CN101736480A - 一种抗冲击复合材料用碳纤维混杂织物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗冲击复合材料用碳纤维混杂织物，形成所述混杂织物的纤维中包括55％至95％(体积)的碳纤维和5％至45％(体积)的第二有机纤维，所述的第二有机纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的一种或前述三种纤维的择二组合或前述三种纤维的任意组合。与现有技术相比，本发明通过有机纤维自身优秀的耐冲击性能，将碳纤维有机纤维以特定比例宏观混杂，即混纤或混编，综合各种纤维各自的优点，制备成一种抗冲击复合材料的碳纤维混杂织物。也改善了单一碳纤维复合材料抗冲击性能差及有机纤维与其他材料的粘结性能差的弱点，可以获得低成本高韧性的碳纤维复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及纺织品，尤其涉及一种抗冲击复合材料用碳纤维混杂织物。
背景技术
碳纤维与其他高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。同时碳纤维复合材料同样具有其他复合材料无法比拟的优良性能，例如比强度、比模量高，密度小，耐高温、耐疲劳，抗腐蚀、热膨胀系数低等。因此碳纤维被广泛应用于军事及民用工业的各个领域。
碳纤维复合材料最大的缺点为脆性，断裂延伸率低，在遭受冲击后容易引起损伤，并引起复合材料力学性能较大幅度地降低，尤其是冲击后的剩余压缩强度明显降低。因此，提高碳纤维复合材料的韧性和抗冲击性能是其广泛应用和发展的关键。
目前国内外典型的复合材料增韧的方法有两种，其一是采用已增韧过的均相树脂体系来提高复合材料整体韧性，这种方法被称为原位增韧；另一种是采用层间引入高性能热塑性树脂连续相并通过特定工艺产生相反转或相分离的方法来达到提高复合材料整体韧性的目的，这种方法被称为离位增韧。这两种方法主要是对树脂基体或者复合材料层间较为薄弱部位进行增韧。
但上述两种方法中无论哪种方法都存在工艺周期长和工艺较复杂的问题，最终导致生产成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何利用纤维的混杂效应，综合各种纤维各自的优点，尤其是利用有机纤维抗冲击性能和碳纤维优良的结构性能，提供一种低成本的可应用于抗冲击复合材料的碳纤维混杂织物。
为解决上述技术问题，本发明提供一种碳纤维混杂织物，形成所述混杂织物的纤维中包括55％至95％(体积)的碳纤维和5％至45％(体积)的第二有机纤维，所述的第二有机纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的一种或前述三种纤维的择二组合或前述三种纤维的任意组合。
可选地，所述混杂织物是用所述碳纤维与所述第二有机纤维混纤成纤维束后，用所述纤维束编织而成。也就是说，形成该混杂织物的方法分为两步，先将碳纤维与第二纤维混纤成纤维束，然后再用混纤形成的纤维束来纺织成织物。
可选地，所述混杂织物是用所述碳纤维与所述第二有机纤维直接纺织而成。也就是说，形成该混杂织物的方法是碳纤维与第二有机纤维不经过混纤而直接交替排列纺织成织物。
可选地，所述混杂织物是用所述碳纤维与所述第二有机纤维混纤成纤维束后，用所述纤维束与所述第二有机纤维纺织而成。也就是说，形成该混杂织物的方法分为两步，先将碳纤维与第二纤维混纤成纤维束，然后用混纤形成的纤维束与第二有机纤维交替排列纺织成织物。
可选地，所述混杂织物是用所述碳纤维与所述第二有机纤维混纤成纤维束后，用所述纤维束与所述碳纤维纺织而成。也就是说，形成该混杂织物的方法分为两步，先将碳纤维与第二纤维混纤成纤维束，然后用混纤形成的纤维束与碳纤维交替排列纺织成织物。
可选地，所述混杂织物中碳纤维存在于所述混杂织物主要受力的经线或纬线或经纬线中。也就是说，混杂可以发生在织物的经向、纬向或经纬向。而混杂方向的选择取决于主承力方向。
可选地，所述混杂织物的种类为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物、多层多轴向织物、多轴向缝编织物、经编织物、直接定向结构织物或无卷曲织物。
在本专利中，所述的纺织包括机织、针织和编织三种工艺。
与现有技术相比，本发明通过有机纤维自身优秀的耐冲击性能，将碳纤维有机纤维以特定比例宏观混杂，即混纤或混合纺织，综合各种纤维各自的优点，制备成一种抗冲击复合材料的碳纤维混杂织物。也改善了单一碳纤维抗冲击性能及碳纤维与其他材料的粘结性能，可以获得低成本高韧性的碳纤维复合材料。
具体实施方式
在以下的实施例中所用原材料性能如表1所示。
表1各种纤维性能
| 碳纤维 | 超高分子量聚乙烯纤维 | 芳纶纤维 | 聚对苯撑苯并双噁唑纤维 | |
| 密度(g/cm3) | 1.78 | 0.97 | 1.44 | 1.56 |
| 拉伸强度(GPa) | 3.40 | 3.10 | 2.67 | 5.8 |
| 拉伸模量(GPa) | 240 | 100 | 88 | 280 |
| 断裂伸长率(％) | 1.4 | 3.7 | 3.6 | 3.5 |
| 比强度(105m2/s2) | 1.91 | 3.20 | 1.85 | 3.72 |
| 比模量(105m2/s2) | 135 | 103 | 61 | 179 |
实施例1
用经向超高分子量聚乙烯纤维与纬向碳纤维编织成平纹织物，碳纤维的体积百分含量为75％，其余为超高分子量聚乙烯纤维。
实施例2
将碳纤维与芳纶纤维编织成平纹织物，碳纤维与芳纶纤维经向排列为3232，即每3根碳纤维之间夹合2根芳纶纤维，纬向为碳纤维。碳纤维的体积百分含量为80％。
实施例3
将碳纤维与聚对苯撑苯并双噁唑纤维编织成平纹织物，碳纤维和聚对苯撑苯并双噁唑纤维的经纬排列均为3232，即每3根碳纤维之间夹合2根聚对苯撑苯并双噁唑纤维。通过调节纤维束的粗细控制碳纤维和聚对苯撑苯并双噁唑纤维的体积百分含量分别为65％和35％。
