CN101532253A - 碳纤维复合材料制品及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纤维复合材料制品，该碳纤维复合材料制品包括层压在一起的多层碳纤维布，该层压的多层碳纤维布通过固化的热固性树脂而结合成一体，其特征在于，至少部分所述多层碳纤维布的纹路方向是相互错开的。根据本发明提供的制品，由于至少部分所述多层碳纤维布的纹路方向是相互错开的，因而树脂在碳纤维布上分布较均匀，形成的碳纤维复合材料制品初坯的表面不容易出现小凹坑，因此无需补土和打磨过程，因而该碳纤维复合材料制品成本较低，易于加工。

Description

碳纤维复合材料制品及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合材料制品及其制造方法。
背景技术
碳纤维是当今国际工业发达国家普遍使用的工业原料，碳纤维具有质量轻、高强度、高模量、耐高温(最高可达2000℃)、耐腐蚀以及抗疲劳性能显著高于钢、铝等特点。由碳纤维与例如树脂等基体制成的碳纤维复合材料因其优异的物理和化学性能而广泛地应用于宇航工业、航空工业、交通运输、运动器材、土木建筑、消防等领域。此外，碳纤维还有电磁屏蔽、防静电等特点，适合于在电子电器领域应用，目前在电子类产品上尚未广泛应用，只是少量使用于笔记本外壳，工艺技术都处于研发阶段。在这一领域，碳纤维复合材料将会有广泛的应用空间。本发明将主要涉及碳纤维复合材料制品及其制造方法，特别是用于手机外壳的碳纤维复合材料制品及其制造方法。
碳纤维复合材料制品通常由碳纤维和基体(例如树脂、金属、陶瓷等)复合而成，应用较广泛的是由碳纤维布和树脂(例如环氧树脂、酚醛树脂等)通过热压成型而形成的碳纤维复合材料制品。该碳纤维复合材料制品的制造方法通常包括以下步骤：提供预浸有树脂的多层碳纤维布、将所述多层碳纤维布叠加并平铺于热压模具内、将该叠加的多层碳纤维布热压成型以形成碳纤维复合材料制品初坯、对所述碳纤维复合材料制品初坯进行补土。并打磨光滑、以及在所述碳纤维复合材料制品初坯表面形成漆层。通常情况下，由于碳纤维布在编织时有一定的纹路，在纵横编织的位置会有细小的孔隙，因此在将多层碳纤维布叠加时，每层碳纤维布的孔隙重叠会使树脂在碳纤维布上分布不均匀，使得热压成型形成的碳纤维复合材料制品初坯的表面出现小凹坑。因此，在所述碳纤维复合材料制品初坯表面形成漆层之前，必须对所述碳纤维复合材料制品初坯进行补土并打磨光滑，以便在所述碳纤维复合材料制品初坯表面形成比较均匀而牢固的漆层。所述补土过程主要用于填补碳纤维复合材料制品初坯表面的小凹坑，例如可以通过以刷或喷涂的方式在该初坯表面补充液态树脂，然后进行烘烤使树脂固化来实现。补土后还需要用水砂纸将补土后的初坯表面打磨光滑。根据所述碳纤维复合材料制品初坯的表面的光滑程度，可能需要多次的补土和打磨过程。
因此，现有的碳纤维复合材料制品的制造方法在所述碳纤维复合材料制品初坯表面形成漆层之前，必须对所述碳纤维复合材料制品初坯进行补土并打磨光滑，因而该方法烦琐费时，生产效率低，从而造成现有的碳纤维复合材料制品的成本较高，不易于加工。
发明内容
本发明的第一个目的在于针对现有的碳纤维复合材料制品的成本较高，不易于加工的问题，提供一种成本较低、易于加工的碳纤维复合材料制品。
本发明的第二个目的在于针对现有的碳纤维复合材料制品的制造方法的烦琐费时、生产效率低的问题，提供一种方便快捷、生产效率较高的碳纤维复合材料制品的制造方法。
为了实现本发明的第一个目的，本发明提供了一种碳纤维复合材料制品，该碳纤维复合材料制品包括层压在一起的多层碳纤维布，该层压的多层碳纤维布通过固化的热固性树脂而结合成一体，其中，至少部分所述多层碳纤维布的纹路方向是相互错开的。
根据本发明提供的碳纤维复合材料制品，由于至少部分所述多层碳纤维布的纹路方向是相互错开的，因此碳纤维复合材料制品的表面不容易出现小凹坑，因此无需补土和打磨过程，从而该制品的成本较低、易于加工。
