CN106496744A - 一种热塑性碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种制备热塑性碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：S1、将连续碳纤维丝束与热塑性树脂丝束进行编织获得复合编织物，在所述复合编织物中，连续碳纤维丝束呈斜纹编织方式排布，所述热塑性树脂丝束沿斜纹编织所形成的斜向纹路的延伸方向平行编织在所述复合编织物中；S2、将所述复合编织物置于模具中进行加热后模压成型。该方法所制备的热塑性碳纤维复合材料解决了树脂分布不均匀和加工过程中多次加热而导致的产品性能降低的缺陷，使得纤维与树脂间的连接力更强、材料机械性能更高。

Description

一种热塑性碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本公开涉及材料制备技术领域，具体地，涉及一种热塑性碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料是将碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合所制成的结构材料，其具有耐高温、化学稳定、密度低、力学性能强的优点，因而在航空、航天和汽车制造业等领域的应用越来越广泛。碳纤维复合材料应用领域的迅速拓展也对材料技术性能的改进提出了更进一步的要求。
目前热塑性碳纤维复合材料产品主要有两种制备方法，第一种方法是在碳纤维布铺覆完成后，将热塑性树脂熔融后浸渍碳纤维布，再冷却制成零部件，该技术的缺陷在于热塑性树脂的高粘度特征增加了其浸渍碳纤维的难度，导致加工的周期长且树脂在体系中分散不均匀，从而影响产品的力学性能；第二种方法是先将热塑性树脂与碳纤维布复合制成预浸料，然后将预浸料进行铺覆，加热使热塑性树脂熔融制成目标零部件，该技术的缺陷在于需要对热塑性树脂进行反复加热，加工周期长，耗能高且反复加热导致产品性能降低。
因此需要提供一种化学性质稳定、力学性能高、生产周期短的热塑性碳纤维复合材料及其制备工艺。
发明内容
本公开的目的是克服现有的热塑性碳纤维复合材料产品加工技术中所存在的上述缺陷，提供一种力学性能好、制造过程不需反复加热的热塑性碳纤维复合材料及其制备方法。
为实现上述目的，本公开第一方面：提供一种制备热塑性碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：
S1、将连续碳纤维丝束与热塑性树脂丝束进行编织获得复合编织物，在所述复合编织物中，连续碳纤维丝束呈斜纹编织方式排布，所述热塑性树脂丝束沿斜纹编织所形成的斜向纹路的延伸方向平行编织在所述复合编织物中；
S2、将所述复合编织物置于模具中进行加热后模压成型。
优选地，按重量份计，所述热塑性树脂丝束的用量为35-60份，所述连续碳纤维丝束的用量为40-65份。
优选地，在步骤S2中，加热的温度为从15-25℃升温至热塑性树脂丝束的熔融温度，并在所述熔融温度保温至热塑性树脂丝束完全熔化。
优选地，复合编织物中纬向的连续碳纤维丝束与经向的连续碳纤维丝束之间的夹角为50°-130°；经向的连续碳纤维丝束与所述斜向纹路之间的锐角夹角为25°-65°。
优选地，所述热塑性树脂丝束的直径为8D-40D，热塑性树脂丝束中热塑性树脂单丝的直径为80-100μm；所述连续碳纤维丝束的规格为6K、12K、24K或48K，所述连续碳纤维丝束中连续碳纤维丝的直径为7-9μm。
优选地，所述热塑性树脂丝束为聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯和聚酰胺中的至少一种。
优选地，所述复合编织物的编织密度为500-700g/m2。
优选地，所述模压成型的压力为0.4-0.7MPa。
优选地，所述方法还包括将所述复合编织物剪切为尺寸为长90-110mm、宽70-90mm的复合编织物丝段，再对所述复合编织物丝段进行模压成型。
本公开的第二方面，提供一种热塑性碳纤维复合材料，该热塑性碳纤维复合材料是由本公开的第一方面的方法制备得到的。
通过上述技术方案，本公开提供的方法生产过程的周期短耗能低，所制备的热塑性碳纤维复合材料化学性质稳定、力学性能高。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是热塑性碳纤维复合材料产品中，连续碳纤维丝束的排布情况。
