯度。这种设计使得在受到外力或温度变化时，各层间的模量变化平缓，极大降低了因模量突变而产生的层间剪切应力。

[0059]在一可行实施方式中，改性环氧树脂包括：改性双酚A型环氧树脂、改性双酚F型环氧树脂和改性酚醛环氧树脂中的至少一种。

[0060]在一可行实施方式中，改性环氧树脂的改性方式包括：柔性链段增韧改性。

[0061]可选地，改性环氧树脂包括柔性链段增韧改性的改性双酚A型环氧树脂、柔性链段增韧改性的改性双酚F型环氧树脂和柔性链段增韧改性的改性酚醛环氧树脂中的至少一种。

[0062]可选地，可以通过化学合成，在环氧树脂的分子链中引入如聚醚、聚酯、聚氨酯、聚丁二烯或聚硅氧烷等具有高柔顺性、长链段的聚合物。这些柔性链段作为内增韧剂，在材料受力时能够通过链段的伸展、滑移、剪切屈服等方式吸收和耗散大量能量，从而阻止裂纹的引发和扩展。

[0063]可选地，在环氧树脂合成后期或使用前，加入一端或两端为胺基(-NH2)或羟基(-OH)的聚醚胺(如D-230，D-400，其主链为聚丙二醇)或聚醚多元醇，与环氧基团发生开环反应。这样，柔性的聚醚链段就被化学键合到环氧主链或成为网络的一部分。

[0064]可选地，将CTBN与环氧树脂在催化剂存在下进行预反应，CTBN的羧基与环氧基反应生成酯键，形成环氧树脂-CTBN的嵌段共聚物。

[0065]可选地，使用环氧基封端的聚二甲基硅氧烷或氨基硅油与双酚F环氧树脂反应。

[0066]在本实施例中，经过上述改性的环氧树脂，在保持其高强度、高模量与良好耐热性的同时，其断裂韧性、抗冲击性以及对低表面能基材(即碳纤维)的浸润性和附着性能均得到显著提升，这为底漆层与碳纤维基材之间形成强韧、耐久的界面结合提供了关键的树脂基体材料。

[0067]在一可行实施方式中，硅烷偶联剂包括：γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。

[0068]在一可行实施方式中，无机纳米填料包括：纳米二氧化硅和纳米二氧化钛中的至少一种。

[0069]在一可行实施方式中，柔性聚氨酯树脂包括：脂肪族聚酯型聚氨酯和聚醚型聚氨酯中的至少一种。

[0070]在一可行实施方式中，核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子的壳层材料包括：甲基丙烯酸甲酯。

[0071]在一可行实施方式中，片状无机填料包括：云母粉、玻璃鳞片和滑石粉中的至少一种。

[0072]在一可行实施方式中，聚酯型脂肪族聚氨酯树脂和丙烯酸酯型脂肪族聚氨酯树脂中的至少一种。

[0073]在一可行实施方式中，耐磨填料包括：纳米氧化铝、纳米碳化硅和纳米金刚石中的至少一种。

[0074]在一可行实施方式中，底漆层的厚度为：10um~15um。例如，底漆层的厚度为：10um、11um、12um、14um、15um等。若底漆层的厚度过薄，则难以完全覆盖并渗透碳纤维表面，形成连续有效的锚固层;而若其厚度过厚则自身内应力增大，且可能因固化收缩导致开裂风险增加。因此，本申请实施例确定底漆层的厚度为：10um~15um。

[0075]在一可行实施方式中，中漆层的厚度为：10um~15um。例如，中漆层的厚度为：10um、12um、14um、15um等。中漆层作为核心的应力缓冲和阻隔层，必须具有足够的厚度才能有效发挥功能，若其过薄，则缓冲和阻隔效果不足，若其过厚则可能影响整体结构刚度，增加成本，且固化难度加大。因此，本申请实施例确定中漆层的厚度为：10um~15um。

