CN102041870A - 混合型碳纤维板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种混合型碳纤维板，是由包括碳纤维材料及轴向填充在碳纤维材料中间的高强细钢丝组成的带状板材，所述的碳纤维材料由碳纤维原纱及基体树脂组成，所述的基体树脂是环氧树脂或乙烯基酯树脂；轴向填充在碳纤维材料内部的高强细钢丝的拉伸强度不低于1000MPa，根数为m×n根，1≤m≤5、1≤n≤500；其制备方法是通过预成型模具及钢丝定位装置在板材内部设置高强细钢丝，在高强细钢丝的周边包裹碳纤维材料。本发明之混合型碳纤维板既具有有极好的耐腐蚀性及抗疲劳性、比强度高、施工便捷等特点又具有较高的延伸率和较高的层间剪切力，更便于有效锚固后施加预应力。在提高板材综合性能的同时合理降低了板材制作成本，更便于材料的推广应用。

Description

混合型碳纤维板及其制作方法

【技术领域】

本发明涉及一种纤维增强复合材料及其制作方法，特别是一种混合型碳纤维板及其制作方法。

【背景技术】

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP)因为具有极好的耐腐蚀性及抗疲劳性、比强度高、施工便捷等优点而广泛应用于建筑业。其加固修复混凝土结构已成为我国土木工程界的研究热点。

碳纤维复合材料形式有很多种，目前在长纤维的复合材料中，用于结构加固修复最多的材料形式是碳纤维片材，包括碳纤维布与碳纤维板。随着对碳纤维片材加固修复工程认识的加深，人们的普遍共识是：直接粘贴碳纤维片材的加固方式对材料的利用率偏低，若在应用碳纤维片材加固修复结构时给片材施加合适的预应力，加固修复效果会明显增强，材料的利用率会明显增大。与碳纤维布相比较而言，碳纤维板具有均质性及整体性好，截面面积大，弹性模量低、施工更为方便等优点。随着预应力碳纤维板加固修复混凝土结构技术的推广与普及，碳纤维板的应用前景会越来越广阔。

但由于碳纤维复合材料是线弹性材料，其破坏过程中没有屈服，破坏形式为脆性破坏，在使用过程中破坏没有预兆，这降低了材料使用的安全性。在一定程度上制约了其在土木工程中的应用；同时由于碳纤维板材间的层间剪切力偏低，普通的锚夹具很难有效夹持使之施加预应力；另外，由于现阶段生产碳纤维板的原材料，特别是高性能碳纤维原纱主要依靠进口，成本偏高，制作出来的碳纤维板价格也偏高，不利于材料的推广应用。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种混合型碳纤维板及其制作方法，这种板材既具有有极好的耐腐蚀性及抗疲劳性、比强度高、施工便捷等特点，又具有较高的延伸率和较高的层间剪切力，更便于有效锚固后施加预应力。其制作方法在提高板材综合性能的同时合理降低了板材制作成本，更便于材料的推广应用；以解决已有技术存在的上述问题。

解决上述问题的技术方案是：一种混合型碳纤维板，是由包括碳纤维材料及轴向填充在碳纤维材料中间的高强细钢丝构成的带状板材，所述的碳纤维材料由碳纤维原纱及基体树脂组成，所述的基体树脂是环氧树脂或乙烯基酯树脂。

所述轴向填充在碳纤维材料内部的高强细钢丝的拉伸强度不小于1000MPa，根数为m×n根，m代表混合型碳纤维板内高强细钢丝的排数，n代表混合型碳纤维板内每一排高强细钢丝的根数，m、n的取值范围是：1≤m≤5的整数、1≤n≤500的整数。

其另一技术方案是：一种混合型碳纤维板的制作方法，它是在制备混合型碳纤维板时，通过预成型模具及钢丝定位装置在板材内部设置高强细钢丝，在高强细钢丝的周边包裹碳纤维材料；根据制成后混合型碳纤维板所应达到的力学性能指标及碳纤维板的宽度与厚度确定板材内部所需镶嵌高强细钢丝的规格及数量，由预成型模具及钢丝定位装置确定高强细钢丝在混合型碳纤维板材中的具体位置及布置形式。

其具体方法是：将张力纱架上的高强细钢丝与碳纤维原纱同时穿过分纱装置，并在前处理装置中进行温度湿度调节的前处理；前处理后的高强细钢丝与碳纤维原纱在树脂浸渍槽中充分浸渍基体树脂；经基体树脂浸渍过的高强细钢丝与碳纤维原纱在预成型模具内预成型，预成型后的高强细钢丝、碳纤维原纱及树脂在成型模具内成型并固化；成型模具后面设置有钢丝定位装置，用于确定混合型碳纤维板成型初期高强细钢丝在混合型碳纤维板中的位置及排布形式；成型固化后的混合型碳纤维板在后处理装置中完全固化，在牵引机的作用下完成连续制作；