图2是实施例1中在圆柱形芯材表面编织的复合编织物的结构示意图。
图3是实施例1中编织获得的闭合圆环状的复合编织物。
图4是实施例1模压成型后获得的电池托盘零件。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
本公开第一方面，提供一种制备热塑性碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：
S1、将连续碳纤维丝束与热塑性树脂丝束进行编织获得复合编织物，在所述复合编织物中，连续碳纤维丝束呈斜纹编织方式排布，所述热塑性树脂丝束沿斜纹编织所形成的斜向纹路的延伸方向平行编织在所述复合编织物中；
S2、将所述复合编织物置于模具中进行加热后模压成型。
其中，所述热塑性树脂丝束为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)和聚酰胺(尼龙，PA)中的至少一种。优选的，当所述热塑性树脂丝束为PA时，树脂在产品中的分散效果更均匀，产品的力学性能更高，化学性质更稳定。
其中，所述热塑性树脂丝束的直径和所述连续碳纤维丝束的直径可以为本领域制备热塑性碳纤维复合材料所常规使用的尺寸，优选的，为了进一步提高产品的力学性能，所述热塑性树脂丝束的直径为8D-40D，热塑性树脂丝束中热塑性树脂单丝的直径为80-100μm；所述连续碳纤维丝束的规格为6K、12K、24K或48K，所述连续碳纤维丝束中连续碳纤维丝的直径为7-9μm。
根据本公开的第一方面，按重量份计，所述热塑性树脂丝束的用量为35-60份，所述连续碳纤维丝束的用量为40-65份；优选的，所述热塑性树脂丝束的用量为45-55份，所述连续碳纤维丝束的用量为45-55份。
根据本公开的第一方面，复合编织物中纬向的连续碳纤维丝束与经向的连续碳纤维丝束之间的夹角为50°-130°；经向的连续碳纤维丝束与所述斜向纹路之间的锐角夹角为25°-65°。所述热塑性树脂丝束是沿所述斜向纹路的延伸方向编织的，所述热塑性树脂丝束与所述经向的连续碳纤维丝束之间的锐角夹角为25°-65°。
在一种优选的实施方式中，所述复合编织物中，热塑性树脂丝束的编织位置可以为斜向纹路中纬向的连续碳纤维丝束与经向的连续碳纤维丝束的交叉点，在该交叉点处，热塑性树脂丝束位于纬向的连续碳纤维丝束与经向的连续碳纤维丝束之间，从而使得产品中热塑性树脂对于连续碳纤维丝束的浸润包裹更为均匀和稳固，加强产品在受到不同方向拉伸力时的强度。
根据本公开的第一方面，对于编织的过程没有特别的限制，只要能够获得所述复合编织物即可，例如，可以使用编织机完成材料的编织。所述复合编织物可以为三维编织获得的具有三维结构的复合编织物，也可以为二维编织获得的二维编织布形式的复合编织物。
根据本公开的第一方面，所述复合编织物的编织密度为500-700g/m2。优选的，当所述复合编织物的编织密度为550-600g/m2时，获得的复合材料最终产品的拉伸强度及模量更高。
可选的，可以根据所需要产品的形状选择相应的编织芯材，在所述编织芯材表面编织三维复合编织物，编织后将芯材抽出，获得三维的具有闭合圆环状的复合编织物，而后将这种闭合圆环状的复合编织物铺放在模具内，进行加热及模压成型，这种利用闭合圆环状的复合编织物获得的产品可以具有双层结构，也可根据所需产品的特点将多个所述闭合圆环状的复合编织物共同放入模具内进行模压成型，从而获得具有多层结构的产品。利用该方法制备所述热塑性碳纤维复合材料可以在编织阶段即获得与产品形状接近的复合编织物，从而不需要对复合编织物进行进一步的裁剪和铺层后模压成型，减少了加工的步骤，而且，产品截面方向的纤维为连续结构，与裁剪后的织物相比，保存了复合编织中连续碳纤维之间形成的力学结构，使得产品在受到平行于碳纤维方向的拉伸力时具有更好的拉伸强度，力学性能更好。
在一种可选的实施方式中，可以将所述复合编织物剪切为尺寸为长90-110mm、宽70-90mm的复合编织物丝段，再利用所述丝段为原料，进行加热和模压成型，获得所述热塑性碳纤维复合材料。
根据本公开的第一方面，在步骤S2中，加热的温度为从15-25℃升温至热塑性树脂丝束的熔融温度，并在所述熔融温度保温至热塑性树脂丝束完全熔融。其中，可以通过利用调节模具内部的导热油油温来控制模具的温度。所述模压成型的压力为0.4-0.7MPa。
