CN104691041A - 碳纤维板材及碳纤维板材的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纤维板材，包括碳纤维布层和碳纤维丝层，碳纤维布层是纵向碳纤维和横向碳纤维一上一下交织，碳纤维丝层用碳纤维进行一上一下双向交织，碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍有胶结剂，相邻的碳纤维布层之间间隔有碳纤维丝层。制备该碳纤维板材的工艺包括：碳纤维布的交织；碳纤维丝向双相交织；碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍环氧树脂胶；碳纤维丝层定位于碳纤维布层的隔层间；将获得的板材放入预热箱预热后放入模具恒温加压、冷却后脱模。本发明的碳纤维板材克服了目前市面产品只突出抗拉强度的问题，既有抗拉强度高的特点，又大大提高了抗压、抗弯、抗扭、抗剪切强度，是综合性能更好的碳纤维复合材料板材。
Description
技术领域
本发明涉及复合高分子材料领域，尤其是碳纤维板材及碳纤维板材的制备工艺。
背景技术
自新中国诞生以来，我国电力工业建设发展迅速。进入21世纪以来，我国电力工业发展稳居世界第二，随之带来各电压等级的维护作业工作大大增加，而现阶段的作业工器具，尤其是卡具类大多为钢铁、铝合金等金属材料制成，与我国建设环境友好型和资源节约型社会的需求相悖。
随着现代科学技术的发展，新型材料不断被研发生产并广泛应用。复合材料是材料领域的奇葩，目前发展最快的是碳纤维复合材料，其特点是⑴比强度高，比模量大；⑵材料性能具有可设计性；⑶抗腐蚀性能和耐久性能好；⑷热膨胀系数小；生产成本低。
碳纤维复合材料的深入应用，对材料性能的要求也越来越高，具有优异的综合性能的纤维复合材料更加符合各行各业的需求。
目前公知的碳纤维板材成型工艺是使用单向纤维板材浸渍树脂后层压固化成型，成品厚度多为0.15mm-10mm，主要用途为建筑加固补强方面。其特点是轴向抗拉强度高、耐腐蚀性和抗震性。但其弱点是对于抗压构件、剪切构件和受力复杂的构件其性能较低。
碳纤维单向布如图2所示，虽然它的纵向和横向都有碳纤维，不过一个方向(通常是纵向)有大量的无捻粗纱，还有一个方向只有少量的细纱，起得是固定作用，使碳纤维布不会散开。整块碳纤维布的强度，都集中在无捻粗纱的那一个方向，它的强度，与自身的克重没有关系，只与碳丝有关。
发明内容
为了克服以上问题，本发明研究了用以代替输电线路作业用金属材料工具的具有多向、多层结构的碳纤维复合材料板材。在保证其抗拉强度高的特性外，提高其抗压、抗弯、剪切强度和其它使用性能。
本发明的技术解决方案是：
一种碳纤维板材，其特殊之处在于：包括碳纤维布层和碳纤维丝层，所述碳纤维布层是纵向碳纤维和横向碳纤维一上一下交织，所述碳纤维丝层用碳纤维进行一上一下双向交织，碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍有胶结剂，相邻的碳纤维布层之间间隔有碳纤维丝层，碳纤维布层n层，碳纤维丝层为n-1层，其中n大于或等于2。
上述纵向碳纤维和横向碳纤维宽度相同。
上述碳纤维丝层用碳纤维进行左右45°一上一下双向交织。
上述碳纤维丝层的各层交织角度可以相同。
优化的碳纤维丝层各层的交织角度均为45°。
碳纤维丝层的各层交织角度也可以不同。
制备上述碳纤维板材的工艺，其特别之处在于：包括以下步骤：
1)碳纤维布层的制备，采用传统的机织平纹布方法，纵向碳纤维和横向碳 纤维呈一上一下的规律交织；
2)碳纤维丝层采用碳纤维进行一上一下双向交织；
3)将步骤1)和步骤2)获得的碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍环氧树脂胶；
4)用定位装置将浸渍环氧树脂胶后的碳纤维布层分层，浸渍环氧树脂胶后的碳纤维丝层定位于相邻碳纤维布层的间隔间；
5)将步骤4)获得的板材放入预热箱预热；
6)将步骤5)获得的板材放入模具恒温加压、冷却定型后脱模。
上述步骤2)的碳纤维丝层用碳纤维进行左右45°一上一下双向交织。
本发明的优点是：
