CN107953621A - 包括半导体纤维的多层结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种包括半导体纤维的多层结构，多层结构自下而上依次包括：底层耐磨层、底层强化层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、半导体纤维层、第四树脂膜、第五树脂膜、第六树脂膜、顶层强化层以及顶层耐磨层，其中，第一树脂膜的弹性模量大于第二树脂膜的弹性模量，第二树脂膜的弹性模量大于第三树脂膜的弹性模量，第四树脂膜的弹性模量小于第五树脂膜的弹性模量，第五树脂膜的弹性模量小于第六树脂膜的弹性模量。本发明在半导体纤维层两侧都设计了多层树脂膜，使得整体材料的抗拉强度更高并使得树脂膜与强化层贴合更紧密。此外，本发明还在树脂膜外侧增加了复合材料层以增加层状结构的整体强度。

Description

包括半导体纤维的多层结构及其制造方法
技术领域
本发明提供了一种多层结构及其制造方法，具体而言，提供了一种包括半导体纤维的多层结构及其制造方法。
背景技术
半导体是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。我们知道，电路之所以具有某种功能，主要是因为其内部有电流的各种变化，而之所以形成电流，主要是因为有电子在金属线路和电子元件之间流动(运动/迁移)。所以，电子在材料中运动的难易程度，决定了其导电性能。常见的金属材料在常温下电子就很容易获得能量发生运动，因此其导电性能好；绝缘体由于其材料本身特性，电子很难获得导电所需能量，其内部很少电子可以迁移，因此几乎不导电。而半导体材料的导电特性则介于这两者之间，并且可以通过掺入杂质来改变其导电性能。
随着科学技术的进步，半导体材料变得越来越重要，新型半导体材料也不断出现，例如有机物半导体材料，半导体纤维材料等。现有技术文献CN101421454A公开了一种二氧化钛半导体纤维的制造方法，该文献利用了静电纺丝法制备了二氧化钛半导体纤维结构体。但是，单独的半导体纤维结构体力学性能差，在外力作用下容易损坏、且不耐磨。现有技术文献CN103669779B公开了一种轻质屏蔽墙布，该屏蔽墙布是一种多层结构，该多层结构中包括多层半导体纤维布层。这种布柔韧性好、易于施工，但是这种布层中的半导体纤维层仅有外层纤维布保护，所以这种轻质屏蔽墙布力学性能仍然较低，耐用性较差。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种包括半导体纤维的多层结构及其制造方法，从而克服现有技术的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种包括半导体纤维的多层结构，其特征在于：多层结构自下而上依次包括：底层耐磨层、底层强化层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、半导体纤维层、第四树脂膜、第五树脂膜、第六树脂膜、顶层强化层以及顶层耐磨层，其中，第一树脂膜的弹性模量大于第二树脂膜的弹性模量，第二树脂膜的弹性模量大于第三树脂膜的弹性模量，第四树脂膜的弹性模量小于第五树脂膜的弹性模量，第五树脂膜的弹性模量小于第六树脂膜的弹性模量。
优选地，上述技术方案中，第一树脂膜的组成与第六树脂膜的组成相同，第二树脂膜的组成与第五树脂膜的组成相同，第三树脂膜的组成与第四树脂膜的组成相同，半导体纤维层是二氧化钛半导体纤维层。
优选地，上述技术方案中，半导体纤维层的厚度是0.2mm-0.5mm。
优选地，上述技术方案中，第三树脂膜的厚度大于第二树脂膜的厚度，第二树脂膜的厚度大于第一树脂膜的厚度。
优选地，上述技术方案中，第三树脂膜的厚度、第二树脂膜的厚度以及第一树脂膜的厚度为0.1mm-0.4mm。
优选地，上述技术方案中，第一树脂膜的厚度与第六树脂膜的厚度相同，第二树脂膜的厚度与第五树脂膜的厚度相同，第三树脂膜的厚度与第四树脂膜的厚度相同。
优选地，上述技术方案中，底层强化层与顶层强化层是表面涂覆有硅烷偶联剂的碳纤维增强复合材料。
优选地，上述技术方案中，底层耐磨层与顶层耐磨层是氮化硅和碳化硅的组合层。
