CN101787202A - 一种新型碳纤维复合材料成品及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型碳纤维复合材料成品，包括碳纤维材料，还包括聚氨基甲酸酯材料，所述碳纤维材料作为外包材料，所述聚氨基甲酸酯材料作为填充料，所述碳纤维材料包覆在所述聚氨基甲酸酯材料的表面上形成碳纤维复合材料成品。本发明还公开了上述新型碳纤维复合材料成品的制备方法，包括以下步骤：(1)制备聚氨基甲酸酯填充料；(2)聚氨基甲酸酯填充料与碳纤维包料加工，形成碳纤维复合材料半成品；(3)将碳纤维复合材料半成品放置在相应的模具内，锁紧模具后，将模具放置在成型机内成型，获得碳纤维复合材料成品。本发明提供的碳纤维复合材料重量小，使用方便，而且强度高，散热性好，提高了产品的安全性能。

Description

一种新型碳纤维复合材料成品及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料，具体涉及一种碳纤维复合材料成品，本发明还涉及上述碳纤维复合材料成品的制备方法。

背景技术

碳纤维是由含碳量较高且在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经过热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，其外形有显著的各向异性、柔软，可加工成各种织物，碳纤维沿纤维轴方向表现出很高的强度，碳纤维的比重较小，具有很高的比强度。

碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。在要求高温、力学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

比如在自行车轮圈的制造领域，传统的编辐条合金自行车轮圈比较重，一支轮圈的重量为1000克以上，使用不方便，而且轮圈在承受约140KG的垂直作用力时，容易发生永久性变形，而当作用力达到200KG以上时，轮圈就会断裂，因此轮圈的强度较差，成为影响自行车行驶的不安全因素；现有的碳纤维自行车轮圈的内部中空，虽然重量较小，但是在自行车的行驶过程中，由于黑色的碳纤维本体吸热，轮圈的刹车面会因刹车动作而急剧升温，温度往往高达130℃以上，造成轮圈软化，导致行驶安全性大大降低。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种重量轻、强度高、散热性好且性能稳定的新型碳纤维复合材料成品。

本发明的目的通过以下的技术措施来实现：一种新型碳纤维复合材料成品，包括碳纤维材料，其特征在于：还包括聚氨基甲酸酯材料，所述碳纤维材料作为外包材料，所述聚氨基甲酸酯材料作为填充料，所述碳纤维材料包覆在所述聚氨基甲酸酯材料的表面上形成碳纤维复合材料成品。

本发明重量小，使用方便，而且强度高，散热性好，提高了产品的安全性能；用作制造自行车轮圈时，可大大减轻轮圈的重量，例如使用本发明复合材料制作的三刀(即三辐条)自行车轮圈，一支轮圈的重量仅为600多克，该轮圈在承受300KG垂直作用力时而无异常，当垂直作用力达到600KG以上，轮圈才会出现裂纹；使用本发明复合材料制作的自行车轮圈为实心，内置的聚氨基甲酸酯材料可以将因刹车等引起温度上升而产生的热量快速传导，因此，散热性好，大大增强了产品的安全性能。

作为本发明的一种实施方式，所述碳纤维材料紧密压合在所述聚氨基甲酸酯材料的表面从而形成碳纤维复合材料成品。

本发明的另一个目的是提供上述碳纤维复合材料成品的制备方法。

本发明的目的通过以下的技术措施来实现：一种上述新型碳纤维复合材料成品的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)制备聚氨基甲酸酯填充料：首先将固化剂与聚醚按照1∶1.4体积比混合成混合液，并搅拌均匀；然后将混合液倒入模具的模穴内后锁紧模具，加热所述混合液至可使该混合液固化的温度；待所述混合液固化后，从模具中取出已成型的固体状聚氨基甲酸酯材料；

(2)聚氨基甲酸酯填充料与碳纤维包料加工：将碳纤维材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上形成碳纤维复合材料半成品；

(3)将碳纤维复合材料半成品放置在相应的模具内，锁紧模具后，将模具放置在成型机内成型，获得碳纤维复合材料成品。

作为本发明的一种优选实施方式，在所述步骤(1)中，加热所述混合液至30～50℃的温度范围内。如果温度过低，混合液将无法完全固化，如果温度过高，混合液的膨胀速度加快，造成固化物的密度不均，以致影响复合材料的性能。

