CN103878985A - 一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法及碳纤维导轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法及碳纤维导轮，属于硅片加工设备领域。本发明的制备方法，其步骤为：（1）将树脂放置于烘箱中加热1～2h后，加入固化剂，真空高速搅拌均匀；（2）将金属芯模预热1～2h后，吊装于三维缠绕机上固定；（3）将碳纤维纱线的缠绕角度按照从内到外的顺序逐层缠绕；（5）将缠绕有碳纤维的金属芯模进行阶梯加热固化；（6）将固化后的碳纤维管精磨到指定导轮尺寸，并进行定长切割，得到碳纤维导轮辊体。本发明利用一次缠绕、一次固化和一次外表面机加工即完成碳纤维导轮的制作，简化了制作工艺，大大缩短了生产周期，降低了多次缠绕易分层的风险；制作完成的导轮强度高、质量稳定、成本低廉。

Description

一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法及碳纤维导轮
技术领域
本发明涉及一种导轮的制备方法及导轮，更具体地说，涉及一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法及碳纤维导轮。
背景技术
近年来，我国的光伏产业取得了迅速的发展，多晶硅片的产量占到了世界产量的70%左右，而且随着光伏发电成本的逐步降低，接近目前的风力发电成本，届时我国的光伏产业也将迎来更大的发展。多晶硅片的生产离不开多线切割设备。导轮是多线切割设备的重要组成部件，但导轮的使用寿命普遍较短，从而需频繁更换导轮，给多晶硅片的切割带来一定影响。目前国内制作的切割导轮主要有钢制导轮、聚氨酯纤维导轮和碳纤维导轮等。钢制导轮由于是整体的，自重较大，增加了转动的惯性，在实际的工作中出现导轮的转动滞后于金属切割线的现象，加速了切割线的磨损，缩短了导轮的使用寿命，而且金属材料保温性能差，也缩短了切割设备的使用寿命；聚氨酯纤维导轮由于聚氨酯树脂的反应工艺复杂，中间易产生气孔，次品率较高，导致其生产效率低；传统的碳纤维导轮采用三维缠绕工艺制作，但由于导轮壁厚在50mm左右，需要多次缠绕、多次固化、分次机加工外表面等，生产周期长，且多次缠绕存在分层的风险。碳纤维导轮作为多晶硅切割设备的重要零部件，质量轻、强度高，目前多依赖国外进口，而且价格昂贵，部分厂家在导轮和法兰脱落后不负责维修，这使国内多线切割设备使用厂家非常头疼。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有碳纤维导轮生产工艺复杂、生产周期长、导轮强度低、且价格昂贵的不足，提供一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法及碳纤维导轮，采用本发明的技术方案，利用一次碳纤维缠绕、一次固化和一次外表面机加工即完成碳纤维导轮的制作，简化了制作工艺，大大缩短了生产周期，降低了多次缠绕易分层的风险；制作完成的导轮强度高、质量稳定、成本低廉。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，包括以下步骤：
（1）配制树脂：预先将树脂放置于烘箱中加热1～2h后，加入固化剂，然后将树脂倒入真空罐中抽真空，并高速搅拌均匀；
（2）芯模预热：将金属芯模放置于烘箱中预热1～2h后，将芯模吊装于三维缠绕机的缠绕工位上固定，并准备缠绕；
（3）铺层设计：将碳纤维纱线的缠绕角度按照从内到外的顺序，分别为40°～60°缠绕6～8mm、30°～40°缠绕6～8mm、10°～20°缠绕10～20mm、30°～40°缠绕6～8mm和40°～60°缠绕6～8mm；