为了实现本发明的第二个目的，本发明提供了一种碳纤维复合材料制品的制造方法，该方法包括以下步骤：提供预浸有树脂的多层碳纤维布、将所述多层碳纤维布叠加并平铺于热压模具内以及将该叠加的多层碳纤维布热压成型以形成碳纤维复合材料制品，其中，在叠加所述多层碳纤维布时使至少部分所述碳纤维布的纹路方向相互错开。
根据本发明提供的碳纤维复合材料制品的制造方法，由于在叠加所述多层碳纤维布时使至少部分所述碳纤维布的纹路方向相互错开，因而树脂在碳纤维布上分布较均匀，热压成型形成的碳纤维复合材料制品的表面不容易出现小凹坑，因此无需补土和打磨过程，因而该方法方便快捷、生产效率较高。
附图说明
图1是多层单向碳纤维布的示意图；
图2是多层单向碳纤维布的叠加示意图；
图3是图2所示的多层单向碳纤维布的叠加后效果的示意图；
图4是多层编织碳纤维布的示意图；
图5是多层编织碳纤维布的叠加示意图；
图6是图5所示的多层编织碳纤维布的叠加后效果的示意图；
图7是图6中A部分的放大示意图；
图8是本发明提供的手机外壳的整体示意图；
图9是本发明提供的手机外壳的正面示意图；
图10是图8所示的手机外壳的剖面示意图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式来对本发明进行详细说明。
根据本发明的一种碳纤维复合材料制品包括层压在一起的多层碳纤维布，该层压的多层碳纤维布通过固化的热固性树脂而结合成一体，其中，至少部分所述多层碳纤维布的纹路方向是相互错开的。
文中所述的碳纤维布的纹路方向是指形成碳纤维布的碳纤维丝(或部分碳纤维丝)在形成纹路时的走向。碳纤维布通常包括单向碳纤维布110a和编织碳纤维布110b。图1至图3是根据本发明提供的碳纤维复合材料制品的多层单向碳纤维布110a的叠加方式的示意图。如图1所示，单向碳纤维布110a是指形成碳纤维布的各股碳纤维丝111朝一个方向布置，通过粘接剂(例如树脂等)或其他材料将各股碳纤维丝111以粘接或编织等方式进行固定而形成，从而单向碳纤维布110a的纹路方向P便是碳纤维丝111的布置方向。从图1中可以看出，形成单向碳纤维布110a的各股碳纤维丝111之间可能会存在孔隙112。图2是多层(六层)单向碳纤维布110的叠加示意图，从图中可以看出，从上往下数，第一、第二和第三层单向碳纤维布110a的纹路方向P1、P2和P3依次相互错开45°左右，第四、第五和第六层单向碳纤维布110a的纹路方向P4、P5和P6也依次相互错开45°左右。图3是图2所示的多层单向碳纤维布110a叠加后效果的示意图，从图中可以看出，各层碳纤维布的碳纤维丝之间的孔隙112至少部分相互错开。
图4至图7是根据本发明提供的碳纤维复合材料制品的多层编织碳纤维布110b的叠加方式的示意图。如图4所示，编织碳纤维布110b是指形成碳纤维布的各股碳纤维丝111朝至少两个方向布置，通过将不同方向的碳纤维丝111进行编织而形成，例如双向碳纤维布(即十字编织而形成)、多向碳纤维布等。从而可以将其中一个方向的碳纤维丝111的布置方向确定为多向碳纤维布110b的纹路方向P，例如图4所示的实施方式中将纵向布置的碳纤维丝111的布置方向作为该编织碳纤维布110b的纹路方向P。从图4中可以看出，形成编织碳纤维布110b的各股碳纤维丝111在纵横编织处可能会存在孔隙112。图5是多层(两层)编织碳纤维布110b(双向碳纤维布)的叠加示意图，在该图中，第一层(从上往下数)的编织碳纤维布110b上的孔隙1121用空心的圆点表示，第二层的编织碳纤维布110b上的孔隙1122用实心的圆点表示。从图中可以看出，该两层双向碳纤维布110的纹路方向P1、P2相互错开45°左右。图6是图5所示的多层编织碳纤维布110b的叠加后效果的示意图，图7是图6中A部分的放大示意图，从图中可以看出，第一层碳纤维布的纵横编织处的孔隙1121与第二层碳纤维布的纵横编织处的孔隙1122相互错开，从而其表面上的孔隙分布比较均匀，且均较浅，不会出现因每层碳纤维布的孔隙叠加而导致的树脂在碳纤维布上分布不均匀进而使得热压成型形成的碳纤维复合材料制品的表面出现小凹坑的问题。因此，根据本发明提供的碳纤维复合材料制品无需补土和打磨过程，从而该制品的成本较低、易于加工。