1、纵向和横向交织碳纤维布，它的纵向和横向都有大量的无捻粗纱，这样布的受力方向有两个，交织点多，质地坚牢、表面平整，耐磨性好，其综合受力的性能要明显优于单向碳纤维布；
2、采用纵、横双向碳纤维布虽然增强了横向的受力强度，却也损失了纵向的受力强度，增加左、右45°双向交叉碳纤维丝层弥补了损失掉的纵向受力强度；
3、经浸渍环氧树脂胶结剂后，采用技术先进的挤拉热固一次成型工艺，可最大限度的排除成品中的气隙，保证了多层结构的稳定性；
4、采用挤拉、缠绕、编织一次热固成型工艺的多向多层碳纤维板，能够很好的满足并优于钢铁、铝合金材料所具有的力学性能。克服了目前市面产品只突出抗拉强度的问题，既有抗拉强度高的特点，又大大提高了抗压、抗弯、抗扭、抗剪切强度，生产加工成本降低且便于机械加工，是综合性能更好的碳纤维纤维复合材料板材。
附图说明
图1本发明纵向和横向交织碳纤维布；
图2单向碳纤维布；
图3本发明纵向、横向交织示意图；
图4本发明碳纤维板制作工艺路线框图；
图5本发明碳纤维板制作工艺流程示意图；
图6本发明碳纤维板材结构示意图，图中：1，纵向碳纤维和横向碳纤维编织布层；2，左、右双向交叉碳纤维丝层。
具体实施方式
如图6所示是本发明碳纤维板材的结构示意图，本发明碳纤维板材结构采用纵、横向交织碳纤维布1间隔双向交织碳纤维丝层2的多层结构。
如图1所示，使用纵向碳纤维和横向碳纤维编织成的碳纤维布作为基材，可根据产品要求确定板材所需碳纤维布的幅宽及层数。
如图2所示是碳纤维单向布，碳纤维单向布它的纵向和横向都有碳纤维，不过一个方向(通常是纵向)有大量无捻粗纱，还有一个方向只有少量细纱，起固定作用，使碳纤维布不会散开。整块碳纤维布的强度，都集中在无捻粗纱的那一个方向，它的强度，与自身的克重没有关系，只与碳丝有关。而纵向和横向交织碳纤维双向布，它的纵向和横向都有大量的无捻粗纱，这样布的受力方向有两个，特点是交织点多，质地坚牢、表面平整，耐磨性好，其综合受力的性能要明显优于单向碳纤维布。
纵向和横向交织碳纤维双向布采用传统的机织平纹布方法，即纵向碳纤维 和横向碳纤维呈一上一下的规律交织。纵向、横向碳纤维每隔一根碳纤维就呈十字形交叉，如图3所示，纵向碳纤维为1、3、5、7在上，2、4、6、8在下，横向碳纤维为1、3、5、7在上，2、4、6、8在下。
在相邻的碳纤维双向布的隔层间用碳纤维丝进行左右双向交织。因为采用纵横向双向碳纤维布虽然增强了横向的受力强度，却也损失了纵向的受力强度。增加左右双向交叉碳纤维丝层是为了弥补损失掉的纵向受力强度，各碳纤维丝层交织角度可以相同也可以不同，优选的碳纤维丝的交织角度为45°。
图4是本发明碳纤维板材的制备工艺流程框图，图5是碳纤维板制作工艺流程示意图，如图4和图5所示，首先是碳纤维布层的制备，采用传统的机织平纹布方法，纵向碳纤维和横向碳纤维呈一上一下的规律交织；碳纤维丝层采用一上一下向双相交织；将获得的碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍环氧树脂胶；用定位装置将浸渍环氧树脂胶后的碳纤维布层分层，浸渍环氧树脂胶后的碳纤维丝层定位于碳纤维布层的隔层间；将获得的板材放入预热箱预热后放入模具恒温加压、冷却后脱模。
经浸渍环氧树脂胶结剂后，采用技术先进的挤拉热固一次成型工艺，可最大限度的排除成品中的气隙，保证了多层结构的稳定性。
表1到表6列出了本发明碳纤维板材的基本性能试验结果。
表7到表12列出了外购碳纤维板材的基本性能试验结果。
表13列出了几种材料力学基本性能对比。
表1本发明碳纤维板材的抗拉试件强度表
表2本发明碳纤维板材的抗压试件强度表
注:2#试件抗压强度为228.41MPa,与平均值之差超出了平均值的15％，故舍去。
表3本发明碳纤维板材的抗弯试件强度表
注:2#试件抗弯强度为575.72MPa,与平均值之差超出了平均值的15％，故舍去。
表4本发明碳纤维板材的层间剪切试件强度表
注:3#试件和5#试件层间剪切强度分别为31.10MPa、29.69MPa,与平均值之差均超出了平均值的15％，故舍去。
表5本发明碳纤维板材的横向剪切试件强度表
表6本发明碳纤维板材的材料密度表
表7外购碳纤维板材的抗拉试件强度表
表8外购碳纤维板材的抗压试件强度表