（4）碳纤维缠绕：按照步骤（3）中的铺层设计，控制树脂的质量含量为30%～40%进行缠绕；
（5）固化：步骤（4）结束后，将缠绕有碳纤维的金属芯模放置于烘箱中进行阶梯加热固化，固化结束后自然冷却至室温；
（6）后加工：将固化后的碳纤维管精磨到指定导轮尺寸，并进行定长切割，得到碳纤维导轮辊体。
作为本发明进一步改进，步骤（1）中所述的树脂为环氧树脂，加热温度为80～120℃；所述的固化剂为酸酐类固化剂。
作为本发明进一步改进，步骤（2）中所述的金属芯模预热温度为30℃。
作为本发明进一步改进，步骤（4）中的具体缠绕过程为：将碳纤维纱线按工艺要求穿好，并将步骤（1）中的树脂倒入恒温胶槽中预热，通过调节树脂控制器，控制树脂以一定含量进行缠绕；并且在缠绕过程中将内层碳纤维纱线的张力从内到外逐渐减小；同时利用刮胶板将多余树脂刮除。
作为本发明进一步改进，步骤（5）中所述的阶梯加热固化具体为：根据树脂的玻璃态转化温度（Tg）和DSC曲线，按照80℃加热2～3h、100℃加热2～3h、120℃加热4～5h以及150℃加热5～6h的阶梯温度进行加热固化。
作为本发明进一步改进，步骤（6）中的具体后加工过程为：
（6.1）用磨床将缠绕于金属芯模上的碳纤维管表面精磨至指定的导轮尺寸；
（6.2）用车床将金属芯模上的碳纤维管一端封头车掉，并将剩余部分放置于脱管机中脱模取出金属芯模，以备下次缠绕使用；
（6.3）用水锯将脱下来的碳纤维管定长切割，制成碳纤维导轮辊体。
本发明的一种利用上述的碳纤维导轮制备方法制作的碳纤维导轮，该碳纤维导轮由内到外依次包括第一缠绕层、第二缠绕层、第三缠绕层、第四缠绕层和第五缠绕层，所述的第一缠绕层的缠绕角度为40°～60°，缠绕厚度为6～8mm；所述的第二缠绕层的缠绕角度为30°～40°，缠绕厚度为6～8mm；所述的第三缠绕层的缠绕角度为10°～20°，缠绕厚度为10～20mm；所述的第四缠绕层的缠绕角度为30°～40°，缠绕厚度为6～8mm；所述的第五缠绕层的缠绕角度为40°～60°，缠绕厚度为6～8mm。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
（1）本发明的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，将碳纤维纱线的缠绕角度按照从内到外的顺序，分别为40°～60°缠绕6～8mm、30°～40°缠绕6～8mm、10°～20°缠绕10～20mm、30°～40°缠绕6～8mm和40°～60°缠绕6～8mm，利用一次碳纤维缠绕、一次固化和一次外表面机加工即完成碳纤维导轮的制作，简化了制作工艺，大大缩短了生产周期，降低了多次缠绕易分层的风险；
（2）本发明的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，预先将树脂放置于烘箱中加热1～2h后，加入固化剂，然后将树脂倒入真空罐中抽真空，并高速搅拌均匀，确保了树脂与固化剂充分混合，且内部没有气泡，保证了碳纤维导轮具有足够的强度和使用寿命；
（3）本发明的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，将金属芯模放置于烘箱中预热1～2h，促进树脂的流动，使树脂具有更好的浸润性；
（4）本发明的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，将碳纤维纱线按工艺要求穿好，并将树脂倒入恒温胶槽中预热，使树脂一直处于熔融状态，通过调节树脂控制器，控制树脂以一定含量进行缠绕；并且在缠绕过程中将内层碳纤维纱线的张力从内到外逐渐减小，消除了碳纤维导轮的内部应力；
