CN106633139A - 一种透光连续纤维增强复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新型结构复合材料的制备技术领域，涉及一种透光连续纤维增强复合材料及其制备方法。即利用光纤在连续增强纤维复合材料定向有序分布，达到在分布方向透光的目的。这种复合材料不仅具有美观等特点，并且可以节省能源，对某些结构还能一定程度提高复合材料的抗分层损伤能力，除此以外，这类复合材料可以通过设计表面图案，使透光复合材料更美观、可光显示、透过特定形状光信号等诸多优点，为一类新型的复合材料体系。

Description

一种透光连续纤维增强复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于新型结构复合材料的制备技术领域，涉及一种透光连续纤维增强复合材料及其制备方法。
背景技术
连续纤维增强的树脂基复合材料具有高的比强度和比刚度，在航空航天、输油管道、高压容器、民用体育器材等领域具有越来越广泛的应用。连续碳纤维增强的复合材料通常由层叠的连续纤维织物和树脂复合而成，或者通过连续纤维缠绕形成预制体，再和浸渍其中的树脂共固化得到复合材料结构体。
但通常碳纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维等高性能纤维由于分子间存在共轭、分子链存在各向异性等特性，因此是不透明也不透光的，利用这些纤维制备的复合材料更是不透光的，如连续碳纤维增强的树脂基复合材料，通常展现给人们的形象是一块黑色的板材，如芳纶纤维增强的复合材料通常是一块黄色的板材，即使是对可见光吸收率很低的玻璃纤维，也会因复合材料内部存在大量的界面，呈现为很低的透光率。
在当前世界逐渐追求节能、美观的前提下，如何使这种传统的材料更具美观，或者透光以节省能，也是发展的一个目标。
综上，可以发展新型的技术，使连续纤维增强的复合材料具有一定的透光能力。
发明内容
本发明的目的：本发明针对现有技术的问题，提出了一种透光复合材料的制备技术，即利用光纤导光的方法，将光纤按埋植到复合材料中，得到具有透光能力的复合材料，部分结构形式的透光复合材料中光纤还能起到Z向锚定的作用，可提高材料的抗分层能力。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种透光复合材料，透光复合材料及由连续纤维、浸渍整体的树脂基体、定向分布的光纤组成，光纤纤芯直径为30～200μm，光纤表面露出复合材料表面，光纤含量为0.1vol％～25vol％，光纤在复合材料表面可以是均匀分布，也可以是按所需图案疏密分布，但最密处含量不超过50vol％。
光纤的定向分布方向平行于纤维方向。
光纤的定向分布方向垂直于纤维方向。
一种透光复合材料的制备方法，该制备方法包括以下两类：(1)将连续纤维和光纤混束，得到混有光纤的连续纤维，光纤含量为0.1vol％～25vol％，再将混合纤维丝束和树脂利用通常的复合材料制备工艺制备成复合材料，磨平或切割复合材料首末端，露出光纤，得到光纤的定向分布方向平行于纤维方向的透光复合材料；(2)采用三维编织的方法，将光纤作为Z向连接线和连续增强纤维编制成预制体，再注入树脂固化成型，也可采用Z向植入的方法，将光纤植入到层叠连续纤维预制体的Z向，再注入树脂固化成型，或将光纤植入到层叠连续纤维树脂预浸料的Z向，再注入树脂固化成型，最后磨平使光纤横截面露出表面，得到光纤的定向分布方向垂直于纤维方向的透光复合材料。
透光复合材料的一个或两个表面有一层图案化涂料。
透光复合材料的一个或两个表面有一层散射光的涂层。
透光复合材料的一个外表面有一层吸光涂层。
连续纤维包括碳纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚酰亚胺纤维。
本发明的技术方案的核心是发明了一种使复合材料具有一定透光性的材料设计方法，利用这种方法可以使传统意义上众所周知不透光的复合材料具有透光性，因此可带来美观、节能等实际应用价值，弥补传统复合材料的不足。