图1至图7中仅示出了多层单向碳纤维布的叠加情况和多层编织碳纤维布的叠加情况，但是本发明并不限于以上两种情况，例如在实际生产中经常会出现单向碳纤维布和编织碳纤维布混合相互叠加的情况，其原理相同，在此不再赘述。
根据本发明提供的碳纤维复合材料制品，可以仅有部分所述多层碳纤维布的纹路方向相互错开，优选情况下，所述多层碳纤维布中任何两层相邻的碳纤维布的纹路方向错开相同的角度。由于在层压(例如热压)过程中，所述碳纤维布和树脂会因膨胀而变形，而且碳纤维布和树脂的膨胀程度不同，从而产生内部应力，导致碳纤维复合材料制品产生一定的变形或翘曲。当所述多层碳纤维布中任何两层相邻的碳纤维布的纹路方向错开相同的角度时，多层碳纤维布在厚度方向上设计得均衡对称，从而内部应力可以至少部分地相互抵消，以便减少所述碳纤维复合材料制品的变形或翘曲现象。可以根据具体情况来选择所述错开的角度，例如可以为5°—90°。优选情况下，所述错开的角度为45°。从而可以最大程度地达到各向同性，将碳纤维复合材料制品的发生变形或翘曲现象减到最少。
根据本发明提供的碳纤维复合材料制品还可以包括形成于其表面的漆层。所述漆层为本领域公知的技术，本发明对此不作特别的限定。所述漆层通常为透明漆层，可以为碳纤维复合材料制品提供光亮的外观效果，同时也可以增强产品的表面强度。所述漆层可以包括底漆层和面漆层，底漆层可以填补碳纤维复合材料制品在热压过程中可能出现的凹孔，且底漆层作为中间层，可以增加面漆层与所述碳纤维复合材料制品的附着力。所述面漆层可以采用与底漆层相同的材料来形成，也可以采用与底漆层不同的材料来形成，例如采用硬度更高的材料，从而进一步增强产品的表面硬度。例如，所述底漆层可以为环氧树脂漆、聚氨酯漆、酚醛树脂漆等，所述面漆层可以为聚氨酯漆、丙烯酸酯漆等。
所述碳纤维复合材料制品可以包括由碳纤维材料和基体形成的各种制品，例如各种板材、手机外壳、手提电脑外壳或它们的主体等，作为一种具体的实施方式，所述制品为手机外壳。各种制品因其功能不同可以包括不同的结构件，对于尺寸较小、结构较复杂的结构件则可以通过其他方法制成，例如可以采用精密注塑的方法形成，然后将该结构件粘贴到所述制品主体上。例如，对于手机外壳，所述结构件可以包括用于将手机外壳可拆卸地固定到手机主体上的卡扣。此时，所述结构件可以仅包括所述卡扣，也可以还包括与所述卡扣形成为一体的粘贴面，该粘贴面的形状可以与待粘贴的手机外壳主体表面相匹配，从而扩大粘贴面积，增加粘贴强度。
以下将说明根据本发明提供的碳纤维复合材料制品的其中一种制造方法。
根据本发明的一种碳纤维复合材料制品的制造方法包括以下步骤：提供预浸有树脂的多层碳纤维布、将所述多层碳纤维布叠加并平铺于热压模具内以及将该叠加的多层碳纤维布热压成型以形成碳纤维复合材料制品，其中，在叠加所述多层碳纤维布时使至少部分所述碳纤维布的纹路方向相互错开。
根据本发明提供的碳纤维复合材料制品的制造方法，由于在叠加所述多层碳纤维布时使至少部分所述碳纤维布的纹路方向相互错开，因而树脂在碳纤维布上分布较均匀，热压成型形成的碳纤维复合材料制品的表面不容易出现小凹坑，因此无需补土和打磨过程，因而该方法方便快捷、生产效率较高。
所述碳纤维布的纹路方向相互错开的方式请参见上文中根据本发明的碳纤维复合材料制品的相关说明，在此不再赘述。