（5）本发明的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，根据树脂的玻璃态转化温度（Tg）和DSC曲线，按照80℃加热2～3h、100℃加热2～3h、120℃加热4～5h以及150℃加热5～6h的阶梯温度进行加热固化，固化效果好，增强了碳纤维导轮的强度和耐磨性；
（6）本发明的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，用磨床将缠绕于金属芯模上的碳纤维管表面精磨至指定的导轮尺寸；用车床将金属芯模上的碳纤维管一端封头车掉，并将剩余部分放置于脱管机中脱模取出金属芯模，以备下次缠绕使用；用水锯将脱下来的碳纤维管定长切割，制成碳纤维导轮辊体，一次可制作2～3根碳纤维导轮辊体，提高了生产效率，产品质量稳定；
（7）本发明的一种碳纤维导轮，其包括第一缠绕层、第二缠绕层、第三缠绕层、第四缠绕层和第五缠绕层，第一缠绕层的缠绕角度为40°～60°，缠绕厚度为6～8mm；第二缠绕层的缠绕角度为30°～40°，缠绕厚度为6～8mm；第三缠绕层的缠绕角度为10°～20°，缠绕厚度为10～20mm；第四缠绕层的缠绕角度为30°～40°，缠绕厚度为6～8mm；第五缠绕层的缠绕角度为40°～60°，缠绕厚度为6～8mm，导轮强度高、质量稳定、造价低廉。
附图说明
图1为本发明的一种利用碳纤维导轮制备方法制作的碳纤维导轮的截面结构示意图；
图2为本发明的碳纤维缠绕于金属芯模上的结构示意图；
图3为本发明车掉碳纤维管一端封头后的结构示意图。
示意图中的标号说明：
1、第一缠绕层；2、第二缠绕层；3、第三缠绕层；4、第四缠绕层；5、第五缠绕层。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，包括以下步骤：
（1）配制树脂：预先将树脂放置于烘箱中加热1～2h后，加入固化剂，然后将树脂倒入真空罐中抽真空，并高速搅拌均匀，以确保树脂与固化剂充分混合，且内部没有气泡，保证碳纤维导轮具有足够的强度和使用寿命；上述的树脂为环氧树脂，加热温度为80～120℃；固化剂为酸酐类固化剂。
（2）芯模预热：将金属芯模放置于烘箱中，保持30℃的温度预热1～2h后，将芯模吊装于三维缠绕机的缠绕工位上固定，并准备缠绕，预热芯模的目的在于促进树脂的流动，使树脂具有更好的浸润性；其缠绕的具体方式和现有的三维缠绕方式基本相似，在此不再赘述；
（3）铺层设计：根据材料的性能和导轮的使用要求进行力学计算及铺层设计，具体地，将碳纤维纱线的缠绕角度按照从内到外的顺序，分别为40°缠绕6mm、30°缠绕6mm、10°缠绕10mm、30°缠绕6mm和40°缠绕6mm，以制备尺寸较小的碳纤维导轮；上述的缠绕角度是指碳纤维纱线与金属芯模轴线所成夹角的余角；
（4）碳纤维缠绕：按照步骤（3）中的铺层设计，控制树脂含量为30%进行缠绕；具体地，将碳纤维纱线按工艺要求穿好，并将步骤（1）中的树脂倒入恒温胶槽中预热，使树脂一直处于熔融状态，通过调节树脂控制器，控制树脂以30%的含量进行缠绕，这里的树脂含量指的是树脂在碳纤维导轮中的质量含量；并且在缠绕过程中将内层碳纤维纱线的张力从内到外逐渐减小，用以消除碳纤维导轮的内部应力；同时利用刮胶板将多余树脂刮除；参见图2所示，为碳纤维缠绕于金属芯模上的结构示意图，由图可知，碳纤维缠绕层的中间部分为圆柱状，两端为锥形封头；
（5）固化：步骤（4）结束后，将缠绕有碳纤维的金属芯模放置于烘箱中进行阶梯加热固化，固化结束后自然冷却至室温；具体地，根据树脂的玻璃态转化温度（Tg）和DSC曲线，按照80℃加热2～3h、100℃加热2～3h、120℃加热4～5h以及150℃加热5～6h的阶梯温度进行加热固化，固化效果好，增强了碳纤维导轮的强度和耐磨性；