本发明的优点和特点是：
本发明提出了一种新型的透光连续纤维增强复合材料以及相应的复合材料，这种透光连续纤维增强复合材料打破了传统连续纤维增强复合材料不透光的特点，具有节能、美观等特点，而且其透光形态和表面目视特征可以通过调节光纤分布或表面涂层，可以通过控制光信号输入等方法调节，具有诸多潜在的应用价值。
附图说明
图1.本发明透光复合材料的透光照片(遮盖物位于材料背面)。
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明的设计和制备技术做进一步详细说明。
实施例1：
本发明技术方案的实施过程如下：
(1-1)采用三维编织的方法，将光纤作为Z向连接线和连续增强纤维T300碳纤维丝束编织成所需的预制体，使光纤垂直于厚度方向分布，即主要垂直于碳纤维分布，光纤用量为占预制体体积分数的2％或4％或12％或20％，光纤纤芯直径为62.5μm或125μm或187μm。得到预制体后，利用RTM成型方法往预制体中注入环氧树脂3266，最后按该树脂固化工艺条件固化成型，冷却脱模后得到Z向埋植光纤阵列的复合材料制件。磨去复合材料制件表面一层，使光纤横截面露出表面，得到具有厚度方向透光能力的复合材料制件。
(1-2)将表面打磨光滑，此时透光率更高。
(1-3)在制件内侧表面涂敷一层白色半透明的涂层，该涂层使透入的光可以在内表面发生散射，表现为外部透到里面的光更柔和。
(1-4)如上(1-1)所述的预浸料所用的碳纤维纤维可以换成芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、涤纶纤维、T700碳纤维、T800碳纤维。
(1-5)对于(1-1)，也可以将带有定型剂的T300单向织物先铺叠成所需的预制体，再植入光纤或光纤束，其它同(1-1)，最后具有厚度方向透光能力的复合材料制件。
本实施例得到的复合材料，可以用于建筑的幕墙、交通工具外壳、大型广告牌等，具有一定的透光率，同时具有很高的承载能力，具有区别于传统的不透光复合材料的美观外在特征。
附图1.透光复合材料的透光照片，遮盖物位于材料背面。
实施例2：
本发明技术方案的实施过程如下：
(2-1)取T700碳纤维环氧树脂预浸料，或S2玻璃纤维环氧树脂预浸料，按所需的大小裁剪和按所需的铺层方式铺叠成所需形状的层叠复合材料预制体，再采用Z向植入的方法，将光纤植入到层叠连续纤维预制体的Z向，即光纤垂直于厚度方向形成阵列，光纤用量为占预制体体积分数的6％或4％，光纤纤芯直径为40μm或62.5μm或125μm。再使用热压罐成型或模压成型的方法，在树脂固化工艺条件下固化成型，冷却后拆除模具和辅助材料得到复合材料制件。磨平复合材料制件的表面层直到使光纤横截面露出表面，此时复合材料具有Z向透光的能力，得到相应的透光碳纤维增强环氧树脂复合材料或透光S2玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制件。
(2-2)如上(2-1)所示Z向植入光纤时，在预制体表面规划一块特定区域，该区域植入的光纤含量为10vol％，该区域可为任何所需的形状，如宣传文字、图形等，其他区域植入的光纤含量为0.5vol％，其余过程均和(2-1)相同。最后得到透光能力具有图案化分布的复合材料制件。
(2-3)也可以将(2-1)所得到的透光复合材料的外表面或内表面刷涂一层涂料，使表面各区域涂层分布具有不同的透明度，同样也得到透光能力具有图案化分布的复合材料制件。
(2-4)如上(2-1)所述的预浸料所用的纤维可以换成芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、涤纶纤维。
本实施例得到的透光材料可以为透光能力具有图案化分布，因此可以制备各种美观的创意复合材料，拓展复合材料的应用领域。
实施例3：
本发明技术方案的实施过程如下：