在叠加多层碳纤维布时，可以仅有部分所述多层碳纤维布的纹路方向相互错开，优选情况下，所述多层碳纤维布中任何两层相邻的碳纤维布的纹路方向错开相同的角度。由于在热压过程中，所述碳纤维布和树脂会因热膨胀而变形，而且碳纤维布和树脂的膨胀程度不同，从而产生内部应力，导致热压成型形成的碳纤维复合材料制品产生一定的变形或翘曲。当所述多层碳纤维布中任何两层相邻的碳纤维布的纹路方向错开相同的角度时，多层碳纤维布在厚度方向上设计得均衡对称，从而内部应力可以至少部分地相互抵消，以便减少所述碳纤维复合材料制品的变形或翘曲现象。可以根据具体情况来选择所述错开的角度，例如可以为5°—90°。优选情况下，所述错开的角度为45°。从而可以最大程度地达到各向同性，将碳纤维复合材料制品的发生变形或翘曲现象减到最少。
所述树脂可以为本领域公知的各种树脂，根据所制造的碳纤维复合材料制品的要求选择树脂，例如酚醛树脂、环氧树脂等，作为一种具体的实施方式，所述树脂为环氧树脂。
根据本发明提供的碳纤维复合材料制品的制造方法，该方法还可以包括在所述碳纤维复合材料制品表面形成漆层(此时，表面还未形成漆层的上述碳纤维复合材料制品也可以称为碳纤维复合材料制品初坯)。所述漆层为本领域公知的技术，本发明对此不作特别的限定。所述漆层通常为透明漆层，可以为碳纤维复合材料制品提供光亮的外观效果，同时也可以增强产品的表面强度。在所述碳纤维复合材料制品表面形成漆层时，所述漆层可以一次形成，也可以多次形成。优选情况下，所述漆层包括底漆层和面漆层，所述形成漆层的步骤包括先在所述碳纤维复合材料制品表面形成底漆层，对所述底漆层表面进行打磨后，在所述底漆层上形成面漆层。底漆层可以填补碳纤维复合材料制品在热压过程中可能出现的凹孔，且底漆层作为中间层，可以增加面漆层与所述碳纤维复合材料制品的附着力。形成底漆层后对其表面进行稍微的打磨，将底漆层表面打磨得更为光滑，便于使碳纤维复合材料制品最终获得光亮的外观效果。所述面漆层可以采用与底漆层相同的材料来形成，也可以采用与底漆层不同的材料来形成，例如采用硬度更高的材料，从而进一步增强产品的表面硬度。例如，所述底漆层可以为环氧树脂漆、聚氨酯漆、酚醛树脂漆等，所述面漆层可以为聚氨酯漆、丙烯酸酯漆等。
实施例
下面将以手机外壳为例，详细说明本发明的一种优选实施例。
如图8所示，该手机外壳主要包括手机外壳主体1和卡扣2，该卡扣2主要用于将手机外壳固定到手机主体上。图9说明了该手机外壳的正面示意图，在该图中，卡扣2未示出，从该图中可以看出手机外壳主体1的表面具有碳纤维视觉效果。图10是图8所示的手机外壳的剖面示意图，从该图中可以看出，手机外壳包括手机外壳初坯11、在该手机外壳初坯11的外表面上形成的漆层12和包括卡扣(图中未示出)的结构件13，其中结构件13还可以包括与卡扣形成为一体的粘贴面(图中未示出)，该粘贴面与手机外壳初坯11的内表面形状相匹配，通过热熔胶14将结构件13粘贴在手机外壳初坯11内表面上。该手机外壳的制造方法主要包括预浸碳纤维布、将多层碳纤维布叠加、热压成型、形成漆层、形成结构件和粘贴结构件等步骤。
首先将碳纤维布在预浸机中预浸树脂，以提供预浸有树脂的多层碳纤维布；所述碳纤维布可以采用本领域公知的各种碳纤维布，例如东丽T300碳纤维布，所述树脂可以为环氧树脂，例如双酚F型环氧树脂。
然后可以将预浸有树脂的碳纤维布裁剪成合适的形状和尺寸大小，将剪裁后的多层碳纤维布叠加并平铺于热压模具内，叠加时如上文所述将至少部分所述多层碳纤维布的纹路方向相互错开。
然后合上热压模具，并加温加压，例如可以将温度控制在100℃左右，压力控制在3MPa左右，固化后，模具经冷却后开模，便可取出热压形成的手机外壳初坯11。然后可以采用冲裁模具将该手机外壳初坯11上的余料冲裁掉。
然后在所述手机外壳初坯11的外表面形成漆层12，从而形成手机外壳主体1。可以先在所述手机外壳初坯11的外表面喷涂底漆，该底漆例如可以为环氧树脂漆、聚氨酯漆、酚醛树脂漆等，经过烘烤固化后，在该手机外壳初坯11的外表面形成底漆层，然后对该底漆层表面稍作打磨，再在该底漆层表面喷涂面漆，该面漆例如可以为透明的紫外光固化漆，在紫外光固化机中经紫外光照射2-4秒，便可在所述底漆层上进一步形成一层透明光亮的面漆层。