表9外购碳纤维板材的抗弯试件强度表
表10外购碳纤维板材的层间剪切试件强度表
表11外购碳纤维板材的横向剪切试件强度表
表12外购碳纤维板材的材料密度表
表13几种材料力学基本性能对比
由表13数据分析可得到以下结论：
一、碳纤维对比
1.在做抗拉试件本发明碳纤维板与外购碳纤维板比较数据中可以看出：
(1)本发明碳纤维板的抗拉强度小于外购碳纤维板的抗拉强度只占外购81％；
(2)本发明碳纤维板的弹性模量小于外购碳纤维板的只占外购74％；
(3)本发明碳纤维板的材料泊松比为0.51横向大于纵向较多，可以得出材料在不同的方向上受力所表现出来的力学性能相差较大。本发明碳纤维板与外购碳纤维板比值为164％。
2.从抗压试件强度比较数据中得出：
(1)本发明碳纤维板的抗压强度明显优于外购碳纤维板，并且超出1倍还多48％。
(2)本发明碳纤维板的压缩模量小于外购碳纤维板占到外购83％。
3.从抗弯试件强度比较数据中得出：
(1)本发明碳纤维板的抗弯强度超出外购碳纤维板1倍还多10％。
(2)本发明碳纤维板的弯曲模量小于外购碳纤维板占到外购79％。
4.从层间剪切试件强度数据中可以得出本发明碳纤维板的层间剪切优于外购碳纤维板2倍还多20％。
5.从横向剪切试件强度数据可以得到本发明碳纤维板材的横向剪切占到外购碳纤维板材的98％。
6.从材料密度数据中可以得到本发明碳纤维板材的密度大于外购碳纤维板材的密度1倍多26％。单位体积的本发明碳纤维板材比外购的碳纤维板材重。
二、从表13给出的整体电力常用金属材料(铝合金LC4和45钢)与本发明碳纤维板材的力学基本性能的数据可以看出：
(1)本发明碳纤维板材的整体抗拉强度大于整体电力常用金属材料的。
(2)本发明碳纤维板材的抗压强度优于整体电力常用金属材料的。
(3)本发明碳纤维板材的抗弯远远超越于整体电力常用金属材料的。
(4)本发明碳纤维板材的抗剪强度小于整体电力常用金属材料的，可以通过在局部镶嵌金属以增强受剪切面增大剪切强度提高。
(5)本发明碳纤维板材的密度整体小于常用金属材料的，单位体积的质量比常用金属材料的轻。
综上所述：新方案拉制碳纤维板材，综合力学性能优越，成本低，易加工，可以很好的为电力事业服务。
Claims (8)
1.一种碳纤维板材，其特征在于：包括碳纤维布层和碳纤维丝层，所述碳纤维布层是纵向碳纤维和横向碳纤维一上一下交织，所述碳纤维丝层用碳纤维进行一上一下双向交织，碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍有胶结剂，相邻的碳纤维布层之间间隔有碳纤维丝层，碳纤维布层n层，碳纤维丝层为n-1层，其中n大于或等于2。
2.根据权利要求1所述的碳纤维板材，其特征在于：纵向碳纤维和横向碳纤维宽度相同。
3.根据权利要求1所述的碳纤维板材，其特征在于：碳纤维丝层用碳纤维进行左右45°一上一下双向交织。
4.根据权利要求1所述的碳纤维板材，其特征在于：碳纤维丝层的各层交织角度相同。
5.根据权利要求4所述的碳纤维板材，其特征在于：碳纤维丝层各层的交织角度均为45°。
6.根据权利要求1所述的碳纤维板材，其特征在于：碳纤维丝层的各层交织角度不同。
7.一种制备权利要求1中碳纤维板材的工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1)碳纤维布层的制备，采用传统的机织平纹布方法，纵向碳纤维和横向碳纤维呈一上一下的规律交织；
2)碳纤维丝层采用碳纤维进行一上一下双向交织；
3)将步骤1)和步骤2)获得的碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍环氧树脂胶；
4)用定位装置将浸渍环氧树脂胶后的碳纤维布层分层，浸渍环氧树脂胶后的碳纤维丝层定位于相邻碳纤维布层的间隔间；
5)将步骤4)获得的板材放入预热箱预热；
6)将步骤5)获得的板材放入模具恒温加压、冷却定型后脱模。
8.根据权利要求7所述的制备权利要求1中碳纤维板材的工艺，其特征在于：所述步骤2)的碳纤维丝层用碳纤维进行左右45°一上一下双向交织。
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