CN108314875B - 一种用于防撞梁的碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于防撞梁的碳纤维复合材料及其制备方法，其用于防撞梁的碳纤维复合材料，包括依次交替排布的第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层，第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层的层数分别为4‑6层；第一碳纤维浸渍层按照如下方法制得：第一碳纤维织物在第一环氧树脂中浸渍、加压成型；第二碳纤维浸渍层按照如下方法制得：第二碳纤维织物表面采用气相氧化制得第二氧化碳纤维织物，第二氧化碳纤维织物在第二环氧树脂中浸渍、加压成型；第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层排布完成后，加热加压制得用于防撞梁的碳纤维复合材料。采用以上方法制得的用于防撞梁的碳纤维复合材料具有较佳的抗拉强度和较好的层间剪切强度。

Description

一种用于防撞梁的碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及防撞减震用碳纤维材料领域，具体涉及一种用于防撞梁的碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
随着对汽车轻量化要求的提出，汽车上安装的防撞梁也逐渐向轻量化方向发展。碳纤维是一种含碳量高于95％的高强度、高模量的新型纤维材料。为了使防撞梁同时满足轻量化和较佳的抗拉轻度，通常在防撞梁中加入碳纤维。
申请日为2011年12月5日、申请号为201110398165.5的中国专利公开了一种汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料及汽车防撞梁的制作方法，其中汽车防撞梁由原材料碳纤维和聚苯硫醚树脂按照多层结构上下交替排布制得主体结构，并且在主体结构的两侧分别固定聚酰亚胺薄膜制备预浸料，预浸料通过热压成型制得碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。
以上方法制得的防撞梁复合材料将碳纤维浸渍在树脂基体中提高碳纤维的界面结合力，但是当多层碳纤维层互相叠加时，若仅在碳纤维外侧浸渍树脂，受到外力时，相邻的碳纤维层之间容易发生滑移，影响防撞梁的抗拉强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于防撞梁的碳纤维复合材料，其具有较佳的抗拉强度和较好的层间剪切强度。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于防撞梁的碳纤维复合材料，包括依次交替排布的第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层，第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层的层数分别为4-6层；
第一碳纤维浸渍层按照如下方法制得：第一碳纤维织物在第一环氧树脂中浸渍、加压成型；
第二碳纤维浸渍层按照如下方法制得：第二碳纤维织物表面采用气相氧化制得第二氧化碳纤维织物，第二氧化碳纤维织物在第二环氧树脂中浸渍、加压成型；第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层排布完成后，加热加压制得用于防撞梁的碳纤维复合材料。
采用以上技术方案，第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层交替排布，其中第二碳纤维浸渍层中的第二碳纤维织物预先进行氧化处理，提高第二碳纤维织物与第二环氧树脂的界面结合作用力。将第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层交替排布，弥补由于氧化造成的第二碳纤维织物抗拉强度降低的缺陷。按照以上方法排布，制得的用于防撞梁的碳纤维复合材料具有较佳的层间剪切强度和抗拉强度。
进一步地，第一碳纤维织物和第二碳纤维织物选择平纹织物、斜纹织物或者缎纹织物中的一种。
