CN105946246A - 一种碳纤维蜂窝芯材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维蜂窝芯材的制备方法，其步骤包括碳纤维预浸料的制备、碳纤维预浸料的铺叠和热压成型。本发明采用一步法制备碳纤维蜂窝，避免了将子件粘接固化的步骤，大大简化了生产工序，缩短了生产周期，提高了生产效率。更重要的是采用本发明方法制得的碳纤维蜂窝结构稳定，且耐热性和力学性能都得到提高。

Description

一种碳纤维蜂窝芯材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种蜂窝材料的制备方法，尤其是涉及一种碳纤维蜂窝芯材的制备方法。
背景技术
蜂窝材料是在仿生学的基础上，结合天然蜂窝结构形状，采用纸、布等材料制成的具有整体呈蜂窝状的材料。由于其结构具有良好的稳定性和高的比强度，在复合材料领域得到广泛应用。常见的人造蜂窝材料有纸蜂窝材料、纤维布蜂窝材料和铝蜂窝材料，其中碳纤维蜂窝材料因其重量轻、吸能性能优秀而被广泛应用于汽车的吸能结构中。
碳纤维蜂窝芯材通常是先拉挤成单个六边形管件，然后通过许多单独管件粘接成碳纤维蜂窝结构，该方法工序过于复杂，单管成形和粘接工作量非常大。公开号CN104842593A的专利申请公开了一种碳纤维蜂窝的制备方法，其是先制备出半六边形的蜂窝子件，再将蜂窝子件在夹具中依次两两对应粘接形成六边形的蜂窝结构。该方法虽然在一定程度上简化了制备工序，但是，蜂窝子件的粘接、固化仍然需要耗费相当大的人力和时间去完成。
发明内容
本发明的目的就是提供一种碳纤维蜂窝芯材的制备方法，以解决现有制备方法工艺复杂、过程繁琐的问题。
本发明提供的碳纤维蜂窝芯材的制备方法，包括以下步骤：
a、将裁剪好的碳纤维布浸在粘结剂中进行浸胶处理，将浸胶处理后的碳纤维布烘干，得碳纤维预浸料；
b、将碳纤维预浸料铺叠在模具中，所述模具包括半六边形模具和用于形成蜂窝孔的六棱柱芯模，所述六棱柱芯模的端面为正六边形，所述半六边形模具是在上表面设有若干条状凸棱，所述凸棱的形状大小与将所述六棱柱芯模沿其相对的两条棱所在平面截开所形成的半六棱柱芯模的形状大小相同，相邻两条所述凸棱之间形成嵌设所述半六棱柱芯模的凹槽；
铺叠时，先在所述半六边形模具上铺上第一层碳纤维预浸料，在与所述第一层碳纤维预浸料对应的每个凹陷部分别放入六棱柱芯模，然后在各六棱柱芯模上方铺上第二层碳纤维预浸料，再在与第二层碳纤维预浸料对应的每个凹陷部放入六棱柱芯模，然后在各六棱柱芯模上铺上第三层碳纤维预浸料，以此类推，直到最顶层碳纤维预浸料铺好，铺叠完毕；
c、将上述铺叠好的碳纤维预浸料和模具整体放入热压机中进行热压，热压结束后，待温度降至室温，脱模，即得到碳纤维蜂窝芯材。
所述粘结剂为聚酰亚胺类粘结剂，具体为聚酰胺酸粘结剂。
所述热压条件为：热压温度为200~300℃，压强为0.5~0.7MPa，时间为1.0~1.5h。
本发明采用一步法制备碳纤维蜂窝，避免了将子件粘接固化的步骤，大大简化了生产工序，缩短了生产周期，提高了生产效率。更重要的是采用本发明方法制得的碳纤维蜂窝的耐热性、力学性能也得到了提高，将其用于制备碳纤维蜂窝增强发泡材料时，蜂窝结构稳定，不会被发泡膨胀所破坏。