通过调节张力纱架上高强细钢丝及碳纤维原纱的张紧力，使高强细钢丝与碳纤维原纱在进入成型模具前始终处于有张紧力的状态。

由于采取上述结构，本发明之混合型碳纤维板除具有碳纤维增强复合材料所具有的有极好的耐腐蚀性及抗疲劳性、比强度高、施工便捷等优点，还具有以下有益效果：

1、提高了碳纤维板延伸率，改善其破坏形式，提高在使用过程中的安全性。

2、提高了碳纤维板的层间剪切力，使之更容易有效夹持、利于锚固后施加预应力。

3、降低了碳纤维板的制作成本，提高应用碳纤维板的性价比，扩大碳纤维板材的应用范围，不仅可用于结构加固修复，也可用于其他结构需要加固的场合。

【附图说明】

图1-图2：本发明之混合型碳纤维板的结构示意图：

图1：混合型碳纤维板内镶嵌有一排高强细钢丝，

图2：混合型碳纤维板内镶嵌有多排高强细钢丝；

图3：混合型碳纤维板的制作方法及设备示意简图；

图4：预成型模具上的碳纤维原纱通道及高强细钢丝定位槽I位置示意图；

图5：钢丝定位装置上的高强细钢丝定位槽II位置示意图。

图中：

1-CFRP材料，2-高强细钢丝，3-张力纱架，4-碳纤维原纱，5-分纱装置，6-前处理装置，7-树脂浸渍槽，8-基体树脂，9-预成型模具，10-成型模具，11-钢丝定位装置，12-后处理装置，13-牵引机，91-预成型模具上的碳纤维原纱通道，92-预成型模具上的细钢丝定位槽I，111-钢丝定位装置的上半部，112-钢丝定位装置的上半部，113-钢丝定位装置上的细钢丝定位槽II。

【具体实施方式】

实施例一：

一种混合型碳纤维板。

如图1、图2所示，所述的混合型碳纤维板是由包括碳纤维材料1及轴向填充在碳纤维材料1中间的高强细钢丝2构成的带状板材、板材厚度为1mm～3mm，所述的碳纤维材料1由碳纤维原纱及基体树脂组成，所述的基体树脂是环氧树脂或乙烯基酯树脂。所述的高强细钢丝的拉伸强度不小于1000MPa。

所述轴向填充在碳纤维材料1内部的高强细钢丝2可以是如图1所示的7根高强细钢丝单排排列在碳纤维材料1内部，也可以是分成2排或2排以上排列在碳纤维材料1内部，图2所示的是由40根高强细钢丝2分成3排排列；一般，高强细钢丝的直径为φ0.5mm～φ1.0mm，根据需要，高强细钢丝的直径也还可以增加或减少，高强细钢丝2的直径也可以为φ0.1mm～φ3.0mm。

所述填充在CFRP材料1内部的高强细钢丝2的根数m×n还可以增加或减少，m代表混合型碳纤维板内高强细钢丝的排数，n代表混合型碳纤维板内每一排高强细钢丝的根数，m、n的取值范围是：1≤m≤5的整数，1≤n≤500的整数，具体数量及排列方式根据需要而定。实施例二：

一种混合型碳纤维板的制作方法。

在制备混合型碳纤维板时，通过预成型模具9及钢丝定位装置11在碳纤维板材内部设置高强细钢丝2，在高强细钢丝2的周边包裹碳纤维材料1；

其具体制作方法如下：

如图3所示：将张力纱架3上的高强细钢丝2与碳纤维原纱4同时穿过分纱装置5，并在前处理装置6中进行温度湿度调节的前处理；前处理后的高强细钢丝2与碳纤维原纱4在树脂浸渍槽7中充分浸渍基体树脂8；经基体树脂8浸渍过的高强细钢丝2与碳纤维原纱4在预成型模具9内预成型，预成型后的高强细钢丝2、碳纤维原纱4及基体树脂8在成型模具10内成型并固化成混合型碳纤维板；成型模具后面设置有钢丝定位装置11，用于确定混合型碳纤维板成型初期高强细钢丝2在混合型碳纤维板中的位置及排布形式；成型固化后的混合型碳纤维板在后处理装置12中完全固化，在牵引机13的作用下完成混合型碳纤维板材连续制作；

通过调节张力纱架上高强细钢丝2及碳纤维原纱4的张紧力，使高强细钢丝2与碳纤维原纱4在进入成型模具9前始终处于有张紧力的状态，从而优化制成后板材的力学性能。

通过预成型模具9使碳纤维原纱4及高强细钢丝2在进入成型模具10前初步成型，根据制成后混合型碳纤维板所应达到的力学性能指标及板材的宽度与厚度，按FRP材料混杂理论确定板材内部所需镶嵌高强细钢丝2的规格、数量及碳纤维原纱4的用量；本发明带状混合型碳纤维板的厚度为1mm～3mm，构成混合型碳纤维板之基体树脂是环氧树脂或乙烯基酯树脂；镶嵌在混合型碳纤维板内的高强细钢丝2的规格为φ0.1mm～φ3.0mm，数量为m×n根，m代表混合型碳纤维板内高强细钢丝的排数，n代表混合型碳纤维板内每一排高强细钢丝的根数，m、n的取值范围是：1≤m≤5的整数，1≤n≤500的整数。

