CN104325651A - 碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法 - Google Patents

碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法；所述复合材料的增强体为碳纤维/铜丝编织体；编织采用的纱线包括碳纤维和铜丝合股后形成的纱线。制备时，以碳纤维和铜丝合股后形成的纱线作为编织用经纬向纱线，或是以碳纤维、碳纤维和铜丝合股后形成的纱线作为编织用纱线，经纬向编织形成碳纤维/铜丝编织体；以所述碳纤维/铜丝编织体作为增强体，树脂刷涂或浸渍所述增强体后，固化成型即可。本发明通过将铜丝与碳纤维混合编织，实现了复合材料厚度方向导热性能的提高，进而获得低密度导热复合材料。

Description

碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法。
背景技术
飞行器所载电子设备正沿着小型化，高效化，轻量化的方向发展，迫切需求一种轻质高强且导热性能优异的材料。树脂基复合材料特别是碳纤维等先进复合材料具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀等优异性能，广泛应用于航空航天、战略武器、工业生产等领域。普通碳纤维的导热性能不佳，沥青基和气相生长碳纤维虽具有很高的轴向热导率，但碳纤维导热性能的各向异性本质造成其径向热导率过低，直接影响层合板复合材料厚度方向导热性能的提高。与之矛盾的是，电子设备与散热装置的空间位置多为上下关系，厚度方向导热性能至关重要。当前，研究人员多以颗粒状导热填料(金属、陶瓷、碳材料等)改性树脂基体，从而提高碳纤维复合材料厚度方向导热性能。对此，导热填料在树脂基体中的高填充量分散一直限制着复合材料导热性能的提高，改性后复合材料厚度方向导热性能多低于5W/(m·K)。
发明内容
本发明的目的在于克服碳纤维复合材料厚度方向导热性能低的缺点，提供一种碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法；本发明通过碳纤维/铜丝混合编织体的制备实现复合材料厚度方向导热性能的提高。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料，所述复合材料的增强体为碳纤维/铜丝编织体；编织采用的纱线包括碳纤维和铜丝合股后形成的纱线。
优选的，所述编织为经纬向编织或三维编织。
优选的，所述经纬向编织中，经纬向纱线均采用碳纤维和铜丝合股后形成的纱线，或经纬向纱线中的一种采用碳纤维和铜丝合股后形成的纱线，另一种采用碳纤维。
本发明还涉及一种上述的碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
A、以碳纤维和铜丝合股后形成的纱线作为编织用纱线，或是以碳纤维、碳纤维和铜丝合股后形成的纱线作为编织用纱线，编织形成碳纤维/铜丝编织体；
B、以所述碳纤维/铜丝编织体作为增强体，树脂刷涂或浸渍所述增强体后，固化成型制得所述碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料。
优选的，所述碳纤维选自M60、M55、M40、T800、T700中的一种。
优选的，所述铜丝的直径为0.05～0.3mm。当铜丝直径小于0.05mm时，铜丝强度不够，易在编织过程中发生脆断，且铜丝含量过低，导热性能提高不明显；当铜丝直径大于0.3mm时，铜丝柔性不足，无法进行编织，且铜丝用量过大影响材料密度控制。
优选的，所述铜丝选自紫铜丝、黄铜丝、磷铜丝、红铜丝中的一种。与金丝、银丝等金属丝相比，铜丝具有密度低，价格低廉且导热性能优良的特点。(金、银、铜的热导率分别为345(W/m·K)、450(W/m·K)、398(W/m·K)，密度分别为19.3g/cm3、10.5g/cm3、8.9g/cm3)
优选的，所述编织为经纬向编织或三维编织。
优选的，所述经纬向编织为平纹编织、缎纹编织或斜纹编织。