本发明还提供一种采用上述方法制备而得的碳纤维蜂窝芯材，所述碳纤维蜂窝芯材的密度是30~60kg/m3，所述碳纤维蜂窝芯材的50%形变时压缩应力为2.0~2.5MPa。将本发明的碳纤维蜂窝芯材用于制备碳纤维蜂窝增强发泡材料时，蜂窝结构稳定，不会被发泡膨胀所破坏。
附图说明
图1是碳纤维蜂窝芯材的结构示意图。
图2是半六边形模具的结构示意图。
图3是碳纤维预浸料的铺叠过程示意图。
图4是铺叠好的碳纤维预浸料的结构示意图。
图中，1、半六边形模具，2、六棱柱芯模，3、碳纤维预浸料。
具体实施方式
本发明的碳纤维蜂窝芯材是将碳纤维预浸料铺叠在模具中一次热压而成，其结构如图1所示。所用模具包括半六边形模具1和用以形成蜂窝孔的六棱柱芯模2，如图2和图3所示。六棱柱芯模2是端面呈正六边形的棱柱，其材质为铝合金或不锈钢。半六边形模具1是在其上表面上设有若干相同的条状凸棱，凸棱的端面呈梯形，以六棱柱芯模2的两条相对的棱所在平面将六棱柱芯模2截成相同的两部分，称其为半六棱柱，凸棱的形状、大小均与半六棱柱相同。相邻两条凸棱之间形成凹槽，凹槽与半六棱柱相匹配，用于嵌设六棱柱芯模2的下半部分。
实施例1
将碳纤维布裁剪成长40cm，宽10cm的碳纤维布条；将碳纤维布条浸在聚酰胺酸粘结剂中进行浸胶处理，保持15min，然后将其取出，放入烘箱中，100℃下烘干，得碳纤维预浸料。
如图3所示，在半六边形模具1上铺上第一层碳纤维预浸料，并使碳纤维预浸料与半六边形模具1的上表面贴紧，使第一层碳纤维预浸料随着半六边形模具1上的凸棱与凹槽的分布而凸起或凹陷；
在第一层碳纤维预浸料对应的各个凹陷部位分别放入六棱柱芯模2，并使六棱柱芯模2的下部的三个面分别与第一层碳纤维预浸料贴紧；
然后在六棱柱芯模2的上方铺设第二层碳纤维预浸料，并使第二层碳纤维预浸料与六棱柱芯模2上半部分的三个面分别贴紧，此时第二层碳纤维预浸料的凹陷部与第一层碳纤维预浸料的凸起部贴紧；
然后再在第二层碳纤维预浸料对应的各凹陷部位分别放入六棱柱芯模2，以此类推，直到最顶层的碳纤维预浸料铺设好，即完成碳纤维预浸料的铺叠，铺叠好的碳纤维预浸料结构如图4所示。
将铺叠好的碳纤维预浸料与模具整体放入热压机中进行热压，热压条件为：温度为200℃，压强为0.5MPa，保温时间为1.0h。热压结束后，待温度降至室温，脱模，即得到碳纤维蜂窝芯材。
实施例2
将碳纤维布裁剪成长40cm，宽12cm的碳纤维布条，将碳纤维布条浸在聚酰胺酸粘合剂中进行浸胶处理，保持15min，然后将其取出，放入烘箱中，100℃下烘干，得碳纤维预浸料。
将碳纤维预浸料铺叠好后进行热压，铺叠步骤同实施例1，热压条件为：温度为250℃，压强为0.6MPa，保温时间为1.0h。热压结束后，待温度降至室温，脱模，即得到碳纤维蜂窝芯材。
实施例3
将碳纤维布裁剪成长40cm，宽15cm的碳纤维布条，将碳纤维布条浸在聚酰胺酸粘结剂中进行浸胶处理，保持15min，然后将其取出，放入烘箱中，150℃下烘干，得碳纤维预浸料。
将碳纤维预浸料铺叠好后进行热压，铺叠步骤同实施例1，热压条件为：温度为300℃，压强为0.7MPa，保温时间为1.5h。热压结束后，待温度降至室温，脱模，即得到碳纤维蜂窝芯材。
对比例
将碳纤维布裁剪成长40cm，宽15cm的碳纤维布条，将碳纤维布条浸在聚酰亚胺类粘结剂中进行浸胶处理，然后将其取出，放入烘箱中，150℃下烘干，得碳纤维预浸料。