[0076]在一可行实施方式中，面漆层的厚度为：15um~25um。例如，面漆层的厚度为：15um、20um、25um等。若面漆层过薄，则耐磨填料层不足以提供持久防护，易被磨穿;若其过厚则可能导致脆性增加，在受力时易产生贯穿性裂纹。因此，本申请实施例确定面漆层的厚度为：15um~25um。

[0077]在一可行实施方式中，底漆层、中漆层和面漆层的厚度之比为1：(1.8~2.5)：1。例如，底漆层、中漆层和面漆层的厚度之比为1：1.8：1、1：1.9：1、1：2：1、1：2.1：1、1：2.2：1、1：2.3：1、1：2.4：1、1：2.5：1。

[0078]在本是实施例中，通过上述比例确保了中漆层作为功能主体具有最充足的厚度，是实现有效应力缓冲和介质阻隔的结构基础，而底漆与面漆厚度相当，体现了界面附着与表面防护的同等重要性，两者共同服务于被充分保护的中漆层。若中漆层厚度比例过低，则缓冲空间不足，应力易传导至界面;若中漆层过厚，则可能导致整体涂层过软，支撑性下降，且与底/面漆的结合界面变为相对的薄弱环节。上述厚度比例关系，是经过大量实验验证的、能够使“硬-软-硬”梯度结构发挥最优协同效应的关键几何参数，其带来的附着力、耐冲击性和耐环境循环性能的提升。

[0079]在本实施例中，通过梯度功能化涂层结构设计，有效解决了碳纤维表面惰性强、涂层易剥离、耐环境损伤差的核心难题。具体而言，在本申请实施例中，位于碳纤维复合材料内层的底漆利用硅烷偶联剂与无机纳米填料的协同作用，在碳纤维表面实现了化学键合与纳米级物理锚固的双重强附着，奠定了牢固的界面基础;中间层(即中漆层)以柔性聚氨酯为基体，嵌入核壳橡胶粒子与高径厚比片状填料，构建了一个兼具优异弹性、应力耗散与迷宫式阻隔效应的缓冲过渡区，有效吸收和分散了因温差、形变产生的内应力，并显著延缓了腐蚀介质的渗透;最外层的面漆层则以高耐候的脂肪族聚氨酯为连续相，均匀分散高硬度耐磨填料，形成了兼具高光泽、抗紫外线、抗刮擦及耐化学腐蚀的终极防护层。三层涂层在材料模量上形成“硬-软-硬”的梯度匹配，在功能上实现“附着-缓冲-防护”的逐级递进与协同增效，最终使复合材料在保持轻量化优势的同时，获得了远超常规涂层的附着力、耐久性、环境适应性和表面装饰性，极大地拓展了碳纤维在高端电子、户外装备及苛刻工业环境中的应用潜力。

[0080]本申请实施例还提供一种碳纤维复合材料制备方法，用于制备如上所述的碳纤维复合材料，参照图1，包括以下步骤：

步骤S10，提供碳纤维;

步骤S20，在碳纤维的表面喷涂底漆，形成底漆层，其中，底漆层的材料包括：改性环氧树脂、硅烷偶联剂和无机纳米填料;

在一可行实施例中，对碳纤维进行清洁与活化处理，以确保最佳的涂层附着力，进而将底漆各组分按预定比例混合，并采用高速分散机或篮式研磨机进行充分分散，粘度调节至适合喷涂的范围;进而采用空气喷涂法进行施工，喷涂完成后，将工件置于烘箱中，在60℃~80℃下预热固化5 min~ 15 min，使底漆层达到“指触干”状态(即表面已初步成膜，不粘手，但内部仍保留一定反应活性)，以在碳纤维的表面形成底漆层。

[0081]可选地，空气喷涂法中喷枪与工件的距离为：15cm~20cm，气压为0.3MPa~0.5MPa。

[0082]步骤S30，在底漆层的表面喷涂中漆，形成中漆层，其中，中漆层的材料包括：柔性聚氨酯树脂、核壳结构丙烯酸酯橡胶粒子和片状无机填料;