优选的，所述固化成型为模压成型、真空热压罐成型、树脂传递模塑成型或真空辅助树脂传递模塑成型。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、铜丝为各向同性导热体，热量可沿其直径方向快速传输；本发明将铜丝与碳纤维混合编织，实现了复合材料厚度方向导热性能的提高；进而得到低密度导热复合材料。
2、本发明的碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料具有良好的力学性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为碳纤维/铜丝混合编织体横截面图；
图2为碳纤维/铜丝混合编织体正视图，阴影部分为碳纤维，白色部分为铜丝；
图3为碳纤维/铜丝混合编织体的VARTM成型装置示意图；
其中，1为碳纤维，2为铜丝，3为树脂储存装置，4为第二阀门，5为密封胶条，6为吸胶毡，7为真空袋，8为脱模布，9为混编织物，10为硬质平板模具，11为导流介质，12为第一阀门，13为树脂回收装置，14为抽真空装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1、碳纤维/铜丝/AG80复合材料的模压成型
本实施例涉及一种碳纤维/铜丝/AG80复合材料极其制备。
1、碳纤维/铜丝混合编织体的制备，工艺过程包括穿经，卷纬，开口，引纬，打纬和收卷。
(1)、穿经。置于纱架上的碳纤维(M55J、M40J、T800、T700等的一种，本实施例中选用M55J)和单根紫铜丝(直径0.05-0.3mm)合股后依次穿过同一综丝孔、停经片、筘齿，最后接于收卷装置，经纱分布密度为3-6根/cm。
(2)、卷纬。将单束碳纤维(M55J、M40J、T800、T700等的一种，本实施例中选用M55J)与单根紫铜丝(直径0.05-0.3mm)合股后卷绕在纡管上，要求卷纬过程中张力控制稳定从而获得适当的卷绕密度且不损伤纱线的物理机械性能。将卷有纬纱的纡管放入梭子中用于下一步的引纬。
(3)、开口。在开口装置的作用下通过不同综框的经纱形成织口，为纬纱的传入形成通道。
(4)、引纬。将卷有纬纱的梭子穿过织口，形成纬纱。
(5)、打纬。在打纬机构的作用下，穿入织口的纬纱向收卷装置运动，通过打纬力度的控制可调节纬纱的分布密度。
(6)、收卷。将织好的织物卷曲在收卷装置上；制得的碳纤维/铜丝混合编织体横截面图如图1所示，其中，1为碳纤维，2为铜丝；正视图如图2所示，阴影部分为碳纤维，白色部分为铜丝。
2、碳纤维/铜丝/AG80复合材料的模压成型，主要包括裁布，配胶，刷胶，模压四个部分。
(1)、裁布。裁90×180mm碳纤维/铜丝混合编织体一张。
(2)、配胶。将AG80∶DDS∶BF3·MEA按照100∶30∶1的比例进行胶液的配制，90℃机械搅拌30min，之后90℃抽真空30min，除去气泡。
(3)、刷胶。将胶液均匀刷在裁好的混合编织体上。
(4)、模压。将刷完胶的编织体放于模腔中，采用150±2℃/1h前固化，180±2℃/3h后固化，固化压力为20±3Mpa；即得碳纤维/铜丝/AG80复合材料，记为碳纤维/铜丝/AG80复合材料I。
以合股后的碳纤维和紫铜丝作为经向纱线、碳纤维作为纬向纱线，按上述步骤制得碳纤维/铜丝/AG80复合材料，记为碳纤维/铜丝/AG80复合材料II。
以紫铜丝作为经向纱线、碳纤维作为纬向纱线，按上述步骤制得碳纤维/铜丝/AG80复合材料，记为碳纤维/铜丝/AG80复合材料III。在实践中，单一铜丝作为经向纱线，复合材料强度和模量损失太高。
以碳纤维作为经纬向纱线，按上述步骤制得碳纤维/AG80复合材料。
3、碳纤维/铜丝/AG80复合材料性能测试
(1)、力学性能测试
分别测试碳纤维/AG80复合材料、碳纤维/铜丝/AG80复合材料I和II的力学性能。材料经向拉伸强度分别为963.56MPa，942.78MPa，960.13MPa；经向拉伸模量分别为162.15GPa，153.56GPa，158.79GPa；纬向拉伸强度分别为961.23MPa，956.13MPa，959.74MPa；纬向拉伸模量分别为162.85GPa，152.78GPa，150.13GPa。可见碳纤维/铜丝/AG80复合材料I和II的力学性能与碳纤维/AG80复合材料相当。
