CN108624000A - 一种新型碳纤维复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种新型碳纤维复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括：将碳纤维丝束浸渍到含有环氧树脂的浸胶液中，通过拉挤成型工艺制得。本发明通过采用拉挤成型工艺得到性能优异的碳纤维复合材料，具有强度高、质量轻、韧性好、表面光滑、耐腐蚀等特点；其质量约为普通钢材的1/5，铝合金材质的1/2；强度增强约为普通钢材的8‑10倍以上，铝合金材质的6‑7倍以上；其弹性模量优于钢材，具有优异的抗蠕变性能、抗震性。采用本发明所得碳纤维复合材料制得主要承载结构，如高速列车设备的舱边梁，具有工艺效率高、成型工艺质量优等特点。

Description

一种新型碳纤维复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种新型碳纤维复合材料及其制备方法和应用，属于轨道交通新材料应用技术领域。
背景技术
碳纤维因其优秀的性能越来越受到轨道车辆研制企业的关注及采用，发展潜力巨大。碳纤维复合材料与传统轻量化材料相比，密度小，强度高，模量高，适合用作轨道交通的轻量化、环保材料。碳纤维复合材料的应用已逐步由车体内饰、车内设备等非常承载结构零件向车体、转向架构架、设备舱、司机室等承载构件发展。
目前高速列车设备的舱边梁主要以铝合金材质为主，其存在质量重，强度低等缺陷。为了改善这一现状，特提出本发明。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种新型碳纤维复合材料，其应用于高速列车用设备舱边梁，具有强度高、性能优、质量轻、耐腐蚀等优点。
本发明采用如下方案实现的。
一种碳纤维复合材料的制备方法，包括：将碳纤维丝束浸渍到含有环氧树脂的浸胶液中，通过拉挤成型工艺制得。
其中，所述碳纤维丝束选用大丝束，优选24K的T300大丝束。
所述环氧树脂具体选自双酚F型环氧树脂、多酚型缩水甘油醚环氧树脂、双酚S型环氧树脂等中的一种或多种。
所述浸胶液中环氧树脂的粘度为700-1800Pa.s(25℃)。
作为本发明的实施方式之一，所述浸胶液包括如下重量份的组分：环氧树脂75-85份、填料5-8份、固化剂3-8份、内脱模剂3-8份。
所述填料选自硅微粉、石英粉、石英砂、碳酸钙、滑石粉、二氧化硅(气相/沉淀)、云母粉、刚玉粉等中的一种或多种。
所述固化剂选自脂肪胺、脂环胺、芳香胺、聚酰胺、酸酐、树脂类、叔胺等中的一种或多种。
所述内脱模剂选自本领域常用的内脱模剂。
所述拉挤成型工艺包括：将碳纤维丝束除湿、布纱、排纱、浸胶、预定型、加热固化成型、后固化、冷却。
其中，所述浸胶过程中速率为1-1.5cm/s。
所述预定型装置采用普通钢制模具。
所述加热固化成型的条件为：温度160-180℃，加热方式采用微波加热或高频加热。优选地，本发明所述加热固化成型的模口模具采用2713号强韧钢。
所述后固化的条件为：温度为40-60℃，放置24小时。
在所述拉挤成型工艺中，牵引速度为1-1.5cm/s。
在所述拉挤成型工艺中，本领域技术人员可根据实际需求选择所掌握的适用于所述工艺的各类模具。如舱边梁的模具，或其它设备部件的模具。
所述拉挤成型工艺所使用的设备包括：碳纤维供给装置、树脂浸渍槽、预成型装置、加热成型模口、拉拔装置、切割装置6部分。
作为本发明所述碳纤维复合材料的制备方法的实施方式之一，包括：
步骤一：制作模具；
步骤二：将碳纤维丝束除湿，布纱，控制牵引速度为1-1.5cm/s；
步骤三：将环氧树脂、填料、固化剂、内脱模剂按照一定比例混合，均匀；
步骤四：将牵引出的碳纤维浸入上述混合液中浸胶，确保碳纤维丝束浸润完全，无干丝；
步骤五：浸胶后的碳纤维丝束进行预成型、加热成型固化，发生反应交联；加热方式采用微波加热或高频加热，逐步升温至120-130℃，保持时间3小时，升温至150-180℃，保持时间1小时；
步骤六：进行后固化处理，温度为40-60℃；
步骤七：后固化反应完成后，冷却到常温，脱模得到碳纤维复合材料。
根据模具选择，得到相应的型材；如高速列车设备的舱边梁。
本发明还提供上述制备方法得到的碳纤维复合材料。