作为本发明的实施方式，在所述步骤(1)中，所述混合液在模具中加热15～20min后取出。加热时间过短可导致混合液无法反应固化，而加热时间过长，混合液固化后会发生脆化或者难以取模，导致延长加工制程。

作为本发明的一种改进，在所述步骤(2)中，为制成加工产品，按照拟加工产品的结构图编排，将碳纤维材料裁剪成符合要求的大小和形状，然后按照加工产品的结构图编排的顺序和位置将碳纤维材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上。

在完成步骤(1)后，所述的聚氨基甲酸酯材料在常温环境中放置2～3天。可使聚氨基甲酸酯材料内的分子反应完全，确保在后续加工工序中聚氨基甲酸酯材料的尺寸和形状不会产生变化。

作为本发明的进一步改进，在进行所述步骤(2)之前，对所述聚氨基甲酸酯材料的表面进行粗化处理。固体物表面需经过粗化处理，目的是去掉固体物表层的离型剂，可使聚氨基甲酸酯材料与碳纤维材料结合得更为紧密。

作为本发明的一种实施方式，在所述步骤(3)中，成型机的压力设置为100～150kg/m³，温度设定为150～160℃，加热时间设定至碳纤维材料内含浸的树脂完全固化。如果压力过低，模具的上下模之间可能会存在缝隙，加工出的产品的尺寸会发生变化；温度过低，碳纤维材料含浸的树脂可能无法完全固化，温度过高，可能会破坏碳纤维材料的分子结构，从而降低产品特有的性能。

本发明还可以做以下改进，完成步骤(3)后，去除碳纤维复合材料成品的毛边，进行后续涂装加工工序，制成碳纤维复合材料成品。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

(1)本发明碳纤维复合材料成品由碳纤维材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上而构成，重量小、强度高。

(2)本发明碳纤维复合材料成品为实心，可将碳纤维材料产生的热量迅速散去，因此具有良好的散热性能。

(3)本发明碳纤维复合材料成品与现有的同类产品相比，重量可大大减轻，使用方便，强度也大幅度提高，进一步提高了使用安全性。

(4)本发明碳纤维复合材料成品用于特定的技术领域时，所改进的上述特性可大大提高产品的安全性能。

(5)本发明碳纤维复合材料成品可广泛应用于各种技术领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明碳纤维复合材料成品的结构剖视示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，是本发明一种新型碳纤维复合材料成品，包括碳纤维材料2，还包括聚氨基甲酸酯材料3，碳纤维材料2作为外包材料，聚氨基甲酸酯材料3作为填充料，碳纤维材料2包覆并紧密压合在聚氨基甲酸酯材料3的表面上形成碳纤维复合材料成品1。

上述碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备聚氨基甲酸酯填充料：首先将固化剂与聚醚按照1∶1.4体积比混合成混合液，并搅拌均匀；然后将上述的混合液倒入模具的模穴内后，锁紧模具的上下模，模具的温度设定为30℃；待加热15min后，从模具中取出已成型的固体状聚氨基甲酸酯材料，然后在常温环境中放置2天；

(2)聚氨基甲酸酯填充料与碳纤维包料加工：对聚氨基甲酸酯材料的表面进行粗化处理，将碳纤维材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上形成碳纤维复合材料半成品；

(3)将碳纤维复合材料半成品放置在相适应的模具内，锁紧模具的上下模后，将模具放置在成型机内成型，成型机的压力设置为100kg/m³，加热温度设定为150℃，获得碳纤维复合材料成品。

在步骤(2)中，为制成加工产品，按照拟加工产品的结构图编排，将碳纤维材料裁剪成符合要求的大小和形状，然后按照加工产品的结构图编排的顺序和位置将碳纤维材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上；完成步骤(3)后，去除碳纤维复合材料成品的毛边，进行后续涂装加工工序，制成碳纤维复合材料成品。

采用本发明制成的三刀、五刀自行车轮圈，重量小、强度高，在自行车的行驶过程中，因刹车造成的刹车面温度升高而产生的热量可由碳纤维材料通过内部的聚氨基甲酸酯材料快速传导散去，散热性好，增强了使用安全性；轮圈为一体实心，刀体代替传统的辐条，轮圈表面光滑、结构过度平顺、无棱角，破风系数好，当刀体沿轮圈内圆周均匀分布时，可保持良好的惯性。