按照上述方法编织的第一碳纤维织物和第二碳纤维织物受力均匀，便于使用。
进一步地，第一环氧树脂中加入固化剂和短切碳纤维搅拌混合制得第一浸渍液，固化剂的加入量为第一环氧树脂总重量的15-20％，短切碳纤维的加入量为第一环氧树脂总重量的10-15％。
第一环氧树脂中搅拌混合短切碳纤维，之后在热压过程中，部分短切碳纤维插入第一碳纤维织物中或者与第一碳纤维织物表面接触，进一步提高第一碳纤维织物和第一环氧树脂的界面结合力。
优选地，短切碳纤维的长度为6-10mm。
短切碳纤维在该长度范围内，可进一步提高第一碳纤维织物和第一环氧树脂的界面结合作用力。
进一步地，第一碳纤维浸渍层按照如下方法制得：第一碳纤维织物在第一浸渍液中以体积比为1:2-3的比例浸渍20-30min，在温度为100-120℃，压力为0.1-0.3MPa的条件下热压10-20min成型。
采用以上技术方案，第一碳纤维织物在以上条件下与第一环氧树脂热压成型，提高第一碳纤维织物与第一环氧树脂的界面结合作用力。
进一步地，第二环氧树脂中加入固化剂搅拌混合制得第二浸渍液，固化剂的加入量为第二环氧树脂总重量的15-20％；第二氧化碳纤维织物与第二浸渍液以体积比为1:2-3的比例浸渍混合，并且在温度为160-170℃、压力为0.1-0.2MPa的条件下热压10-15min成型。
采用以上技术方案，第二氧化碳纤维织物经过氧化处理后，表面形成多个含氧官能团，其可以作为锚固点，增大第二氧化碳纤维织物与第二环氧树脂的界面结合作用力。
进一步地，第二碳纤维织物在丙酮中浸泡2-3h，放于质量百分数为30-50％的硝酸中浸渍1-3h，晾干后在臭氧气氛下，在230-300℃之间恒温1-2h制得第二氧化碳纤维织物。
采用以上技术方案，第二碳纤维织物进行氧化处理时，预先去除第二碳纤维织物表面的上浆剂，再使用硝酸和臭氧对第二碳纤维织物进行氧化处理，增加第二碳纤维织物表面的锚固点，提高第二碳纤维织物和第二环氧树脂的界面结合。
进一步地，第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层交替排布，并且在温度为80-90℃、压力为1-3MPa下热压20-30min成型。
采用以上技术方案，将第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层交替排布，并进行热压处理，进一步提高第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层的界面结合强度，使最终制得的用于防撞梁的碳纤维复合材料具有较佳的抗拉强度和较好的层间剪切强度。
本发明的另一目的在于提供一种用于防撞梁的碳纤维复合材料的制备方法，其具有工艺简单，普适性强的特点。
本发明的上述目的通过以下技术方案得以实现：一种用于防撞梁的碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、第一碳纤维浸渍层的制备：在第一环氧树脂中加入固化剂和短切碳纤维制得第一浸渍液，固化剂的加入量为第一环氧树脂总重量的15-20％，短切碳纤维的加入量为第一环氧树脂总重量的10-15％；
第一碳纤维织物与第一浸渍液以体积比为1:2-3的比例浸渍20-30min，并且在温度为100-120℃、压力为0.1-0.3MPa的条件下热压10-20min成型制得第一碳纤维浸渍层；
S2、第二碳纤维浸渍层的制备：第二环氧树脂中加入固化剂制得第二浸渍液，固化剂的加入量为第二环氧树脂总重量的15-20％；
第二碳纤维织物在丙酮中浸泡2-3h，取出晾干后，在质量百分数为30-50％的硝酸溶液中浸渍1-3h；待晾干后在臭氧气氛下，于230-300℃下恒温1-2h制得第二氧化碳纤维织物；
第二氧化碳纤维织物与第二浸渍液以体积为1:2-3的比例浸渍混合，并且在温度为160-170℃、压力为0.1-0.3MPa下热压10-20min制得第二碳纤维浸渍层；
S3、用于防撞梁的碳纤维复合材料的制备：第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层交替排布后，在温度为80-90℃、压力为1-3MPa下热压20-30min制得用于防撞梁的碳纤维复合材料。
