CN101733938A

CN101733938A - 碳纤维复合材料的制造方法

Info

Publication number: CN101733938A
Application number: CN200810176066A
Authority: CN
Inventors: 许坤煌; 周威寰
Original assignee: Pegatron Corp
Current assignee: Pegatron Corp
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2010-06-16

Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合材料的制造方法，用以制造高分子碳纤维复合材料。根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法包含有下列步骤。首先，执行步骤(a)：提供碳纤维布。然后，执行步骤(b)：对碳纤维布进行等离子体处理。接着，执行步骤(c)：将碳纤维布含浸于树脂溶液中，其中树脂溶液包含热固性树脂与热塑性树脂。最后，执行步骤(d)：热压经含浸的碳纤维布以形成碳纤维板材。由此，可以使碳纤维布的表面细致化，并将碳纤维布的表面转化成亲水性，进而可以增加吸附树脂能力并有效地缩短含浸时间。并且，可在热压之后先初步成型为板材，并利用如冲压等成型工艺快速地冲出所需要的形状。换言之，本发明的制造方法可以有效地缩短工艺时间。

Description

碳纤维复合材料的制造方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料的制造方法，特别涉及可以增加吸附树脂能力并有效地缩短含浸时间的碳纤维复合材料的制造方法。

背景技术

复合材料在现今的日常生活中的应用已经越来越广泛，其中又以碳纤维及玻璃纤维为最。大家通常听到的碳纤维复合材料或碳纤维制品，已成为许多民生产品争相采用的材料。其优点在于质轻、强度高，且表面通常有特殊且美观的编织花纹。

高分子碳纤维复合材料(CFRP)的基材多为热固性树脂如环氧树脂(epoxyresin)、不饱和聚脂树脂等，但也有使用热塑性树脂的产品。高分子碳纤维复合材料制作方法与玻璃纤维(FRP)十分类似，首先将纤维含浸树脂，再利用所需工艺如缠绕、叠层、热压、树脂转注、射出、拉挤等方式成型，待其固化即可。此种类的碳纤维复合材料为最常见的种类，其优点主要为强度高、质量轻、寿命长，如航空、太空、机械、赛车等产业均大量使用，而近年来民生产业也开始大量采用，且有许多产品并非以强度为诉求，只取其轻量及美观，如脚踏车、球拍、球杆、装饰品等。

然而，针对高分子碳纤维复合材料而言，在其含浸树脂的工艺中，若在没有含浸得很均匀的情况下，会使得碳纤维丝之间的缝隙含浸不到树脂，并在树脂硬化之后产生许多空洞。当高分子碳纤维复合材料含有很多空洞时，强度就会劣化。因此，含浸的时间往往需要很长一段时间。

另外，若采用热固性树脂(如环氧树脂)作为基材，则在其硬化之后，就无法利用加热来让使其变形。相对地，在硬化的过程中，采用热固性树脂作为基材的高分子碳纤维复合材料，就必须在真空的环境之下一边进行硬化一边把高分子碳纤维复合材料的成品形状拉制出来。为了解决此问题，采用热塑性树脂作为基材的高分子碳纤维复合材料因应而生。热塑性树脂在加热后，可以直接以冲压工艺冲(punching)出高分子碳纤维复合材料所需要的形状。但是，若采用热塑性树脂(如压克力)作为基材，则由于热塑性树脂比热固性树脂还要浓稠，会使得高分子碳纤维复合材料含浸所需的时间更长，也更不易使树脂含浸于碳纤维丝之间。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种碳纤维复合材料的制造方法。根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法是特别用来制造高分子碳纤维复合材料(CFRP)。

本发明的一具体实施例提供的碳纤维复合材料的制造方法主要包含有下列步骤。首先，根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法执行步骤(a)：提供碳纤维布。然后，根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法执行步骤(b)：对碳纤维布进行等离子体处理。接着，根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法执行步骤(c)：将碳纤维布含浸于树脂溶液中，其中树脂溶液包含热固性树脂与热塑性树脂。最后，根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法执行步骤(d)：热压经含浸的碳纤维布以形成碳纤维板材。

因此，根据本发明的一具体实施例的碳纤维复合材料的制造方法，其是在碳纤维布进入含浸处理之前，预先使用等离子头照射碳纤维布。利用等离子体处理的帮助，可以使碳纤维布的表面细致化，并将碳纤维布的表面转化成亲水性，进而可以增加吸附树脂能力并有效地缩短含浸时间。