(3-1)将碳纤维丝束或芳纶纤维丝束或玻璃纤维丝束和光纤混束，所用光纤纤芯直径为30μm或62.5μm或170μm，控制光纤的根数，使光纤的含量为0.5vol％或15vol％，得到混有光纤的碳纤维或芳纶纤维或玻璃纤维的连续纤维丝束，将丝束编织成单向带。将单向带按需要制备的复合材料的结构铺叠成所需的复合材料预制体，在利用真空辅助RTM成型方法，吸注入低粘度苯并噁嗪树脂或环氧树脂，再在该树脂的固化工艺条件下固化，冷却后拆除辅助材料，得到相应的复合材料制件。磨平或切割复合材料首末端，露出光纤，得到透光的复合材料，该复合材料沿增强纤维方向具有良好的透光能力。
(3-2)以上(3-1)中，混束后得到的混有光纤的碳纤维或芳纶纤维或玻璃纤维的连续纤维丝束直接用树脂预浸，得到预浸渍树脂的混有光纤的连续纤维，将其制备成为预浸料。将预浸料按需要制备的复合材料的结构铺叠成所需的复合材料预制体，再在所用的预浸树脂的固化工艺条件下固化，冷却后拆除辅助材料，得到相应的复合材料制件。磨平或切割复合材料首末端，露出光纤，得到透光的复合材料，该复合材料沿增强纤维方向具有良好的透光能力。
(3-3)以上(3-2)中，预浸渍树脂的混有光纤的连续纤维也可直接缠绕或自动铺贴得到所需的复合材料的预制体，再在相同条件下得到透光的复合材料。
基于光纤的光传播性质，以上制备的复合材料无论长度多长，均具有良好的透光能力，特别适用于长距离传导光信号的复合材料，譬如复合材料结构的光导设备、机器人的复合材料集成光纤定位能力的机械臂等。
实施例4：
本发明技术方案的实施过程如下：
(4-1)将碳纤维丝束或芳纶纤维丝束和光纤混束，所用光纤纤芯直径为35μm或62.5μm，控制光纤的根数，使光纤的含量为3vol％或7vol％，得到混有光纤的碳纤维或芳纶纤维的连续纤维丝束预浸树脂后，直接利用拉挤成型工艺牵引并固化得到复合材料光传输杆，切割去两端，使光纤截面露出表面，得到透光的复合材料。光信号可在复合材料内部长距离传输。
(3-2)在复合材料的一个表面涂覆能吸收特定波长的涂料，制备得到可过滤某波长的透光复合材料。

Claims (8)

1.一种透光复合材料，其特征在于：透光复合材料及由连续纤维、浸渍整体的树脂基体、定向分布的光纤组成，光纤纤芯直径为30～200μm，光纤表面露出复合材料表面，光纤含量为0.1vol％～25vol％，光纤在复合材料表面可以是均匀分布，也可以是按所需图案疏密分布，但最密处含量不超过50vol％。
2.根据权利要求1所述的透光复合材料，其特征在于：光纤的定向分布方向平行于纤维方向。
3.根据权利要求1所述的透光复合材料，其特征在于：光纤的定向分布方向垂直于纤维方向。
4.一种透光复合材料的制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下两类：(1)将连续纤维和光纤混束，得到混有光纤的连续纤维，光纤含量为0.1vol％～25vol％，再将混合纤维丝束和树脂利用通常的复合材料制备工艺制备成复合材料，磨平或切割复合材料首末端，露出光纤，得到光纤的定向分布方向平行于纤维方向的透光复合材料；(2)采用三维编织的方法，将光纤作为Z向连接线和连续增强纤维编制成预制体，再注入树脂固化成型，也可采用Z向植入的方法，将光纤植入到层叠连续纤维预制体的Z向，再注入树脂固化成型，或将光纤植入到层叠连续纤维树脂预浸料的Z向，再注入树脂固化成型，最后磨平使光纤横截面露出表面，得到光纤的定向分布方向垂直于纤维方向的透光复合材料。
5.根据权利要求1所述的透光复合材料，其特征在于：透光复合材料的一个或两个表面有一层图案化涂料。
6.根据权利要求1所述的透光复合材料，其特征在于：透光复合材料的一个或两个表面有一层散射光的涂层。
7.根据权利要求1所述的透光复合材料，其特征在于：透光复合材料的一个外表面有一层吸光涂层。
8.根据权利要求1所述的透光复合材料，其特征在于：连续纤维包括碳纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚酰亚胺纤维。
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