在一可行实施例中，将中漆各组分混合，在处于“指触干”状态的底漆层上，采用相同的空气喷涂法进行中漆喷涂，形成中漆层。

[0083]步骤S40，在中漆层的表面喷涂面漆，形成面漆层，得到碳纤维复合材料，其中，面漆层的材料包括：脂肪族聚氨酯树脂和耐磨填料。

[0084]在一可行实施例中，将面漆各组分混合，在中漆层上，继续采用空气喷涂法喷涂面漆，而在面漆喷涂完成后，进行固化，形成面漆层，得到碳纤维复合材料。

[0085]可选地，可以采用阶梯升温固化工艺：首先在70℃~85℃下固化0.8h~1.5h，使溶剂充分挥发、涂层初步交联;然后升温至100℃~110℃，继续固化1.5h ~ 2h，以确保各涂层完全固化并实现最佳的层间互穿与交联。固化完成后，自然冷却至室温。

[0086]与常规技术相比，本申请实施例提供的碳纤维复合材料制备方法的有益效果与上述实施例提供的碳纤维复合材料的有益效果相同，且该碳纤维复合材料制备方法中的其他技术特征与上述实施例方法公开的特征相同，在此不做赘述。

[0087]本申请实施例还提供一种电子设备，包括如上所述的碳纤维复合材料。

[0088]可选地，电子设备可以为可穿戴设备，例如，智能手表、智能手环等，本申请实施例对此不加以限制。

[0089]与常规技术相比，本申请实施例提供的电子设备的有益效果与上述实施例提供的碳纤维复合材料的有益效果相同，且该电子设备中的其他技术特征与上述实施例方法公开的特征相同，在此不做赘述。

[0090]为使本申请上述实施例细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本申请实施例的进步性能显著的体现，以下通过多个实施例来举例说明上述技术方案。

[0091]实施例1

碳纤维复合材料包括从内至外依次设置的：碳纤维、底漆层、中漆层和面漆层;

其中，底漆层的厚度为12um，底漆层的材料包括：改性双酚A型环氧树脂(经聚醚胺D400增韧)100份，γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)10份，纳米二氧化硅(20nm)20份;

中漆层的厚度为12um，中漆层的材料包括：聚酯型脂肪族聚氨酯树脂100份，核壳丙烯酸酯橡胶粒子(壳层为PMMA，平均粒径150nm)30份，云母粉(径厚比>50)50份;

面漆层的厚度为20um，面漆层的材料包括：羟基丙烯酸酯型脂肪族聚氨酯树脂100份，纳米氧化铝(莫氏硬度9，粒径200nm)30份。

[0092]实施例2

碳纤维复合材料包括从内至外依次设置的：碳纤维、底漆层、中漆层和面漆层;

其中，底漆层的厚度为 10um，底漆层的材料包括：改性双酚F型环氧树脂(经CTBN增韧)90份，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)15份，纳米二氧化钛(30nm)15份;

中漆层的厚度为15um，中漆层的材料包括：聚醚型聚氨酯树脂110份，核壳丙烯酸酯橡胶粒子(壳层为PMMA，平均粒径150nm)40份，玻璃鳞片(径厚比>100)70份;

面漆层的厚度为18um，面漆层的材料包括：聚酯型脂肪族聚氨酯树脂95份，纳米碳化硅(莫氏硬度9.5)40份。

[0093]实施例3

碳纤维复合材料包括从内至外依次设置的：碳纤维、底漆层、中漆层和面漆层;

其中，底漆层的厚度为11um，底漆层的材料包括：改性酚醛环氧树脂(采用聚醚胺D2000固化增韧)110份，KH-5508份，纳米二氧化硅(15nm)25份;

中漆层的厚度为14um，中漆层的材料包括：脂肪族聚酯型聚氨酯树脂95份，核壳丙烯酸酯橡胶粒子(壳层为PMMA，平均粒径150nm)25份，滑石粉(径厚比>30)35份;