本发明还提供了一种半导体纤维的多层结构的制造方法，其特征在于：方法包括如下步骤：使用静电纺丝法制造半导体纤维层；在半导体纤维层两面分别涂覆未固化的第三树脂膜和第四树脂膜，形成第一层叠体，对第一层叠体进行热压，得到第二层叠体；在第二层叠体两面分别涂覆未固化的第二树脂膜和第五树脂膜，形成第三层叠体，对第三层叠体进行热压，得到第四层叠体；在第三层叠体两面分别涂覆未固化的第一树脂膜和第六树脂膜，形成第五层叠体，对第五层叠体进行热压，得到第六层叠体；提供碳纤维增强复合材料，在碳纤维增强复合材料表面涂覆硅烷偶联剂，得到顶层强化层以及底层强化层；在第六层叠体两面分别叠加顶层强化层以及底层强化层，随后进行热压，得到第七层叠体；在第七层叠体两面分别沉积氮化硅和碳化硅。
优选地，上述技术方案中，对第一层叠体进行热压，对第三层叠体进行热压，对第五层叠体进行热压具体为：进行第一阶段热压，第一阶段热压温度为100-150℃，压力为5-10MPa，时间为30-60s；随后进行第二阶段热压，第二阶段热压温度为300-400℃，压力为30-50MPa，时间为300-600s；随后进行第三阶段热压，第二阶段热压温度为150-200℃，压力为10-15MPa，时间为20-50s。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明在半导体纤维层两侧都设计了多层树脂膜，并且各层树脂膜的弹性模量均不相同，这样就在半导体纤维两侧形成了具有弹性模量梯度的树脂膜结构，在受到外界拉应力时，能够由具有弹性模量梯度的树脂膜结构分担外界拉应力，使得整体材料的抗拉强度更高。由于弹性模量大的树脂膜与任何表面都更容易相互贴合，所以在靠近强化层处使用弹性模量大的树脂膜，在远离强化层处使用弹性模量小的树脂膜，使得树脂膜与强化层贴合更紧密。此外，本发明还在树脂膜外侧增加了复合材料层以增加层状结构的整体强度。
附图说明
图1是根据本发明的包括半导体纤维的多层结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本发明的树脂层可以是本领域公知的具有相应特性的树脂层，例如如同现有技术文献CN1715046A中介绍的那些树脂材料。举例而言，高弹性模量的树脂可以是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，中等弹性模量的材料例如可以是任何弹性模量低于PET但是高于FEP的树脂(例如尼龙)，具有低弹性模量的树脂可以是FEP材料，这些材料都可以购自化学商店。本发明用于热压的机器是本领公知的热压机。本发明用于沉积耐磨层的方法例如可以是PVD方法。形成碳纤维复合材料的方法可以是本领域公知的方法，例如首先使碳纤维浸渍树脂，随后固化预浸料。
以下介绍本发明的实施例，在此之前，需要指出，对于实现本发明的技术效果而言，树脂层的具体成分并不重要，所以以下实施例并未指出树脂层的具体成分，而为了保持实验结果的可比较性，本发明各个实施例中的各个树脂层的化学组成自始至终保持一致(即，例如实施例1的第一树脂层与实施例8的第一树脂层化学组成完全一致)。
如图1所述，本发明的包括半导体纤维的多层结构自下而上依次包括：底层耐磨层111、底层强化层110、第一树脂膜109、第二树脂膜108、第三树脂膜107、半导体纤维层106、第四树脂膜105、第五树脂膜104、第六树脂膜103、顶层强化层102以及顶层耐磨层101。
实施例1
半导体纤维多层结构自下而上依次包括：底层耐磨层、底层强化层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、半导体纤维层、第四树脂膜、第五树脂膜、第六树脂膜、顶层强化层以及顶层耐磨层，其中，第一树脂膜的弹性模量大于第二树脂膜的弹性模量，第二树脂膜的弹性模量大于第三树脂膜的弹性模量，第四树脂膜的弹性模量小于第五树脂膜的弹性模量，第五树脂膜的弹性模量小于第六树脂膜的弹性模量，第一树脂膜的组成与第六树脂膜的组成相同，第二树脂膜的组成与第五树脂膜的组成相同，第三树脂膜的组成与第四树脂膜的组成相同，半导体纤维层是二氧化钛半导体纤维层。半导体纤维层的厚度是0.2mm。第三树脂膜的厚度大于第二树脂膜的厚度，第二树脂膜的厚度大于第一树脂膜的厚度。第三树脂膜的厚度为0.4mm，第二树脂膜的厚度为0.3mm，第一树脂膜的厚度为0.1mm。第一树脂膜的厚度与第六树脂膜的厚度相同，第二树脂膜的厚度与第五树脂膜的厚度相同，第三树脂膜的厚度与第四树脂膜的厚度相同。底层强化层与顶层强化层是表面涂覆有硅烷偶联剂的碳纤维增强复合材料。底层耐磨层与顶层耐磨层是氮化硅和碳化硅的组合层。