由此，可以使碳纤维布的表面细致化，并将碳纤维布的表面转化成亲水性，进而可以增加吸附树脂能力并有效地缩短含浸时间。并且，由于碳纤维布所用来含浸的树脂有包含热塑性树脂，因此可在热压之后先初步成型为板材，并利用如冲压等成型工艺快速地冲出高分子碳纤维复合材料所需要的形状。换言之，本发明的碳纤维复合材料的制造方法可以有效地缩短工艺时间。

关于本发明的优点与精神可以利用以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1所示为根据本发明的一较佳具体实施例的碳纤维复合材料的制造方法的步骤流程图。

图2所示为等离子体装置对碳纤维布进行等离子体处理的示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一碳纤维复合材料的制造方法。碳纤维复合材料的制造方法是利用等离子体处理的帮助，可以使碳纤维布的表面细致化，并将碳纤维布的表面转化成亲水性，进而可以增加吸附树脂能力并有效地缩短含浸时间。以下将详述本发明的较佳具体实施例，用以充分解说本发明的特征、精神、优点以及实施上的简便性。

请参阅图1。图1所示为根据本发明的一较佳具体实施例的碳纤维复合材料的制造方法的步骤流程图。根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法主要是用来制造高分子碳纤维复合材料(CFRP)。本发明的碳纤维复合材料的制造方法主要包含有下列步骤。

如图1所示，根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法首先执行步骤S100：提供碳纤维布。一般而言，制备碳纤维布的程序，是使用布形态的纤维素即纤维织物为前驱体，经由水洗、干燥、药液浸渍、压吸、干燥等前处理过程后而获得，在此不赘述。

在此要特别指出的是，相对于现有技术而言，根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法进一步执行步骤S102：对碳纤维布进行等离子体处理。为了更详细说明等离子体处理的过程，以下将作进一步说明。

请参阅图2。图2所示为等离子体装置2对碳纤维布1进行等离子体处理的示意图。等离子体装置2可以是常压等离子体处理机，其主要是用于不同表面的局部预处理，例如清洁与活化。如图2所示，等离子体装置2包含有供给单元20、绕折式导管22以及等离子体产生单元24。供给单元20主要可包含有高电压产生器、等离子体控制箱、气体控制箱以及前控制面板(图中未示出)。高电压产生器可提供产生等离子体所需的电源。欲形成放电现象，需使用变压器，将主电源电压转换成高电压(最大10kV)。气体控制箱可用来控制产生等离子体所需的工艺气体与冷却气体。绕折式导管22的一端是与供给单元20连接。绕折式导管22主要是用来输送供给单元20所提供的气体与电力。绕折式导管22的另一端与等离子体产生单元24连接。经由绕折式导管22，即可将高电压和工艺/冷却气体供应至等离子体产生单元24。等离子体产生单元24主要可包含有中央电极、外电极以及绝缘体所构成的等离子体光束产生区(图中未示出)。

由此，等离子体产生单元24可基于由绕折式导管22所传递而来的气体与电能产生等离子体，且流动气体携带由电弧所产生的活性离子(i+，e-，r*)，可从光束产生区喷出。此外，若等离子体产生单元24采用特殊喷嘴，可进一步使活性气体形成集中喷流，并作用到被处理物体的表面。当等离子体产生单元24将产生的等离子体朝向碳纤维布1进行轰击时，碳纤维布1上就会产生如图2所示的经等离子体处理表面10。