（6）后加工：将固化后的碳纤维管精磨到指定导轮尺寸，并进行定长切割，得到碳纤维导轮辊体；具体步骤为：（6.1）用磨床将缠绕于金属芯模上的碳纤维管表面精磨至指定的导轮直径尺寸；（6.2）参见图3所示，用车床将金属芯模上的碳纤维管一端封头车掉，并将剩余部分放置于脱管机中脱模取出金属芯模，以备下次缠绕使用；（6.3）用水锯将脱下来的碳纤维管定长切割，制成碳纤维导轮辊体，一次可制作2～3根碳纤维导轮辊体，提高了生产效率，产品质量稳定；制得碳纤维导轮辊体后，通过在其上开设线槽即可获得碳纤维导轮。
采用上述的碳纤维导轮制备方法，利用一次碳纤维缠绕、一次固化和一次外表面机加工即完成碳纤维导轮的制作，简化了制作工艺，大大缩短了生产周期，降低了多次缠绕易分层的风险。
结合图1，本实施例的一种利用上述的碳纤维导轮制备方法制作的碳纤维导轮，该碳纤维导轮由内到外依次包括第一缠绕层1、第二缠绕层2、第三缠绕层3、第四缠绕层4和第五缠绕层5，第一缠绕层1、第二缠绕层2、第三缠绕层3、第四缠绕层4和第五缠绕层5均由碳纤维纱线和树脂混合而成，其中，第一缠绕层1的缠绕角度为40°，缠绕厚度为6mm；第二缠绕层2的缠绕角度为30°，缠绕厚度为6mm；第三缠绕层3的缠绕角度为10°，缠绕厚度为10mm；第四缠绕层4的缠绕角度为30°，缠绕厚度为6mm；第五缠绕层5的缠绕角度为40°，缠绕厚度为6mm；上述的缠绕角度也是指碳纤维纱线与金属芯模轴线所成夹角的余角。采用本实施例的碳纤维缠绕结构制作的导轮强度高、质量稳定、造价低廉。
实施例2
本实施例的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法及碳纤维导轮基本同实施例1，不同之处在于：本实施例的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，其步骤（3）中的铺层设计为：将碳纤维纱线的缠绕角度按照从内到外的顺序，分别为50°缠绕7mm、35°缠绕7mm、15°缠绕15mm、35°缠绕7mm和50°缠绕7mm，以制备中等尺寸的碳纤维导轮；上述的缠绕角度是指碳纤维纱线与金属芯模轴线所成夹角的余角；步骤（4）中控制树脂含量为35%进行缠绕。本实施例的一种利用上述的碳纤维导轮制备方法制作的碳纤维导轮，第一缠绕层1的缠绕角度为50°，缠绕厚度为7mm；第二缠绕层2的缠绕角度为35°，缠绕厚度为7mm；第三缠绕层3的缠绕角度为15°，缠绕厚度为15mm；第四缠绕层4的缠绕角度为35°，缠绕厚度为7mm；第五缠绕层5的缠绕角度为50°，缠绕厚度为7mm；上述的缠绕角度也是指碳纤维纱线与金属芯模轴线所成夹角的余角。
实施例3
本实施例的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法及碳纤维导轮基本同实施例1，不同之处在于：本实施例的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，其步骤（3）中的铺层设计为：将碳纤维纱线的缠绕角度按照从内到外的顺序，分别为60°缠绕8mm、40°缠绕8mm、20°缠绕20mm、40°缠绕8mm和60°缠绕8mm，以制备尺寸较大的碳纤维导轮；上述的缠绕角度是指碳纤维纱线与金属芯模轴线所成夹角的余角；步骤（4）中控制树脂含量为40%进行缠绕。本实施例的一种利用上述的碳纤维导轮制备方法制作的碳纤维导轮，第一缠绕层1的缠绕角度为60°，缠绕厚度为8mm；第二缠绕层2的缠绕角度为40°，缠绕厚度为8mm；第三缠绕层3的缠绕角度为20°，缠绕厚度为20mm；第四缠绕层4的缠绕角度为40°，缠绕厚度为8mm；第五缠绕层5的缠绕角度为60°，缠绕厚度为8mm；上述的缠绕角度也是指碳纤维纱线与金属芯模轴线所成夹角的余角。