实施例2
半导体纤维多层结构自下而上依次包括：底层耐磨层、底层强化层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、半导体纤维层、第四树脂膜、第五树脂膜、第六树脂膜、顶层强化层以及顶层耐磨层，其中，第一树脂膜的弹性模量大于第二树脂膜的弹性模量，第二树脂膜的弹性模量大于第三树脂膜的弹性模量，第四树脂膜的弹性模量小于第五树脂膜的弹性模量，第五树脂膜的弹性模量小于第六树脂膜的弹性模量，第一树脂膜的组成与第六树脂膜的组成相同，第二树脂膜的组成与第五树脂膜的组成相同，第三树脂膜的组成与第四树脂膜的组成相同，半导体纤维层是二氧化钛半导体纤维层。半导体纤维层的厚度是0.5mm。第三树脂膜的厚度大于第二树脂膜的厚度，第二树脂膜的厚度大于第一树脂膜的厚度。第三树脂膜的厚度为0.4mm，第二树脂膜的厚度为0.3mm，第一树脂膜的厚度为0.1mm。第一树脂膜的厚度与第六树脂膜的厚度相同，第二树脂膜的厚度与第五树脂膜的厚度相同，第三树脂膜的厚度与第四树脂膜的厚度相同。底层强化层与顶层强化层是表面涂覆有硅烷偶联剂的碳纤维增强复合材料。底层耐磨层与顶层耐磨层是氮化硅和碳化硅的组合层。
实施例3
半导体纤维多层结构自下而上依次包括：底层耐磨层、底层强化层、半导体纤维层、顶层强化层以及顶层耐磨层，其余条件及参数与实施例1相同。
实施例4
半导体纤维多层结构自下而上依次包括：底层耐磨层、底层强化层、第一树脂膜、半导体纤维层、第六树脂膜、顶层强化层以及顶层耐磨层，其余条件及参数与实施例1相同。
实施例5
半导体纤维多层结构自下而上依次包括：底层耐磨层、底层强化层、第一树脂膜、第二树脂膜、半导体纤维层、第五树脂膜、第六树脂膜、顶层强化层以及顶层耐磨层，其余条件及参数与实施例1相同。
实施例6
各层树脂膜均使用FEP，其余条件及参数与实施例1相同。
实施例7
各层树脂膜均使用PET，其余条件及参数与实施例1相同。
实施例8
半导体纤维多层结构自下而上依次包括：底层耐磨层、底层强化层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、半导体纤维层、第四树脂膜、第五树脂膜、第六树脂膜、顶层强化层以及顶层耐磨层，其中，第一树脂膜的弹性模量大于第二树脂膜的弹性模量，第二树脂膜的弹性模量大于第三树脂膜的弹性模量，第四树脂膜的弹性模量小于第五树脂膜的弹性模量，第五树脂膜的弹性模量小于第六树脂膜的弹性模量，第一树脂膜的组成与第六树脂膜的组成相同，第二树脂膜的组成与第五树脂膜的组成相同，第三树脂膜的组成与第四树脂膜的组成相同，半导体纤维层是二氧化钛半导体纤维层。半导体纤维层的厚度是0.2mm。第三树脂膜的厚度为0.1mm，第二树脂膜的厚度为0.3mm，第一树脂膜的厚度为0.4mm。第一树脂膜的厚度与第六树脂膜的厚度相同，第二树脂膜的厚度与第五树脂膜的厚度相同，第三树脂膜的厚度与第四树脂膜的厚度相同。底层强化层与顶层强化层是表面涂覆有硅烷偶联剂的碳纤维增强复合材料。底层耐磨层与顶层耐磨层是氮化硅和碳化硅的组合层。
实施例9
第三树脂膜的厚度为0.7mm，其余条件及参数与实施例1相同。
实施例10
第一树脂膜的厚度为0.05mm，其余条件及参数与实施例1相同。
实施例11
半导体纤维多层结构自下而上依次包括：底层耐磨层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、半导体纤维层、第四树脂膜、第五树脂膜、第六树脂膜以及顶层耐磨层，其余条件及参数与实施例1相同。
特别强调的是，实施例1-11的所有实施例都是使用相同方法制造的。对