采用以上方法制备用于防撞梁的碳纤维复合材料，预先在第一环氧树脂中加入短切碳纤维，提高第一碳纤维织物与第一环氧树脂的界面结合强度；此外，对第二碳纤维织物进行氧化处理，提高第二碳纤维织物的表面粗糙度，增加第二碳纤维织物与第二环氧树脂的界面粘结强度；最后，对第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层进行交替排布，增加用于防撞梁的碳纤维复合材料的整体抗拉强度和层间剪切强度。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明制得的用于防撞梁的碳纤维复合材料具有较佳的抗拉强度，多层第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层交替排布，利用碳纤维本身的高强度特性，结合碳纤维织物的编织排布，提高用于防撞梁的碳纤维复合材料的抗拉强度；
2、本发明制得的用于防撞梁的碳纤维复合材料具有较佳的层间剪切强度，第一碳纤维浸渍层中第一碳纤维织物与第一环氧树脂结合，增加第一碳纤维浸渍层的界面结合作用力；对第二碳纤维织物进行氧化处理，提高第二碳纤维浸渍层的界面结合力；在热压条件下最终得到的用于防撞梁的碳纤维复合材料具有较佳的层间剪切强度。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一：一种用于防撞梁的碳纤维复合材料，包括5层第一碳纤维浸渍层和5层第二碳纤维浸渍层，第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层交替排布；第一碳纤维浸渍层按照如下方法制得：
在100kg第一环氧树脂中加入10kg长度为6mm的短切碳纤维和15kg固化剂(本实施例中固化剂选择二氨基二苯基砜)搅拌混合制得第一浸渍液；
第一碳纤维织物与第一浸渍液以体积比为1:2的比例浸渍20min，并且在温度为100℃、压力为0.1MPa的条件下热压10min成型制得第一碳纤维浸渍层。
第二碳纤维浸渍层按照如下方法制得：
第二碳纤维织物与丙酮以体积比为1:5的比例混合浸泡2h，取出晾干后，在质量百分数为30％的硝酸溶液中浸渍1h；待晾干后在臭氧气氛下，于230℃下恒温1h制得第二氧化碳纤维织物；
100kg第二环氧树脂中加入15kg固化剂(本实施例中固化剂选择二氨基二苯基砜)制得第二浸渍液；
第二氧化碳纤维织物与第二浸渍液以体积为1:2的比例浸渍混合，并且在温度为160℃、压力为0.1MPa下热压15min制得第二碳纤维浸渍层。
第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层交替排布后，在温度为80℃、压力为3MPa下热压20min制得用于防撞梁的碳纤维复合材料。
其余实施例与实施例一的区别在于工艺条件不同，具体如表1所示。
表1各实施例制得的用于防撞梁的碳纤维复合材料的工艺条件
Figure BDA0001560855440000051
Figure BDA0001560855440000061
以上各实施例中第一碳纤维织物和第二碳纤维织物所用的碳纤维均为聚丙烯腈3K碳纤维。对各实施例制得的用于防撞梁的碳纤维复合材料按照JC/T773-2010的标准进行层间剪切强度的测试，按照GB3362-2005进行抗拉强度的测试，具体测试结果如表2所示。
表2各实施例制得的用于防撞梁的碳纤维复合材料的性能测试结果
Figure BDA0001560855440000062
对比例一：一种用于防撞梁的碳纤维复合材料，其与实施例一的区别在于：未添加短切碳纤维。
对比例二：一种用于防撞梁的碳纤维复合材料，其与实施例一的区别在于：未对第二碳纤维织物进行硝化处理。
对比例三：一种用于防撞梁的碳纤维复合材料，其与实施例一的区别在于：未对第二碳纤维织物进行臭氧氧化处理。
对比例四：一种用于防撞梁的碳纤维复合材料，其与实施例一的区别在于：未对第二碳纤维织物进行硝化和臭氧氧化处理。
对以上各对比例制得的用于防撞梁的碳纤维复合材料做与实施例相同的性能测试，具体测试结果如表3所示。
表3各对比例的测试结果
Figure BDA0001560855440000071