本发明还提供一种高速列车复合材料设备舱边梁，其由包括上述制备方法得到的碳纤维复合材料制得；所述舱边梁优选为高速列车的舱边梁。所述舱边梁截面为不规则形状，可根据碳纤维复合材料制件的承载要求调整截面形状，厚度变化范围在7.5mm-8mm之间，长度在27m-30m之间。该设备舱边梁形状可以最大程度的受力和传递载荷。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过采用拉挤成型工艺得到性能优异的碳纤维复合材料，可作为主要承载结构材质，如高速列车设备的舱边梁。采用拉挤成型工艺所得到的碳纤维复合材料的长度可实现30m的要求。
所得碳纤维复合材料表面富树脂，具有强度高、质量轻、韧性好、表面光滑、耐腐蚀等特点；其质量约为普通钢材的1/5，铝合金材质的1/2；强度增强约为普通钢材的8-10倍以上，铝合金材质的6-7倍以上；其弹性模量优于钢材，具有优异的抗蠕变性能、耐腐蚀性和抗震性。
采用本发明所得碳纤维复合材料制得主要承载结构，如高速列车设备的舱边梁，具有工艺效率高、成型工艺质量优等特点。
附图说明
图1为本发明所述新型碳纤维复合材料高速列车用设备舱边梁及其制备方法的结构示意图。
图2为本发明所述新型碳纤维复合材料高速列车用设备舱边梁及其制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明中，所采用的拉挤设备，包括：碳纤维供给装置、树脂浸渍槽、预成型装置、加热成型模口、拉拔装置、切割装置6部分。
所述拉挤工艺过程包括：布纱，除湿处理、排纱、浸胶、预定型、加热固化成型、后固化、冷却、拉拔牵引、切割十个步骤。
实施例1一种新型碳纤维复合材料的制备方法
本实施例提供一种新型碳纤维复合材料的制备方法，包括：
步骤一：制作模具；
步骤二：将碳纤维丝束除湿，布纱，控制牵引速度为1.3cm/s；
步骤三：将双酚F型环氧树脂40Kg、填料4Kg、固化剂3Kg、内脱模剂3Kg按照一定比例混合，均匀；
步骤四：将牵引出的碳纤维浸入上述混合液中浸胶，确保碳纤维丝束浸润完全，无干丝；浸胶速率为1.3cm/s；
步骤五：浸胶后的碳纤维丝束进行预成型、加热成型固化，发生反应交联；加热方式采用微波加热或高频加热，逐步升温至温度为170℃；
步骤六：进行后固化处理，温度为50℃；
步骤七：后固化反应完成后，冷却到常温，脱模得到碳纤维复合材料。
上述模具选择高速列车设备的舱边梁的模具。
经测试，本实施例所得碳纤维复合材料制得的高速列车用设备舱边梁的重量较原来的铝合金边梁降低40％，拉伸强度较原铝合金的强度提高6-7倍。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将碳纤维丝束浸渍到含有环氧树脂的浸胶液中，通过拉挤成型工艺制得。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述环氧树脂选自双酚F型环氧树脂、多酚型缩水甘油醚环氧树脂、双酚S型环氧树脂中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述浸胶液粘度为700-1800Pa.s。
4.根据权利要求1-3任一所述的制备方法，其特征在于，所述浸胶液包括如下重量份的组分：环氧树脂75-85份、填料5-8份、固化剂3-8份、内脱模剂3-8份。
5.根据权利要求1-4任一所述的制备方法，其特征在于，所述拉挤成型工艺包括：将碳纤维丝束除湿、布纱、排纱、浸胶、预定型、加热固化成型、后固化、冷却。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述浸胶过程中速率为1-1.5cm/s。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述加热固化成型的条件为：温度160-180℃。
8.根据权利要求5-7任一所述的制备方法，其特征在于，所述后固化的条件为：温度为40-60℃。
9.权利要求1-8任一所述制备方法得到的碳纤维复合材料。
10.一种舱边梁，其特征在于，由包括权利要求9所述制备方法得到的碳纤维复合材料制得；
优选地，所述舱边梁优选为高速列车的舱边梁；
进一步优选地，所述舱边梁截面为不规则形状，厚度变化范围在7.5mm-8mm之间，长度在27m-30m之间。
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