在步骤(3)中，根据模具的厚度，及制成加工产品需要聚氨基甲酸酯材料表面覆盖碳纤维材料的层数，来设定成型机的加热时间，只要达到使碳纤维材料内含浸的树脂固化完全即可。

实施例2

本实施例的碳纤维复合材料成品与实施例1的碳纤维复合材料成品结构相同，不同之处在于制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)制备聚氨基甲酸酯填充料：首先将固化剂与聚醚按照1∶1.3体积比混合成混合液，并搅拌均匀；然后将上述的混合液倒入模具的模穴内后，锁紧模具的上下模，模具的温度设定为40℃；待加热15min后，从模具中取出已成型的固体状聚氨基甲酸酯材料，然后在常温环境中放置3天；

(2)聚氨基甲酸酯填充料与碳纤维包料加工：对聚氨基甲酸酯材料的表面进行粗化处理，将碳纤维材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上形成碳纤维复合材料半成品；

(3)将碳纤维复合材料半成品放置在相适应的模具内，锁紧模具的上下模后，将模具放置在成型机内成型，成型机的压力设置为120kg/m³，加热温度设定为155℃，获得碳纤维复合材料成品。

实施例3

本实施例的碳纤维复合材料成品与实施例1的碳纤维复合材料成品结构相同，不同之处在于制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)制备聚氨基甲酸酯填充料：首先将固化剂与聚醚按照1∶1体积比混合成混合液，并搅拌均匀；然后将上述的混合液倒入模具的模穴内后，锁紧模具的上下模，模具的温度设定为50℃；待加热20min后，从模具中取出已成型的固体状聚氨基甲酸酯材料，然后在常温环境中放置3天；

(2)聚氨基甲酸酯填充料与碳纤维包料加工：对聚氨基甲酸酯材料的表面进行粗化处理，将碳纤维材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上形成碳纤维复合材料半成品；

(3)将碳纤维复合材料半成品放置在相适应的模具内，锁紧模具的上下模后，将模具放置在成型机内成型，成型机的压力设置为150kg/m³，加热温度设定为160℃，获得碳纤维复合材料成品。

本发明实施例中的固化剂和聚醚是本领域所属技术人员的公知常识，可根据实际情况对这类产品的具体种类作出合适的选择作为制备聚氨基甲酸酯材料的原料。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型碳纤维复合材料成品，包括碳纤维材料(2)，其特征在于：还包括聚氨基甲酸酯材料(3)，所述碳纤维材料(2)作为外包材料，所述聚氨基甲酸酯材料(3)作为填充料，所述碳纤维材料(2)包覆在所述聚氨基甲酸酯材料(3)的表面上形成碳纤维复合材料成品(1)。

2.根据权利要求1所述的新型碳纤维复合材料成品，其特征在于：所述碳纤维材料(2)紧密压合在所述聚氨基甲酸酯材料(3)的表面从而形成碳纤维复合材料成品(1)。

3.一种权利要求1所述的新型碳纤维复合材料成品的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)制备聚氨基甲酸酯填充料：首先将固化剂与聚醚按照1∶1.4体积比混合成混合液，并搅拌均匀；然后将混合液倒入模具的模穴内后锁紧模具，加热所述混合液至可使该混合液固化的温度；待所述混合液固化后，从模具中取出已成型的固体状聚氨基甲酸酯材料；

(2)聚氨基甲酸酯填充料与碳纤维包料加工：将碳纤维材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上形成碳纤维复合材料半成品；

(3)将碳纤维复合材料半成品放置在相应的模具内，锁紧模具后，将模具放置在成型机内成型，获得碳纤维复合材料成品。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，加热所述混合液至30～50℃的温度范围内。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，所述混合液在模具中加热15～20min后取出。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，为制成加工产品，按照拟加工产品的结构图编排，将碳纤维材料裁剪成符合要求的大小和形状，然后按照加工产品的结构图编排的顺序和位置将碳纤维材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在完成步骤(1)后，所述的聚氨基甲酸酯材料在常温环境中放置2～3天。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在进行所述步骤(2)之前，对所述聚氨基甲酸酯材料的表面进行粗化处理。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，成型机的压力设置为100～150kg/m³，温度设定为150～160℃，加热时间设定至碳纤维材料内含浸的树脂完全固化。

10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：完成步骤(3)后，去除碳纤维复合材料成品的毛边，进行后续涂装加工工序，制成碳纤维复合材料成品。

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