由以上检测结果可知，采用以上各实施例制得的用于防撞梁的碳纤维复合材料，均具有较佳的抗拉强度和层间剪切强度。若未在第一环氧树脂中添加短切碳纤维或者未对第二碳纤维织物进行表面处理，最终制得的用于防撞梁的碳纤维复合材料的层间剪切强度和抗拉强度均较差。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种用于防撞梁的碳纤维复合材料，其特征在于：包括依次交替排布的第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层，第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层的层数分别为4-6层；
第一碳纤维浸渍层按照如下方法制得：第一碳纤维织物在第一环氧树脂中浸渍、加压成型；
第二碳纤维浸渍层按照如下方法制得：第二碳纤维织物表面采用气相氧化制得第二氧化碳纤维织物，第二氧化碳纤维织物在第二环氧树脂中浸渍、加压成型；
第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层排布完成后，加热加压制得用于防撞梁的碳纤维复合材料；
其制备方法包括如下步骤：
S1、第一碳纤维浸渍层的制备：在第一环氧树脂中加入固化剂和短切碳纤维制得第一浸渍液，固化剂的加入量为第一环氧树脂总重量的15-20%，短切碳纤维的加入量为第一环氧树脂总重量的10-15%；
第一碳纤维织物与第一浸渍液以体积比为1:2-3的比例浸渍20-30min，并且在温度为100-120℃、压力为0.1-0.3MPa的条件下热压10-20min成型制得第一碳纤维浸渍层；
S2、第二碳纤维浸渍层的制备：第二环氧树脂中加入固化剂制得第二浸渍液，固化剂的加入量为第二环氧树脂总重量的15-20%；
第二碳纤维织物在丙酮中浸泡2-3h，取出晾干后，在质量百分数为30-50%的硝酸溶液中浸渍1-3h；待晾干后在臭氧气氛下，于230-300℃下恒温1-2h制得第二氧化碳纤维织物；
第二氧化碳纤维织物与第二浸渍液以体积为1:2-3的比例浸渍混合，并且在温度为160-170℃、压力为0.1-0.3MPa下热压10-20min制得第二碳纤维浸渍层；
S3、用于防撞梁的碳纤维复合材料的制备：第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层交替排布后，在温度为80-90℃、压力为1-3MPa下热压20-30min制得用于防撞梁的碳纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的用于防撞梁的碳纤维复合材料，其特征在于：第一碳纤维织物和第二碳纤维织物选择平纹织物、斜纹织物或者缎纹织物中的一种。
3.根据权利要求1所述的用于防撞梁的碳纤维复合材料，其特征在于：短切碳纤维的长度为6-10mm。
4.一种如权利要求1所述的用于防撞梁的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、第一碳纤维浸渍层的制备：在第一环氧树脂中加入固化剂和短切碳纤维制得第一浸渍液，固化剂的加入量为第一环氧树脂总重量的15-20%，短切碳纤维的加入量为第一环氧树脂总重量的10-15%；
第一碳纤维织物与第一浸渍液以体积比为1:2-3的比例浸渍20-30min，并且在温度为100-120℃、压力为0.1-0.3MPa的条件下热压10-20min成型制得第一碳纤维浸渍层；
S2、第二碳纤维浸渍层的制备：第二环氧树脂中加入固化剂制得第二浸渍液，固化剂的加入量为第二环氧树脂总重量的15-20%；
第二碳纤维织物在丙酮中浸泡2-3h，取出晾干后，在质量百分数为30-50%的硝酸溶液中浸渍1-3h；待晾干后在臭氧气氛下，于230-300℃下恒温1-2h制得第二氧化碳纤维织物；
第二氧化碳纤维织物与第二浸渍液以体积为1:2-3的比例浸渍混合，并且在温度为160-170℃、压力为0.1-0.3MPa下热压10-20min制得第二碳纤维浸渍层；
S3、用于防撞梁的碳纤维复合材料的制备：第一碳纤维浸渍层和第二碳纤维浸渍层交替排布后，在温度为80-90℃、压力为1-3MPa下热压20-30min制得用于防撞梁的碳纤维复合材料。
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