根据本公开的第一方面，模压成型后将产品进行冷却获得产品，在最终获得的热塑性碳纤维复合材料中，热塑性树脂丝束熔融后成为连续相均匀的浸润包裹在所述连续碳纤维丝束上，在所述热塑性碳纤维复合材料中，连续碳纤维丝束的排布情况如图1所示。在图1中，连续碳纤维丝束呈斜纹编织方式排布，从编织物的左上至右下方向具有平行排布的斜向纹路，该斜向纹路是所述复合编织物中的斜向纹路。
本公开的第二方面：提供一种热塑性碳纤维复合材料，该热塑性碳纤维复合材料是由本公开的第一方面的方法制备得到的。本公开第二方面所提供的热塑性碳纤维复合材料中，碳纤维的排布情况如图1所示，在图1中，碳纤维呈斜纹编织方式排布，从左上至右下方向均有平行排布的斜向纹路。该热塑性碳纤维复合材料中的碳纤维相互编织，热塑性树脂连续均匀的浸润包裹，材料的整体结构稳定性高，经向与纬向综合性能良好，碳纤维与树脂共同发挥提高力学性能的作用。
以下通过实施例进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。
以下实施例和对比例中，连续碳纤维丝束的规格为12K，连续碳纤维丝束中连续碳纤维丝的直径为7μm。热塑性树脂丝束为尼龙丝束，直径为20D，热塑性树脂丝束中热塑性树脂单丝的直径为90μm。
以下实施例和对比例中，密度的测试方法参照GB/T 9914.3-2013的规定，拉伸强度及模量的测试方法参照GB/T 3362-2005的规定。实施例和对比例中所使用的三维编织设备为法国斯彼乐公司生产的三维编织机。
实施例1
本实施例用于说明利用本公开所提供的方法制备的电池托盘零件。
(1)编织：根据电池托盘零件的形状，选择圆柱形芯材，将芯材固定于编织机中心，在芯材表面将连续碳纤维丝束与热塑性树脂丝束进行编织，连续碳纤维丝束呈斜纹编织方式排布，热塑性树脂丝束沿斜纹编织所形成的斜向纹路的延伸方向平行编织形成复合编织物，复合编织物中，纬向的连续碳纤维丝束与经向的连续碳纤维丝束之间的夹角为90°；热塑性树脂丝束与所述经向的连续碳纤维丝束之间的锐角夹角为45°。热塑性树脂丝束的编织位置为斜向纹路中纬向的连续碳纤维丝束与经向的连续碳纤维丝束的交叉点，在该交叉点处，热塑性树脂丝束位于纬向的连续碳纤维丝束与经向的连续碳纤维丝束之间，编织密度为580g/m2。按重量份计，热塑性树脂丝束的用量为45份，连续碳纤维丝束的用量为55份。在圆柱形芯材表面编织的复合编织物的结构如图2所示，图2中圆柱形芯材表面编织有连续碳纤维丝束以及平行排布的热塑性树脂丝束，图中以不同深浅程度的颜色区分表征经向的连续碳纤维丝束和纬向的连续碳纤维丝束。将复合编织物从芯材上取下，为如图3所示的闭合圆环结构，圆环半径40mm，厚度1mm。
(2)模压成型：将编织获得的闭合圆环结构的复合编织物铺放在模具中，闭合模具，施加0.6MPa的压力，在模具中通入导热油使复合编织物从20℃逐渐升温到240℃的熔融温度，而后保持5min后利用导热油冷却至25℃获得电池托盘零件产品1，如图4所示，轮廓尺寸80mm×80mm×10mm，厚度2mm。
检测所得产品的密度、拉伸强度检测结果见表1。
实施例2
按照实施例1的方法制备电池托盘零件产品2，不同的是，按重量份计，热塑性树脂丝束的用量为55份，所述连续碳纤维丝束的用量为45份。
检测所得产品2的密度、拉伸强度检测结果见表1。
实施例3
按照实施例1的方法制备电池托盘零件产品3。不同的是，复合编织物中纬向的连续碳纤维丝束与经向的连续碳纤维丝束之间的夹角为50°；热塑性树脂丝束与所述经向的连续碳纤维丝束之间的锐角夹角为25°。
检测所得产品3的密度、拉伸强度，检测结果见表1。
实施例4
按照实施例1的方法制备电池托盘零件产品4。不同的是，所述模压成型的压力为0.4MPa。检测所得产品4的密度、拉伸强度，检测结果见表1。
对比例1
首先将连续碳纤维丝束编织为二维编织布，然后裁剪二维编织物，使其与实施例1的电池托盘零件产品的轮廓和尺寸相同，共裁剪得到两片裁剪后的二维编织布，在模具表面均匀洒下粉体尼龙材料，将裁减后的第一片二维编织布铺覆于模具内，然后再次洒下粉体尼龙材料，再铺覆裁剪后的第二片编织布并继续洒下尼龙，按重量份计，粉体尼龙材料的用量为45份，连续碳纤维丝束的用量为55份。材料摆放结束后闭合模具，施加0.6MPa的压力，在模具中通入导热油使编织物从20℃逐渐升温到240℃的熔融温度，而后保持5min后利用导热油冷却至25℃获得产品D1。
对比例2