实施例4
将碳纤维与超高分子量聚乙烯纤维进行混纤，通过调节碳纤维束与超高分子量聚乙烯纤维的粗细及比例，控制混杂纤维束中碳纤维的体积百分含量为70％，得到的混杂纤维束进一步编织成平面织物。
实施例5
将碳纤维与超高分子量聚乙烯纤维进行混纤，以该混合纤维束作为经向，以超高分子量聚乙烯纤维为纬向编织成平纹织物。碳纤维的体积百分含量为60％。
实施例6
将碳纤维与超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维进行混纤，通过调节碳纤维束与超高分子量聚乙烯纤维束及芳纶纤维束的粗细及比例，控制混杂纤维束中碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维的体积百分含量分别为60％、20％和20％，得到的混杂纤维束进一步编织成平面织物。
对比实施例7
直接将碳纤维编织成平纹织物。
将上述实施例中各种织物与环氧树脂采用例如树脂传递模塑工艺(RTM)或真空辅助树脂注入工艺(VARI)工艺制成复合材料。该复合材料中混杂纤维的体积百分含量为55％。按GB/T 1451-2005标准测试材料主承力方向冲击性能，得到各种复合材料在环境温度为(23±2)℃，相对湿度(50±10)％时的冲击韧性如表2所示。
表2复合材料冲击性能
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 冲击韧性(KJ/cm2) | 38.2 | 27.3 | 46.4 | 28.6 | 32.3 | 27.8 | 7.2 |
从表2可以看出，根据本发明制成的碳纤维混杂织物增强复合材料相比单一碳纤维织物增强环氧树脂基复合材料，在主承力方向冲击性能得到明显改善，可应用于抵抗较高冲击力的复合材料。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种抗冲击复合材料用碳纤维混杂织物，其特征在于：形成所述混杂织物的纤维中包括55％至95％(体积)的碳纤维和5％至45％(体积)的第二有机纤维，所述的第二有机纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的一种或前述三种纤维的择二组合或前述三种纤维的任意组合。
2.如权利要求1所述的抗冲击复合材料用碳纤维混杂织物，其特征在于：所述混杂织物是用所述碳纤维与所述第二有机纤维混纤成纤维束后，用所述纤维束编织而成。
3.如权利要求1所述的抗冲击复合材料用碳纤维混杂织物，其特征在于：所述混杂织物是用所述碳纤维与所述第二有机纤维直接混合纺织而成。
4.如权利要求1所述的抗冲击复合材料用碳纤维混杂织物，其特征在于：所述混杂织物是用所述碳纤维与所述第二有机纤维混纺成纤维束后，用所述纤维束与所述第二有机纤维混合纺织而成。
5.如权利要求1所述的抗冲击复合材料用碳纤维混杂织物，其特征在于：所述混杂织物是用所述碳纤维与所述第二有机纤维混纤成纤维束后，用所述纤维束与所述碳纤维混合纺织而成。
6.如权利要求1所述的抗冲击复合材料用碳纤维混杂织物，其特征在于：所述混杂织物中碳纤维存在于所述混杂织物主要受力的经线或纬线或经纬线中。
7.如权利要求1所述的抗冲击复合材料用碳纤维混杂织物，其特征在于：所述混杂织物的种类为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物、多层多轴向织物、多轴向缝编织物、经编织物、直接定向结构织物或无卷曲织物。
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Legal Events
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Application publication date: 20100616 Assignee: Ningbo Dimaige Precision Manufacturing Co.,Ltd. Assignor: NINGBO INSTITUTE OF MATERIALS TECHNOLOGY & ENGINEERING, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2023980041749 Denomination of invention: A carbon fiber hybrid fabric for impact resistant composite materials Granted publication date: 20120627 License type: Common License Record date: 20230915 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20100616 Assignee: YUYAO PURO WATER PURIFICATION EQUIPMENT CO.,LTD. Assignor: NINGBO INSTITUTE OF MATERIALS TECHNOLOGY & ENGINEERING, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2023980046131 Denomination of invention: A carbon fiber hybrid fabric for impact resistant composite materials Granted publication date: 20120627 License type: Common License Record date: 20231107 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |