CN104175791B - 具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈 - Google Patents
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Abstract
一种具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈，该纤维增强复合材料轮圈包含一轮圈主体，该轮圈主体具有一适于接触刹车块的刹车接触部分且是由一纤维增强复合材料所制成；该纤维增强复合材料包括一树脂基质及强化纤维的至少一纤维层，该纤维层被嵌入及浸润于该树脂基质中，该树脂基质是由一含有石墨烯及一树脂的树脂组成物所制成；基于该树脂组成物的总重量，该石墨烯的用量范围为0.1wt％至30wt％，该树脂的用量范围为70wt％至99.5wt％。借此可搭配玻璃转移温度相对较低的树脂制造纤维增强复合材料轮圈，以节省加工成型所须能源的消耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈，特别是涉及一种包含一由一含有石墨烯的组成物制成的刹车接触部分的具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈。
背景技术
由于轻量及优异的机械强度，针对高端自行车轮圈的发展，纤维增强复合材料已经越来越受欢迎。现有的纤维增强复合材料通常包括一种树脂材料构成的树脂基质及嵌入于该树脂基质中的碳纤维。
现有的轮圈由于刹车所引起的轮圈温度上升(以下简称为「刹车温度」)而遭受热磨耗。刹车的温度越高，轮圈的热磨耗越严重，且轮圈的使用寿命会缩短。因此，在现有技术中，需要使用玻璃转移温度(Tg)远高于刹车时轮圈的潜在最大刹车温度的树脂材料。该树脂材料的玻璃转移温度越高，该树脂材料承受刹车应力的能力越好。然而，该树脂材料的玻璃转移温度越高，该树脂材料所需的费用越高，且轮圈的制造过程将会更加地复杂且困难，例如成形温度、硬化时间增加，不仅浪费能源更导致树脂变得硬又脆、成本增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以克服与先前技术相关的上述缺点的具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈。
本发明提供一种具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈。该纤维增强复合材料轮圈包含一具有一适于接触刹车块的刹车接触部分的轮圈主体。该轮圈主体是由一纤维增强复合材料所制成。该纤维增强复合材料包括一树脂基质及强化纤维的至少一纤维层。该纤维层被嵌入及浸润于该树脂基质中，该树脂基质是由一含有石墨烯及一树脂的树脂组成物所制成。基于该树脂组成物的总重量，该石墨烯的用量范围为0.1wt％至30wt％，该树脂的用量范围为70wt％至99.5wt％。
本发明的有益效果在于：将含有石墨烯的纤维增强复合材料用于制造纤维增强复合材料轮圈，可以缓解先前技术相关的上述缺点且当添加较多的石墨烯时，该纤维增强复合材料在刹车期间的散热热导率越高，从而可搭配Tg相对较低的树脂，节省加工成型所须能源的消耗。
附图说明
图1是剖视图，说明本发明一个实施例的纤维增强复合材料轮圈。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1根据本发明揭示一个具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈1的实施例。该纤维增强复合材料轮圈1有一具有一对分别适于接触刹车块(图未示)的刹车接触部分12的轮圈主体11。可以理解的是，具体实施时，该刹车接触部分12也可以仅设置一个。
该轮圈主体11是由一纤维增强复合材料制成。该纤维增强复合材料包括一树脂基质及至少一纤维层。该纤维层包括多个强化纤维并被嵌入及浸润于该树脂基质中，该树脂基质是由一含有石墨烯及一树脂的树脂组成物所制成。在树脂组成物中添加石墨烯显著地增加了该刹车接触部分12的热导率及散热能力，进而可使用具有较低Tg的树脂。
较佳地，基于该树脂组成物的总重量，该石墨烯的用量范围为0.1wt％至30wt％，该树脂的用量范围为70wt％至99.5wt％。
较佳地，基于该纤维增强复合材料的总重量，该树脂基质的用量范围为15wt％至60wt％，所述强化纤维的用量范围为40wt％至85wt％。
更佳地，基于该树脂组成物的总重量，该石墨烯的用量范围为0.5wt％至10wt％，该树脂的用量范围为90wt％至99.5wt％。最佳地，基于该树脂组成物的总重量，该石墨烯的用量为0.5wt％，该树脂的用量为99.5wt％。
较佳地，该石墨烯的碳含量大于95wt％，更佳地是大于99.5wt％。
市售的石墨烯的形式可以是干粉状或分散在溶剂中的悬浮液。溶剂的实例包括丙酮、甲基乙基酮(methyl ethyl ketone，简称MEK)、二甲基甲酰胺(dimethylformamide)、N-甲基吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone，简称NMP)，及前述的组合。石墨烯粉末的颗粒尺寸较佳地是小于100nm，更佳地是小于20nm。
该树脂可例如是选自于由下列所构成群组的树脂：环氧树脂、乙烯酯、不饱和聚酯类树脂、酚醛树脂，及前述之一组合。较佳地，该树脂是环氧树脂。
所述强化纤维可例如是选自于由下列所构成群组的强化纤维：无机纤维、有机纤维，及前述之一组合。该无机纤维可以是碳纤维、玻璃纤维，及玄武岩纤维。该有机纤维可以是克维拉纤维(Kevlar fibers)、超高分子量聚乙烯(Ultra-high-molecular-weightpolyethylene，简称UHMWPE)纤维，及液晶聚合物(liquid crystal polymer)纤维。较佳地，所述强化纤维是碳纤维。
本发明的树脂组成物可视实际的要求选择性地包含合适的添加剂。该添加剂可包括增塑剂、加工助剂、增强剂、着色剂、热稳定剂、偶合剂、固化剂等等。较佳地，该树脂组成物还含有一固化剂及一抗冲击改质剂。
较佳地，该轮圈主体11的适于接触刹车块的刹车接触部分12是由一第一纤维增强复合材料所制成，且该轮圈主体11的其他部分是由一第二纤维增强复合材料所制成。该第一纤维增强复合材料、该第二纤维增强复合材料分别可为如前所述纤维增强复合材料。该第一纤维增强复合材料的石墨烯含量是大于或等于该第二纤维增强复合材料的石墨烯含量，以促进散热。
该树脂组成物的制备可以是通过在一溶剂中混合石墨烯及该树脂。该溶剂可例如丙酮、甲基乙基酮、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮，及前述之一组合。较佳地，石墨烯及该树脂的混合物对该溶剂的重量比例是2：1。
该纤维增强复合材料轮圈1的形成可以是采用传统的方法，为求简洁不在此进一步讨论。
本发明将就以下实施例来作进一步说明，但应了解的是，该实施例仅为例示说明之用，而不应被解释为本发明实施之限制。
＜制备例1至5及制备比较例1＞
制备例1的树脂组成物及该纤维增强复合材料轮圈(PE1)
将0.5wt％的石墨烯(购自于Vittoria，具有小于50nm的颗粒尺寸)均匀地分散于MEK中以提供一石墨烯溶液。一边搅拌一边将99.5wt％的环氧树脂加入该石墨烯溶液以形成一树脂组成物浆料。石墨烯和环氧树脂混合物对溶剂的重量比例是2：1。将该树脂组成物浆料的溶剂干燥以提供一树脂组成物。该树脂组成物是记载于表1。
将该树脂组成物浆料涂布于94个强化纤维并排的纤维层(FAW075)的顶面及底面以形成一经涂布的纤维薄片。该经涂布的纤维薄片经热压(熨烫)浸润后形成一纤维增强复合材料(此技术领域也称此类纤维增强复合材料为预浸物(prepreg))。该热压温度为90至120℃且该热压时间为0.1至0.5分钟。制备例1的该纤维增强复合材料的组成物是记载于表2。
制备例2至5的树脂组成物及该纤维增强复合材料轮圈(PE2至PE5)
制备例2至5的树脂组成物及纤维增强复合材料的制程及条件是与制备例1类似，不同处在于石墨烯及环氧树脂的用量。
制备例2至5的树脂组成物是记载于表1。
制备比较例1的树脂组成物及该纤维增强复合材料轮圈(CPE1)
制备比较例1的树脂组成物及纤维增强复合材料的制程及条件是与制备例1类似，不同处在于制备比较例1不含有石墨烯。
制备比较例1的树脂组成物及纤维增强复合材料是分别记载于表1及表2。
＜物性测试＞
制备例1、2及制备比较例1之纤维增强复合材料依据ASTM标准裁成试片。制备例1、2及制备比较例1之纤维增强复合材料的试片及制备例1至5及制备比较例1之树脂组成物进行下列测试：
树脂组成物的热导率(Thermal conductivity，κ)是依据ASTME1461方法测试；
树脂组成物的抗弯强度(Flexural strength)是依据ASTM D790方法测试；
树脂组成物的弯曲模量(Flexural modulus)是依据ASTM D790方法测试；
树脂组成物的拉伸强度(Tensile strength)是依据ASTM D638方法测试；
树脂组成物的拉伸模量(Tensile modulus)是依据ASTM D638方法测试；
树脂组成物的伸长率(Elongation)是依据ASTM D638方法测试；
纤维增强复合材料试片的热导率(Thermal conductivity，κ)是依据ASTME1461方法测试；
纤维增强复合材料试片的抗弯强度(Flexural strength)是依据ASTM D7264方法测试；
纤维增强复合材料试片的弯曲模量(Flexural modulus)是依据ASTM D7264方法测试；及
纤维增强复合材料试片的层间剪切强度(Interlaminar shear strength，ILSS)是依据ASTM D2344方法测试。
测试结果记录于表1及表2。
表1
「-」表示未测试。
表2
| 纤维增强复合材料 | 制备例1 | 制备例2 | 制备比较例1 |
| 纤维(wt％) | 63 | 63 | 63 |
| 树脂组成物(wt％) | 37 | 37 | 37 |
| κ | 1.116 | 1.123 | 1.076 |
| 抗弯强度(MPa) | 1632.95 | 1570.59 | 1452.61 |
| 弯曲模量(GPa) | 148.79 | 115.3 | 119.96 |
| ILSS(kgf/mm2) | 76.20 | 69.02 | 60.21 |
「-」表示未测试。
＜实施例1及2及比较例1＞
实施例1的纤维增强复合材料轮圈(E1)
将制备例1纤维增强复合材料(含有石墨烯0.5wt％，环氧树脂99.5wt％)的两个试片相互贴合并置入一模具中。将一充气袋置入该模具中，之后将该模具关闭并加热至120至200℃的成型温度0.5至2小时。当该模具被加热到成型温度，该充气袋被充气至可以压迫该模具的内壁以按压所述试片。
实施例1的纤维增强复合材料轮圈是依航翊公司型号700C制造，具有60mm高的轮廓及23.5mm的宽度。
实施例2的纤维增强复合材料轮圈(E2)
实施例2的纤维增强复合材料轮圈的制程及条件是与实施例1类似，除了所用的是制备例2的纤维增强复合材料(含有石墨烯1wt％，环氧树脂99wt％)。
比较例1的纤维增强复合材料轮圈(CE1)
比较例1的纤维增强复合材料轮圈的制程及条件是与实施例1类似，除了所用的是制备比较例1纤维增强复合材料(不含石墨烯)。
＜性能测试＞
将实施例1及2及比较例1的纤维增强复合材料轮圈进行下列测试。测试结果记录于表3。
刹车温度测试：
将轮圈的轮轴荷重65kg以进行三阶段的刹车温度测试。记录每一阶段的起始温度及最终温度。
第一阶段：转动轮圈至速度为50km/hr，之后，持续30分钟交替地施加一刹车块至该轮圈，然后将该刹车块自该轮圈移开。每次施加刹车块是持续5秒钟，每次放开刹车块也是持续5秒钟。
第二阶段：施加一刹车块至该轮圈并维持轮圈以20至23km/hr的速度转动，持续9分钟。
第三阶段：施加一刹车块至该轮圈并维持轮圈以20至23km/hr的速度转动，持续15分钟。
辐条孔的强度：
将四个辐条分别设置于轮圈0°、90°、180°及270°位置的四个模制轮辐孔(spokehole)。每一辐条的一端分别是由一个抵制于轮辐孔周缘的螺纹接头固定。将每一辐条未被固定的一端往与被固定的一端相反的方向拉扯至该轮圈损坏且该辐条脱出。记录该拉力值(pull force)，且该拉力值必须大于275kg。