实施例1-11进行抗剥离实验以及拉伸强度实验，其中，抗剥离实验以及拉伸强度实验是本领域的常规实验，故本发明不再详述实验过程。基于本发明实施例1的剥离强度与拉伸强度，将所有数据归一化，以使得结果更加清楚明了。实验结果如表1，表1中对比例1来自CN101421454A，对比例2来自类似于CN103669779B的结构。
表1
从表1中可以得出看出，弹性模量梯度树脂膜层是至关重要的，在取消所有树脂层之后，本发明的拉伸强度大幅度下降，剥离强度大幅度下降，这主要是由于半导体纤维层与强化层难以牢固粘结导致；三层树脂层结构对于实现本发明的目的是至关重要的，例如，如果缺少高弹性模量层，则剥离强度下降。树脂层厚度也是非常重要的，如果低弹性模量层厚度过大，则由于目前工艺限制，导致其表面凹凸不平，使得剥离强度下降。
实施例12
使用静电纺丝法制造半导体纤维层；在半导体纤维层两面分别涂覆未固化的第三树脂膜和第四树脂膜，形成第一层叠体，对第一层叠体进行热压，得到第二层叠体；在第二层叠体两面分别涂覆未固化的第二树脂膜和第五树脂膜，形成第三层叠体，对第三层叠体进行热压，得到第四层叠体；在第三层叠体两面分别涂覆未固化的第一树脂膜和第六树脂膜，形成第五层叠体，对第五层叠体进行热压，得到第六层叠体；提供碳纤维增强复合材料，在碳纤维增强复合材料表面涂覆硅烷偶联剂，得到顶层强化层以及底层强化层；在第六层叠体两面分别叠加顶层强化层以及底层强化层，随后进行热压，得到第七层叠体；在第七层叠体两面分别沉积氮化硅和碳化硅。对第一层叠体进行热压，对第三层叠体进行热压，对第五层叠体进行热压具体为：进行第一阶段热压，第一阶段热压温度为100℃，压力为10MPa，时间为60s；随后进行第二阶段热压，第二阶段热压温度为300℃，压力为50MPa，时间为600s；随后进行第三阶段热压，第二阶段热压温度为150℃，压力为15MPa，时间为50s。
实施例13
使用静电纺丝法制造半导体纤维层；在半导体纤维层两面分别涂覆未固化的第三树脂膜和第四树脂膜，形成第一层叠体，对第一层叠体进行热压，得到第二层叠体；在第二层叠体两面分别涂覆未固化的第二树脂膜和第五树脂膜，形成第三层叠体，对第三层叠体进行热压，得到第四层叠体；在第三层叠体两面分别涂覆未固化的第一树脂膜和第六树脂膜，形成第五层叠体，对第五层叠体进行热压，得到第六层叠体；提供碳纤维增强复合材料，在碳纤维增强复合材料表面涂覆硅烷偶联剂，得到顶层强化层以及底层强化层；在第六层叠体两面分别叠加顶层强化层以及底层强化层，随后进行热压，得到第七层叠体；在第七层叠体两面分别沉积氮化硅和碳化硅。对第一层叠体进行热压，对第三层叠体进行热压，对第五层叠体进行热压具体为：进行第一阶段热压，第一阶段热压温度为150℃，压力为5MPa，时间为30s；随后进行第二阶段热压，第二阶段热压温度为400℃，压力为30MPa，时间为300s；随后进行第三阶段热压，第二阶段热压温度为200℃，压力为10MPa，时间为20s。
实施例14
使用静电纺丝法制造半导体纤维层；在半导体纤维层两面分别涂覆未固化的第三树脂膜和第四树脂膜，形成第一层叠体，对第一层叠体进行热压，得到第二层叠体；在第二层叠体两面分别涂覆未固化的第二树脂膜和第五树脂膜，形成第三层叠体，对第三层叠体进行热压，得到第四层叠体；在第三层叠体两面分别涂覆未固化的第一树脂膜和第六树脂膜，形成第五层叠体，对第五层叠体进行热压，得到第六层叠体；提供碳纤维增强复合材料，在碳纤维增强复合材料表面涂覆硅烷偶联剂，得到顶层强化层以及底层强化层；在第六层叠体两面分别叠加顶层强化层以及底层强化层，随后进行热压，得到第七层叠体；在第七层叠体两面分别沉积氮化硅和碳化硅。对第一层叠体进行热压，对第三层叠体进行热压，对第五层叠体进行热压具体为：进行第一阶段热压，第一阶段热压温度为100℃，压力为10MPa，时间为60s；随后进行第二阶段热压，第二阶段热压温度为300℃，压力为50MPa，时间为600s。不再进行第三阶段热压。
实施例15
不进行第一阶段热压，其余条件及参数与实施例12相同。
对实施例12-15进行抗剥离实验以及拉伸强度实验，其中，抗剥离实验以及拉伸强度实验是本领域的常规实验，故本发明不再详述实验过程。基于本发明实施例12的剥离强度与拉伸强度，将所有数据归一化，以使得结果更加清楚明了。结果列于表2。
表2
拉伸强度 剥离强度