将碳纤维预浸料铺在半六边形模具上，再将另一半六边形模具对扣在碳纤维预浸料上合模，然后将整体放入热压机中进行热压，热压工艺为：温度为300℃，压强为0.7MPa，保温时间为1.5h。热压结束后，待温度降至室温，脱模，即得到截面为半六边形的蜂窝子件。重复上述操作，制得一定数量的蜂窝子件，然后将蜂窝子件两两粘接，压紧，固化，得到截面为六边形的碳纤维蜂窝芯材。
将实施例1~3所制得的芯材和对比例所制得的芯材进行性能测试，测试结果见下表。
注：L方向表示蜂窝芯材的纵向，W方向表示蜂窝的横向，如图1所示。
应用实施例
将实施例1~3所制得的芯材和对比例所制得的芯材分别用于制备聚酰亚胺发泡材料，方法为：将碳纤维蜂窝芯材放入模具中，将聚酰亚胺前聚体粉末均匀地填充在碳纤维蜂窝芯材中，再将模具放入烘箱内，在100~150℃下，发泡1.0~1.5h；然后将模具放入电阻炉中，在200℃保温0.5~1h后，升温至300℃，保温0.5~1.0h，即得到碳纤维蜂窝增强聚酰亚胺泡沫材料。
对比所制得的泡沫材料，结果发现：由实施例1~3的芯材所制备的泡沫材料中，蜂窝芯材的完整性好，且泡沫材料的力学性能好，50%形变时压缩应力为2.5MPa，L方向剪切强度为2.8MPa，W方向剪切强度为1.5MPa；而由对比例的芯材所制备的泡沫材料中，蜂窝芯材则因泡沫膨胀而损坏，导致泡沫材料的力学性能也相对较差。

Claims (4)

1.一种碳纤维蜂窝芯材的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
a、将裁剪好的碳纤维布浸在粘结剂中进行浸胶处理，将浸胶处理后的碳纤维布烘干，得碳纤维预浸料；
b、将碳纤维预浸料铺叠在模具中，所述模具包括半六边形模具和用于形成蜂窝孔的六棱柱芯模，所述六棱柱芯模的端面为正六边形，所述半六边形模具是在上表面设有若干条状凸棱，所述凸棱的形状大小与将所述六棱柱芯模沿其相对的两条棱所在平面截开所形成的半六棱柱芯模的形状大小相同，相邻两条所述凸棱之间形成嵌设所述半六棱柱芯模的凹槽；
铺叠时，先在所述半六边形模具上铺上第一层碳纤维预浸料，在与所述第一层碳纤维预浸料对应的每个凹陷部分别放入六棱柱芯模，然后在各六棱柱芯模上方铺上第二层碳纤维预浸料，再在与第二层碳纤维预浸料对应的每个凹陷部放入六棱柱芯模，然后在各六棱柱芯模上铺上第三层碳纤维预浸料，以此类推，直到最顶层碳纤维预浸料铺好，铺叠完毕；
c、将上述铺叠好的碳纤维预浸料和模具整体放入热压机中进行热压，热压结束后，待温度降至室温，脱模，即得到碳纤维蜂窝芯材。
2.根据权利要求1所述的碳纤维蜂窝芯材的制备方法，其特征是，所述步骤a中的粘结剂为聚酰亚胺类粘结剂。
3.根据权利要求1所述的碳纤维蜂窝芯材的制备方法，其特征是，所述步骤c中的热压条件为：热压温度为200~300℃，压强为0.5~0.7MPa，时间为1.0~1.5h。
4.由权利要求1~3中任一项所述方法制备的碳纤维蜂窝芯材，其特征是，所述碳纤维蜂窝芯材的密度是30~60kg/m3，所述碳纤维蜂窝芯材的50%形变时压缩应力为2.0~2.5MPa。
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