横向刚性测试：
横向刚性是依据EN14781:2005-4.10.3.2方法测试。以数值上来说，刚性和弹性呈反比。
表3
如表1及2所示，添加石墨烯会提升本发明该树脂组成物及该纤维增强复合材料的热导率和机械性质。值得注意的是，如表2所示，实施例1的纤维增强复合材料(含0.5wt％石墨烯)的机械性质优于实施例2的纤维增强复合材料(含1.0wt％石墨烯)。
如表3所示的刹车温度测试结果，和比较例1相较，实施例1及2的轮圈的刹车温度在第一、第二及第三阶段都有明显地降低。值得注意的是，是当石墨烯的含量由0wt％增加到1.0wt％，第二阶段刹车测试的刹车温度由140℃降低到118℃(降低将近20％)，第三阶段刹车测试的刹车温度由154℃降低到130℃(降低将近20％)。因此，在纤维增强复合材料中添加石墨烯可以解决现有轮圈所遇到的热磨耗变形的问题。
此外，对照制备例1及2可以看出，当添加较多的石墨烯，该纤维增强复合材料在刹车期间的散热热导率越高，也就是说，可搭配Tg相对较低的树脂，节省加工成型所须能源的消耗。
综上所述，本发明通过将含有石墨烯的纤维增强复合材料用于制造纤维增强复合材料轮圈，与先前技术相关的上述缺点可以得到缓解，所以确实能达成本发明之目的。
以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明权利要求书及说明书内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明涵盖之范围。
Claims (8)
1.一种具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈，其特征在于：该纤维增强复合材料轮圈包含：
一轮圈主体，具有一适于接触刹车块的刹车接触部分且是由一纤维增强复合材料所制成；该纤维增强复合材料包括一树脂基质及至少一纤维层，该纤维层包括多个强化纤维并被嵌入及浸润于该树脂基质中，该树脂基质是由一含有石墨烯及一树脂的树脂组成物所制成；
基于该树脂组成物的总重量，该石墨烯的用量范围为0.1wt％至30wt％，该树脂的用量范围为70wt％至99.5wt％。
2.根据权利要求1所述的具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈，其特征在于：基于该纤维增强复合材料的总重量，该树脂基质的用量范围为15wt％至60wt％，所述强化纤维的用量范围为40wt％至85wt％。
3.根据权利要求1所述的具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈，其特征在于：基于该树脂组成物的总重量，该石墨烯的用量范围为0.5wt％至10wt％，该树脂的用量范围为90wt％至99.5wt％。
4.根据权利要求1所述的具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈，其特征在于：基于该树脂组成物的总重量，该石墨烯的用量为0.5wt％，该树脂的用量为99.5wt％。
5.根据权利要求1所述的具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈，其特征在于：该石墨烯的碳含量大于95wt％。
6.根据权利要求1所述的具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈，其特征在于：该树脂是选自于由下列所构成群组的树脂：环氧树脂、不饱和聚酯类树脂、酚醛树脂，及前述的一个组合。
7.根据权利要求1所述的具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈，其特征在于：所述强化纤维是选自于由下列所构成群组的强化纤维：碳纤维、玻璃纤维、克维拉纤维、玄武岩纤维，及前述的一个组合。
8.根据权利要求1所述的具有散热能力的纤维增强复合材料轮圈，其特征在于：该树脂组成物还含有一固化剂及一抗冲击改质剂。
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