实施例12 100％ 100％
实施例13 104％ 102％
实施例14 87％ 86％
实施例15 85％ 83％
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种包括半导体纤维的多层结构，其特征在于：所述多层结构自下而上依次包括：底层耐磨层、底层强化层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、半导体纤维层、第四树脂膜、第五树脂膜、第六树脂膜、顶层强化层以及顶层耐磨层，其中，所述第一树脂膜的弹性模量大于所述第二树脂膜的弹性模量，所述第二树脂膜的弹性模量大于所述第三树脂膜的弹性模量，所述第四树脂膜的弹性模量小于所述第五树脂膜的弹性模量，所述第五树脂膜的弹性模量小于所述第六树脂膜的弹性模量。
2.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于：所述第一树脂膜的组成与所述第六树脂膜的组成相同，所述第二树脂膜的组成与所述第五树脂膜的组成相同，所述第三树脂膜的组成与所述第四树脂膜的组成相同，所述半导体纤维层是二氧化钛半导体纤维层。
3.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于：所述半导体纤维层的厚度是0.2mm-0.5mm。
4.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于：所述第三树脂膜的厚度大于所述第二树脂膜的厚度，所述第二树脂膜的厚度大于所述第一树脂膜的厚度。
5.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于：所述第三树脂膜的厚度、第二树脂膜的厚度以及所述第一树脂膜的厚度为0.1mm-0.4mm。
6.如权利要求1-5之一所述的多层结构，其特征在于：所述第一树脂膜的厚度与所述第六树脂膜的厚度相同，所述第二树脂膜的厚度与所述第五树脂膜的厚度相同，所述第三树脂膜的厚度与所述第四树脂膜的厚度相同。
7.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于：所述底层强化层与所述顶层强化层是表面涂覆有硅烷偶联剂的碳纤维增强复合材料。
8.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于：所述底层耐磨层与所述顶层耐磨层是氮化硅和碳化硅的组合层。
9.如权利要求1-9之一所述的半导体纤维的多层结构的制造方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
使用静电纺丝法制造半导体纤维层；
在所述半导体纤维层两面分别涂覆未固化的第三树脂膜和第四树脂膜，形成第一层叠体，对所述第一层叠体进行热压，得到第二层叠体；
在所述第二层叠体两面分别涂覆未固化的第二树脂膜和第五树脂膜，形成第三层叠体，对所述第三层叠体进行热压，得到第四层叠体；
在所述第三层叠体两面分别涂覆未固化的第一树脂膜和第六树脂膜，形成第五层叠体，对所述第五层叠体进行热压，得到第六层叠体；
提供碳纤维增强复合材料，在所述碳纤维增强复合材料表面涂覆硅烷偶联剂，得到顶层强化层以及底层强化层；
在所述第六层叠体两面分别叠加所述顶层强化层以及所述底层强化层，随后进行热压，得到第七层叠体；
在所述第七层叠体两面分别沉积氮化硅和碳化硅。
10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于：对所述第一层叠体进行热压，对所述第三层叠体进行热压，对所述第五层叠体进行热压具体为：
进行第一阶段热压，第一阶段热压温度为100-150℃，压力为5-10MPa，时间为30-60s；
随后进行第二阶段热压，第二阶段热压温度为300-400℃，压力为30-50MPa，时间为300-600s；
随后进行第三阶段热压，第二阶段热压温度为150-200℃，压力为10-15MPa，时间为20-50s。
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