所述的钢丝定位装置11由两个可拆卸的部分111、112组成，由于制作板材时高强细钢丝与碳纤维原丝在进入成型模具后始终处于水平拉挤状态，成型后的板材中高强细钢丝的位置无需定位装置也能得到保持，因此，钢丝定位装置11在板材正式成型后即可拆除。

高强细钢丝2在混合型碳纤维板中的位置由预成型模具9上的高强细钢丝定位槽I(92)及钢丝定位装置11上的高强细钢丝定位槽II(113)确定(参见图4、图5)。

本发明实施例中，所述将张力纱架3上的高强细钢丝2与碳纤维原纱4同时穿过分纱装置5，并在前处理装置6中进行温度湿度调节的前处理是当环境温度太低或湿度太高时进行，当温度高于10℃、湿度小于70％的情况下，该步骤可以省略，其调节温度湿度的方法是公知的加热法，此处不再赘述。

本发明一种混合型碳纤维板的制作方法中，按FRP材料混杂理论确定混合型碳纤维板内部所需镶嵌高强细钢丝2的规格、数量及碳纤维原纱的用量中所述的混杂理论主要是指在混合型碳纤维板制作成型后，混合型碳纤维板内的各组分的力学性能与制作前保持一致，特别是弹性模量，只要能确定各组分在混合型碳纤维板中的体积比，即可计算出制成后的混合型碳纤维板的弹性模量，也即是平时所说的混合型碳纤维板材的力学性能是可设计的。若知道制成后混合型碳纤维板的力学性能也就不难推出各组分在混合型碳纤维板中的用量，由于这种算法是公知的，在此，不再赘述。

由于本发明一种混合型碳纤维板的制作方法中的关键设备：预成型模具9、钢丝定位装置11设备的具体结构是机械领域内普通技术人员利用的公知技术所能够制作的，因而，其具体结构也不再赘述。

Claims (5)

1.一种混合型碳纤维板，其特征在于：所述的混合型碳纤维板是由包括碳纤维材料及轴向填充在碳纤维材料中间的高强细钢丝组成的带状板材，所述的碳纤维材料由碳纤维原纱及基体树脂组成，所述的基体树脂是环氧树脂或乙烯基酯树脂。

2.根据权利要求1所述的混合型碳纤维板，其特征在于：所述轴向填充在碳纤维材料内部的高强细钢丝的直径为φ0.1mm～φ3.0mm，根数为m×n根，m代表混合型碳纤维板内高强细钢丝的排数，n代表混合型碳纤维板内每一排高强细钢丝的根数，m、n的取值范围是：1≤m≤5的整数，1≤n≤500的整数。

3.一种权利要求1所述的混合型碳纤维板的制作方法，其特征在于：它是在制备混合型碳纤维板时，通过预成型模具及钢丝定位装置在碳纤维板材内部设置高强细钢丝，在高强细钢丝的周边包裹碳纤维材料；其具体方法是：将张力纱架(3)上的高强细钢丝(2)与碳纤维原纱(4)同时穿过分纱装置(5)，并在前处理装置(6)中进行温度湿度调节的前处理；前处理后的高强细钢丝(2)与碳纤维原纱(4)在树脂浸渍槽(7)中充分浸渍基体树脂(8)；经基体树脂(8)浸渍过的高强细钢丝(2)与碳纤维原纱(4)在预成型模具(9)内预成型，经预成型后的高强细钢丝(2)、碳纤维原纱(4)及基体树脂(8)在成型模具(10)内成型并固化成混合型碳纤维板；成型模具后面设置有用于确定混合型碳纤维板成型初期高强细钢丝(2)在混合型碳纤维板中的位置及排布形式的钢丝定位装置(11)，成型固化后的混合型碳纤维板在后处理装置(12)中完全固化，在牵引机(13)的作用下完成混合型碳纤维板的连续制作；通过调节张力纱架上高强细钢丝(2)及碳纤维原纱(4)的张紧力，使高强细钢丝(2)与碳纤维原纱(4)在进入成型模具前始终处于有张紧力的状态。

4.根据权利要求3所述的混合型碳纤维板的制作方法，其特征在于：通过预成型模具使碳纤维原纱及高强细钢丝在进入成型模具前初步成型，根据制成后混合型碳纤维板所应达到的力学性能指标及板材的宽度与厚度，按FRP材料混杂理论确定板材内部所需镶嵌高强细钢丝的规格、数量及碳纤维原纱的用量；镶嵌在混合型碳纤维板内的高强细钢丝的规格为φ0.1mm～φ3.0mm，数量为m×n根，m代表混合型碳纤维板内高强细钢丝的排数，n代表混合型碳纤维板内每一排高强细钢丝的根数，m、n的取值范围是：1≤m≤5的整数，1≤n≤500的整数。

5.根据权利要求3或4所述的混合型碳纤维板的制作方法，其特征在于：所述的钢丝定位装置(11)由两个可拆卸的部分组成，板材正式成型后拆除，高强细钢丝在混合型碳纤维板中的位置由预成型模具上的高强细钢丝定位槽I及钢丝定位装置上的高强细钢丝定位槽II确定。

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