然后形成结构件13，该结构件13可以通过本领域公知方式来实现，例如可以以聚碳酸酯(PC)为原料通过精密注塑来形成，具体工艺在此不再赘述。
最后将所述结构件13粘贴到手机外壳主体1上，即手机外壳初坯11的内表面上，该粘贴方式可以采用本领域公知的各种方式，例如热熔胶粘贴。将热熔胶14加热到80℃-130℃，便可将结构件13与手机外壳初坯11粘贴在一起，装配成完整的手机外壳。

Claims (17)

1.一种碳纤维复合材料制品，该碳纤维复合材料制品包括层压在一起的多层碳纤维布，该层压的多层碳纤维布通过固化的热固性树脂而结合成一体，其特征在于，至少部分所述多层碳纤维布的纹路方向是相互错开的。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于，任何两层相邻的碳纤维布的纹路方向错开相同的角度。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于，所述错开的角度为5°—90°。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于，所述错开的角度为45°。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于，所述热固性树脂为环氧树脂。
6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于，所述碳纤维复合材料制品还包括形成于其表面的漆层。
7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于，所述漆层包括底漆层和面漆层。
8.根据权利要求1-7所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于，所述制品为手机外壳。
9.根据权利要求1-7所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于，所述制品为手机外壳主体，该手机外壳主体上连接有结构件，以形成手机外壳。
10.根据权利要求9所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于，所述结构件包括用于将手机外壳可拆卸地固定到手机主体上的卡扣。
11.一种碳纤维复合材料制品的制造方法，该方法包括以下步骤：提供预浸有树脂的多层碳纤维布、将所述多层碳纤维布叠加并平铺于热压模具内以及将该叠加的多层碳纤维布热压成型以形成碳纤维复合材料制品，其特征在于，在叠加所述多层碳纤维布时使至少部分所述碳纤维布的纹路方向相互错开。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述叠加的多层碳纤维布中任何两层相邻的碳纤维布的纹路方向错开相同的角度。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述错开的角度为5°—90°。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述错开的角度为45
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述树脂为环氧树脂。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括在所述碳纤维复合材料制品表面形成漆层。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述漆层包括底漆层和面漆层，所述形成漆层的步骤包括先在所述碳纤维复合材料制品表面形成底漆层，对所述底漆层表面进行打磨后，在所述底漆层上形成面漆层。
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