本发明的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法及碳纤维导轮，利用一次碳纤维缠绕、一次固化和一次外表面机加工即完成碳纤维导轮的制作，简化了制作工艺，大大缩短了生产周期，降低了多次缠绕易分层的风险；制作完成的导轮强度高、质量稳定、成本低廉。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）配制树脂：预先将树脂放置于烘箱中加热1～2h后，加入固化剂，然后将树脂倒入真空罐中抽真空，并高速搅拌均匀；
（2）芯模预热：将金属芯模放置于烘箱中预热1～2h后，将芯模吊装于三维缠绕机的缠绕工位上固定，并准备缠绕；
（3）铺层设计：将碳纤维纱线的缠绕角度按照从内到外的顺序，分别为40°～60°缠绕6～8mm、30°～40°缠绕6～8mm、10°～20°缠绕10～20mm、30°～40°缠绕6～8mm和40°～60°缠绕6～8mm；
（4）碳纤维缠绕：按照步骤（3）中的铺层设计，控制树脂的质量含量为30%～40%进行缠绕；
（5）固化：步骤（4）结束后，将缠绕有碳纤维的金属芯模放置于烘箱中进行阶梯加热固化，固化结束后自然冷却至室温；
（6）后加工：将固化后的碳纤维管精磨到指定导轮尺寸，并进行定长切割，得到碳纤维导轮辊体。
2.根据权利要求1所述的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的树脂为环氧树脂，加热温度为80～120℃；所述的固化剂为酸酐类固化剂。
3.根据权利要求1所述的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的金属芯模预热温度为30℃。
4.根据权利要求1所述的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，其特征在于：步骤（4）中的具体缠绕过程为：将碳纤维纱线按工艺要求穿好，并将步骤（1）中的树脂倒入恒温胶槽中预热，通过调节树脂控制器，控制树脂以一定含量进行缠绕；并且在缠绕过程中将内层碳纤维纱线的张力从内到外逐渐减小；同时利用刮胶板将多余树脂刮除。
5.根据权利要求1所述的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，其特征在于：步骤（5）中所述的阶梯加热固化具体为：根据树脂的玻璃态转化温度（Tg）和DSC曲线，按照80℃加热2～3h、100℃加热2～3h、120℃加热4～5h以及150℃加热5～6h的阶梯温度进行加热固化。
6.根据权利要求1所述的一种用于切割硅片的碳纤维导轮制备方法，其特征在于：步骤（6）中的具体后加工过程为：
（6.1）用磨床将缠绕于金属芯模上的碳纤维管表面精磨至指定的导轮尺寸；
（6.2）用车床将金属芯模上的碳纤维管一端封头车掉，并将剩余部分放置于脱管机中脱模取出金属芯模，以备下次缠绕使用；
（6.3）用水锯将脱下来的碳纤维管定长切割，制成碳纤维导轮辊体。
7.一种利用权利要求1至6任意一项所述的碳纤维导轮制备方法制作的碳纤维导轮，其特征在于：该碳纤维导轮由内到外依次包括第一缠绕层（1）、第二缠绕层（2）、第三缠绕层（3）、第四缠绕层（4）和第五缠绕层（5），所述的第一缠绕层（1）的缠绕角度为40°～60°，缠绕厚度为6～8mm；所述的第二缠绕层（2）的缠绕角度为30°～40°，缠绕厚度为6～8mm；所述的第三缠绕层（3）的缠绕角度为10°～20°，缠绕厚度为10～20mm；所述的第四缠绕层（4）的缠绕角度为30°～40°，缠绕厚度为6～8mm；所述的第五缠绕层（5）的缠绕角度为40°～60°，缠绕厚度为6～8mm。
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