(2)、导热性能测试采用激光闪电发测试碳纤维/AG80复合材料、碳纤维/铜丝/AG80复合材料I和II厚度方向的导热性能。四种材料测试结果分别为0.54(W/m·K)、6.23(W/m·K)、3.82(W/m·K)。可见，本发明的将铜丝与碳纤维混合编织，实现了复合材料厚度方向导热性能的显著提高。
实施例2、碳纤维/铜丝/AG80复合材料的真空热压罐成型
1、碳纤维/铜丝混合编织体的制备，与实施例1相同。
2、碳纤维/铜丝/AG80复合材料的真空热压罐成型，主要包括裁布，配胶，刷胶，预浸料铺放，固化五个部分。
(1)、裁布。裁200×200mm碳纤维/铜丝混合编织布一张。
(2)、配胶。与实施例1相同。
(3)、刷胶。与实施例1相同。
(4)、预浸料铺放。按照硬质平板模，脱模布，预浸料，脱模布，吸胶毡，均压板、真空袋的顺序铺放，以胶条将真空袋密封在模具上，在板中心设置抽气口用于抽真空。
(5)、固化。抽真空至-0.08MPa，采用150±2℃/1h前固化，180±2℃/3h后固化，固化压力为0.5±0.02Mpa，固化过程真空不停。制得的碳纤维/铜丝/AG80复合材料，记为碳纤维/铜丝/AG80复合材料I。
以合股后的碳纤维和铜丝作为经向纱线、碳纤维作为纬向纱线，按上述步骤制得碳纤维/铜丝/AG80复合材料，记为碳纤维/铜丝/AG80复合材料II。
以碳纤维作为经纬向纱线，按上述步骤制得碳纤维/AG80复合材料。
3、碳纤维/铜丝/AG80复合材料性能测试
(1)、力学性能测试
分别测试碳纤维/AG80复合材料、碳纤维/铜丝/AG80复合材料I和II的力学性能。材料经向拉伸强度分别为956.72MPa，916.56MPa，930.45MPa；经向拉伸模量分别为158.32GPa，148.48GPa，153.23GPa；纬向拉伸强度分别为952.34MPa，926.13MPa，932.74MPa；纬向拉伸模量分别为156.83GPa，149.38GPa，144.13GPa。可见碳纤维/铜丝/AG80复合材料I和II的力学性能与碳纤维/AG80复合材料相当。
(2)、导热性能测试采用激光闪电发测试碳纤维/AG80复合材料、碳纤维/铜丝/AG80复合材料I和II厚度方向的导热性能。四种材料测试结果分别为0.51(W/m·K)、6.16(W/m·K)、3.04(W/m·K)。可见，本发明的将铜丝与碳纤维混合编织，实现了复合材料厚度方向导热性能的显著提高。
实施例3、碳纤维/铜丝/LY1564复合材料的真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型
1、碳纤维/铜丝混合编织体的制备，与实施例1，2相同。
2、碳纤维/铜丝/LY1564复合材料的真空辅助树脂传递模塑成型(成型装置如图3)，主要包括裁布、配胶、预浸料铺放、真空导入、固化五个部分。
(1)、裁布。裁50×50mm碳纤维/铜丝混合编织布一张。
(2)、配胶。将LY1564树脂与Aradur 3486固化剂按照质量比100∶34进行配制，机械搅拌15min，之后室温条件下进行抽真空30min除去气泡。放入树脂储存装置3中。
(3)、预浸料铺放。按照硬质平板模具10、混编织物9、脱模布8、玻璃纤维毡(吸胶毡6)、真空袋7的顺序进行铺覆，以密封胶条5将真空袋7与硬质平板模具10接合，并在对角处设进胶口和出胶口。
(4)、真空导入。如图3所示连接VARTM成型装置，通过第二管路连通树脂储存装置3和硬质平板模具10上设置的导流介质11，第二阀门4设置在第二管路的中部；通过第一管路连通树脂回收装置13和硬质平板模具10上另一端设置的导流介质11，第一阀门12设置在第一管路的中部；通过第三管路连通树脂回收装置13和抽真空装置14。真空导入时，将第一阀门12打开，第二阀门4关闭，开启抽真空设备，抽至真空表压力≤-0.08MPa，保压十分钟；抽真空不停，将第二阀门4打开，树脂在大气压力下流入模具并浸润编织体。
(5)、固化。在编织体完全浸润后，关闭第二阀门4，继续抽真空一段时间后，关闭第一阀门12，将模具置于烘箱中进行固化，固化制度100℃/5h。制得的碳纤维/铜丝/AG80复合材料，记为碳纤维/铜丝/AG80复合材料I。