另外要补充的是，上述等离子体产生单元24所产生的等离子体可以是平衡等离子体(equilibrium plasmas)或非平衡等离子体(nonequilibriumplasmas)。平衡等离子体大多指高温等离子体系统，在高温下粒子间的碰撞次数多，使得粒子间的能量分布均等，因此平衡等离子体又称为热等离子体(hot plasmas；thermal plasmas)；相反地，非平衡等离子体则被称为冷等离子体或低温等离子体(cold plasmas；nonthermal plasmas，NTPs)。在热等离子体系统中，由于系统能量非常大，反应区内的物质几乎完全离子化，气体温度相当高，达到与电子的温度一样高，可达一万度以上。低温等离子体系统的能量较低，仅有少量的气体被游离(＜1％)，因此气体温度不至于有太大的变化，一般而言，等离子体反应区内的气体温度应与气体进流前的温度相近，约为电子温度的十分之一至百分之一。此外，于实际应用中，在上述等离子体处理(步骤S102)中所使用的等离子体处理气体可以包含有氮气。随后，根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法执行步骤S104：将碳纤维布含浸于树脂溶液中，其中树脂溶液包含热固性树脂与热塑性树脂。于一具体实施例中，上述热固性树脂可以是环氧树脂(epoxy resin)。并且，上述热塑性树脂可以是压克力，但并不以此为限，例如，上述热塑性树脂还可以是聚醚酰亚胺(polyetherimide，PEI)。

在经过等离子体处理后的碳纤维布，其表面能够实现细致化，并将碳纤维布的表面转化成亲水性，进而可以有效地增加吸附树脂能力并大幅地缩短含浸时间。换句话说，将具有亲水性表面的碳纤维布含浸于本发明具有热固性树脂与热塑性树脂的树脂液体中时，相对于现有技术而言，可以快速地使树脂液体完全地含浸至碳纤维丝之间的缝隙。

然后，根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法执行步骤S106：热压经含浸的碳纤维布以形成碳纤维板材。

以往仅采用热固性树脂作为含浸液体的碳纤维布，必须在硬化过程的同时，就于真空的环境之下一边进行硬化一边把高分子碳纤维复合材料的成品形状拉制出来。换言之，由于热固性树脂的缘故，无法再将已经硬化的碳纤维布加热而制成所需要的外型。然而，根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法，碳纤维布用以含浸的树脂液体包含有热塑性树脂，所以可以在步骤S106之后先将碳纤维布初步成型为板材。由此，经初步成型的碳纤维布可以先进行冷藏，待后续决定要将碳纤维布成型成特定外型时，再将碳纤维布加热成型。

因此，根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法最后可进一步执行步骤S108：对碳纤维板材进行成型工艺。

在决定要将碳纤维布成型成特定外型之后，可以执行本发明的步骤S108以完成碳纤维布最终所要呈现的外型。于一较佳具体实施例中，上述成型工艺可以是冲压工艺，但并不以此为限。举例而言，上述成型工艺，还可以利用缠绕、叠层、热压、树脂转注、射出、拉挤等方式成型。待其再次固化之后，碳纤维布即可获得最终的外型。

由以上对于本发明的较佳具体实施例的详述，可以明显地看出，根据本发明的碳纤维复合材料的制造方法，其是在碳纤维布进入含浸处理之前，预先使用等离子头照射碳纤维布。利用等离子体处理的帮助，可以使碳纤维布的表面细致化，并将碳纤维布的表面转化成亲水性，进而可以增加吸附树脂能力并有效地缩短含浸时间。并且，由于碳纤维布所用来含浸的树脂有包含热塑性树脂，因此可在热压之后先初步成型为板材，并利用如冲压等成型工艺快速地冲出高分子碳纤维复合材料所需要的形状。此成型时间仅需约3分钟左右，相对于含浸于热固性树脂的碳纤维布，其成型时间往往长达一个小时至一个半小时。换言之，本发明的碳纤维复合材料的制造方法可以有效地缩短工艺时间。

利用以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求书的范畴内。

Claims

1.一种碳纤维复合材料的制造方法，其特征是，包含下列步骤：

提供碳纤维布；

对上述碳纤维布进行等离子体处理；

将上述碳纤维布含浸于树脂溶液中，其中上述树脂溶液包含热固性树脂与热塑性树脂；以及

热压上述经含浸的碳纤维布以形成碳纤维板材。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的制造方法，其特征是，上述等离子体处理采用平衡等离子体或非平衡等离子体。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的制造方法，其特征是，上述热固性树脂为环氧树脂。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的制造方法，其特征是，上述热塑性树脂为压克力。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的制造方法，其特征是，上述制造方法还包含下列步骤：

对上述碳纤维板材进行成型工艺。

6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料的制造方法，其特征是，上述成型工艺为冲压工艺。

7.根据权利要求1项所述的碳纤维复合材料的制造方法，其特征是，在上述等离子体处理中所使用的等离子体处理气体包含氮气。