先将连续碳纤维丝束编织为二维编织布，通过挤出机将尼龙材料在240℃下熔融，然后在尼龙熔融区域料筒内导入二维编织布，使尼龙浸渍编织布，然后逐步冷却、牵引出料筒完成预浸料加工，按重量份计，尼龙材料的用量为45份，连续碳纤维丝束的用量为55份。对预浸料进行裁减使其与实施例1的电池托盘零件产品的轮廓和尺寸相同，共裁剪得到两片裁剪后的预浸料，将预浸料逐层铺覆于模具内(共铺覆两层)，材料摆放结束后闭合模具，施加0.6MPa的压力，在模具中通入导热油使编织物从20℃逐渐升温到240℃的熔融温度，而后保持5min后利用导热油冷却至25℃获得产品D2。
表1
产品 编织密度(g/m2) 拉伸强度(Fx/Fy)(MPa) 拉伸模量(Ex/Ey)(GPa)
1 580 1261/1253 67.4/64.2
2 550 1155/1134 61.1/61.3
3 600 1381/1104 71.4/58.5
4 580 1232/1174 65.8/63.4
D1 580 1114/1048 61.8/60.4
D2 580 1142/1128 61.8/61.5
从表1的数据可以看出，本公开提供的方法所制备的热塑性碳纤维复合材料较传统热塑性碳纤维复合材料解决了树脂分布不均匀和加工过程中多次加热而导致产品性能降低的缺陷，使得纤维与聚乳酸材料连接力更强、材料机械性能更高。
并且，优选在热塑性树脂丝束的用量为45份，所述连续碳纤维丝束的用量为55份；复合编织物中纬向的连续碳纤维丝束与经向的连续碳纤维丝束之间的夹角为90°；热塑性树脂丝束与所述经向的连续碳纤维丝束之间的锐角夹角为45°。编织密度为550g/m2，模压成型的压力为0.6MPa的条件下，材料的拉伸强度及模量较高。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种制备热塑性碳纤维复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将连续碳纤维丝束与热塑性树脂丝束进行编织获得复合编织物，在所述复合编织物中，连续碳纤维丝束呈斜纹编织方式排布，所述热塑性树脂丝束沿斜纹编织所形成的斜向纹路的延伸方向平行编织在所述复合编织物中；
S2、将所述复合编织物置于模具中进行加热后模压成型。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，按重量份计，所述热塑性树脂丝束的用量为35-60份，所述连续碳纤维丝束的用量为40-65份。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤S2中，加热的温度为从15-25℃升温至热塑性树脂丝束的熔融温度，并在所述熔融温度保温至热塑性树脂丝束完全熔化。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，复合编织物中纬向的连续碳纤维丝束与经向的连续碳纤维丝束之间的夹角为50°-130°；经向的连续碳纤维丝束与所述斜向纹路之间的锐角夹角为25°-65°。
5.根据权利要求1、2和4中任意一项所述的方法，其中，所述热塑性树脂丝束的直径为8D-40D，热塑性树脂丝束中热塑性树脂单丝的直径为80-100μm；所述连续碳纤维丝束的规格为6K、12K、24K或48K，所述连续碳纤维丝束中连续碳纤维丝的直径为7-9μm。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述热塑性树脂丝束为聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯和聚酰胺中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述复合编织物的编织密度为500-700g/m2。
8.根据权利要求1、2、6和7中任意一项所述的方法，其中，所述模压成型的压力为0.4-0.7MPa。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括将所述复合编织物剪切为尺寸为长90-110mm、宽70-90mm的复合编织物丝段，再对所述复合编织物丝段进行模压成型。
10.一种热塑性碳纤维复合材料，其特征在于，该热塑性碳纤维复合材料是由权利要求1-9中任意一项所述的方法制备得到的。
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