以合股后的碳纤维和铜丝作为经向纱线、碳纤维作为纬向纱线，按上述步骤制得碳纤维/铜丝/AG80复合材料，记为碳纤维/铜丝/AG80复合材料II。
以碳纤维作为经纬向纱线，按上述步骤制得碳纤维/AG80复合材料。
3、碳纤维/铜丝/AG80复合材料性能测试
(1)、力学性能测试
分别测试碳纤维/AG80复合材料、碳纤维/铜丝/AG80复合材料I和II的力学性能。材料经向拉伸强度分别为954.52MPa，916.64MPa，928.69MPa；经向拉伸模量分别为156.59GPa，143.85GPa，150.23GPa；纬向拉伸强度分别为953.85MPa，938.25MPa，916.83MPa；纬向拉伸模量分别为158.64GPa，150.23GPa，153.24GPa。可见碳纤维/铜丝/AG80复合材料I和II的力学性能与碳纤维/AG80复合材料相当。
(2)、导热性能测试采用激光闪电发测试碳纤维/AG80复合材料、碳纤维/铜丝/AG80复合材料I和II厚度方向的导热性能。四种材料测试结果分别为0.51(W/m·K)、5.84(W/m·K)、3.06(W/m·K)。可见，本发明的将铜丝与碳纤维混合编织，实现了复合材料厚度方向导热性能的显著提高。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料，其特征在于，所述复合材料的增强体为碳纤维/铜丝编织体；编织采用的纱线包括碳纤维和铜丝合股后形成的纱线。
2.根据权利要求1所述的碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料，其特征在于，所述编织为经纬向编织或三维编织。
3.根据权利要求2所述的碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料，其特征在于，所述经纬向编织中，经纬向纱线均采用碳纤维和铜丝合股后形成的纱线，或经纬向纱线中的一种采用碳纤维和铜丝合股后形成的纱线，另一种采用碳纤维。
4.一种根据权利要求1～3中任一项所述的碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
A、以碳纤维和铜丝合股后形成的纱线作为编织用纱线，或是以碳纤维、碳纤维和铜丝合股后形成的纱线作为编织用纱线，编织形成碳纤维/铜丝编织体；
B、以所述碳纤维/铜丝编织体作为增强体，树脂刷涂或浸渍所述增强体后，固化成型制得所述碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料。
5.根据权利要求4所述的碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维选自M60、M55、M40、T800、T700中的一种。
6.根据权利要求4所述的碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜丝的直径为0.05～0.3mm。
7.根据权利要求4所述的碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜丝选自紫铜丝、黄铜丝、磷铜丝、红铜丝中的一种。
8.根据权利要求4所述的碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述编织为经纬向编织或三维编织。
9.根据权利要求8所述的碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述经纬向编织为平纹编织、缎纹编织或斜纹编织。
10.根据权利要求4所述的碳纤维/铜丝混合编织体增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述固化成型为模压成型、真空热压罐成型、树脂传递模塑成型或真空辅助树脂传递模塑成型。
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