面漆层的厚度为22um，面漆层的材料包括：丙烯酸酯型脂肪族聚氨酯树脂105份，纳米氧化铝25份。

[0094]对比例1

与实施例1之间的区别在于：未设置中漆层。

[0095]对比例2

与实施例1之间的区别在于：底漆层的厚度为15 um、中漆层的厚度为 6um以及面漆层的厚度为40um。

[0096]对上述实施例1~3和对比例1~2进行性能测试包括：

(1)按照国家标准GB/T 9286-2021《色漆和清漆 划格试验》进行涂层附着力测试。使用单刃或多刃切割刀具，在涂层表面切割出6条平行的切割线，再以约90°角切割出另6条平行线，形成网格图形，切割间距为1 mm。使用专用压辊将标准胶带(如3M 600型)牢固粘贴在网格区域，并在(60 ± 30)秒内，以接近60°角的方向快速撕离胶带。在良好照明条件下，使用至少5倍的放大镜检查网格区域涂层的脱落情况，并根据标准中规定的0B(最好)至5B(最差)分级图谱进行评级。本申请要求的合格标准为评级达到0级或1级(对应旧版标准中的5B或4B，即切割边缘完全光滑，或交叉处有少许涂层脱落，但受影响面积不大于5%)。

[0097](2)按照国家标准GB/T 6739-2022《色漆和清漆 铅笔法测定漆膜硬度》进行涂层铅笔硬度测试。使用一组中华牌或三菱牌标准绘图铅笔，硬度从6B(最软)到9H(最硬)。将试样置于稳固水平面上，手持铅笔使其与涂层表面呈45°角，以约1 cm/s的速度向前推进约7mm。从最软的铅笔开始测试，逐步尝试更硬的铅笔，直至某硬度等级的铅笔在涂层上造成永久性划伤(划破漆膜)。涂层的铅笔硬度定义为不造成漆膜划伤的硬度最高的一支铅笔的硬度等级。例如，若用2H铅笔未划伤，而用3H铅笔划伤，则涂层铅笔硬度报告为2H。本申请要求的合格标准为硬度不小于2H。

[0098](3)按照国家标准GB/T 1768-2006《色漆和清漆 耐磨性的测定 旋转橡胶砂轮法》进行涂层耐磨性测试。使用Taber型耐磨试验机，配置CS-10型标准磨轮，每个磨轮施加(500± 5)g的载荷(总负载1 kg)。在规定的转速下，使试样平台旋转。耐磨性以磨穿涂层至露出底材(或达到规定磨损程度)时所承受的磨轮旋转圈数来表示，或在固定旋转圈数(如500圈或1000圈)后，测量涂层的质量损耗(mg)。本申请中，为直观体现防护效果，可采用前者作为判定标准，要求在负载1 kg的CS-10磨轮下，涂层经≥500圈(或其他经实验验证的更高圈数)磨损后不露底材。

[0099]性能测试结果参照下表1所示：

表1

[0100]根据上述实验结果可知，本申请实施例1~3的附着力均达到0级或1级的优异水平，这有力地证明了本申请实施例的底漆层能有效克服碳纤维表面的化学惰性，形成强韧的化学键合与物理锚固。而对比例1尽管使用了相同的底漆和面漆，但是附着力仅为2级。这表明，缺少中漆层的应力缓冲，即使在良好初始附着下，切割测试时的应力仍直接导致界面处涂层更易脱落。证明了三层结构对于维持优异附着力的必要性。而对比例2的附着力同样仅为2级，说明当中漆层缓冲不足(厚度过薄)时，无法有效分散测试应力，导致附着表现下降。进一步地，本申请实施例1~3在保持高硬度(2H-3H)的同时，耐磨性远超500圈的合格标准，达到750圈以上，最优实施例超过1000圈。这表面本申请实施例实现了高硬度与高韧性的理想结合。而对比例1的硬度虽高(3H)，但耐磨性极差(220圈露底)。这是因为硬质面漆直接附着在硬质底漆上，缺乏缓冲，在摩擦应力下脆性剥落，反面印证了中漆层作为“弹性地基”对于保护面漆、实现长效耐磨的不可或缺性。

[0101]以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的专利保护范围。

说明书附图(1)