CN109184074B - 一种高强度大变形碳纤维复合板及其制备方法 - Google Patents

一种高强度大变形碳纤维复合板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度大变形碳纤维复合板及其制备方法。这种高强度大变形碳纤维复合板，由椭圆形内核、碳纤维外皮和碳纤维螺旋扣组成。内核可由3D打印机实现用于塑造碳纤维外皮成波浪形，该椭圆形内核由多组碳纤维外皮包裹而成，每组碳纤维外皮由一对等宽的碳纤维布条制成并通过环氧树脂胶粘接在内核表面，这对碳纤维外皮在内核两端处缠绕成碳纤维螺旋扣以防止碳纤维外边间的剥离和外皮与内核间的脱离；最后将缠绕包裹后的碳纤维复合结构浸泡在环氧树脂胶里浸泡，固化后即得该碳纤维复合板。本发明的碳纤维复合板材料轻质高强，抗拉强度大，变形能力大，变形的应力‑应变性能可以通过打印不同的内核结构而预先设计。

Description

一种高强度大变形碳纤维复合板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度大变形碳纤维复合板及其制备方法，属于新材料制备技术领域。
背景技术
传统的碳纤维复合材料具有轻质高强且耐腐蚀的特性，是理想的受拉材料，目前已经被广泛地运用于航空航天、土木工程、船舶工程等领域中。但因其变形能力差，且容易发生脆性断裂破坏，这一性能短板使得碳纤维复合材料无法满足现有规范对于变形能力的设计要求，从而大大局限了其在航空航天，土木工程、船舶工程等领域中的应用。
目前有人提出了一种新型夹层复合结构，该结构是由对称的波纹碳纤维复合材料和可挤压的泡沫内核组成。在拉伸荷载作用下，纤维外壳挤压泡沫内核，内核发生大变形使纤维外壳沿荷载作用方向伸展。但是，这种复合结构的变形范围存在有局限性，其大变形范围仅在低应力的前半阶段有所表现，由于纤维外壳与泡沫内核容易发生开裂，大变形无法在高应力阶段实现，这大大局限了其使用范围和降低了其使用的可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高强度、高应力下可稳定产生大变形、且变形性能可预先设计的碳纤维复合板及其制备方法，该复合材料包括可根据需求而设计的椭圆状内核结构、并通过3D打印技术来实现不同的内核结构用于控制内核在碳纤维外皮挤压下的变形，碳纤维外皮粘接在内核表面提供抗拉强度，碳纤维外皮在内核两端扭转成碳纤维螺旋扣以防止内核两端处脱离。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
本发明的一种高强度大变形的碳纤维复合板，其由椭圆形内核、碳纤维外皮和碳纤维螺旋扣组成，椭圆形内核由碳纤维外皮包裹住，椭圆形内核两端由扭转的碳纤维螺旋扣连接，即外皮在内核两端扭转成螺旋扣以防止两端处脱离，碳纤维外皮粘连在椭圆形内核的上下两面；
一种高强度大变形的碳纤维复合板的制备方法，其为以下步骤：
1)用3D打印机打印椭圆形内核；
2)用多组(每组两条)等宽的碳纤维布条缠绕包裹住椭圆形内核，椭圆形内核之间通过扭转的碳纤维螺旋扣打结固定；
3)将步骤2)缠绕包裹且打结固定后的结构在环氧树脂胶里浸泡2-5min，浸泡后取出放入烘干箱中60℃固化72小时，或室温下固化一周，即得。
所述步骤3)中，缠绕包裹且打结固定后的结构在环氧树脂胶里浸泡之前，打结固定后的结构两端的碳纤维布要固定好，防止在浸泡过程中散落。
碳纤维螺旋扣的每组碳纤维外皮由一对等宽的碳纤维布条制成并通过环氧树脂胶粘接在内核表面，运用多组碳纤维外皮均匀地缠绕包裹住椭圆形内核，每组外皮在内核两端扭转成螺旋扣以防止两端处脱离。椭圆形内核的材质是先下最为广泛应用的ABS打印材料。该碳纤维复合板在拉力的作用下，碳纤维外皮将收缩并挤压内核。在内核的弹性变形阶段，少量的碳纤维外皮将被展开。内核的塑性变形将会展开大量的碳纤维外皮，使该碳纤维复合板材拥有大变形的能力。通过控制内核的几何尺寸与构造，可以控制内核在外皮挤压下的力学性能，以实现应力应变性能预先设计的碳纤维复合板材。本专利的特点在于运用扭转碳纤维螺旋扣来连接多个内核。如图所示碳纤维螺旋扣是由碳纤维外皮在内核之间扭转形成，用以防止碳纤维外皮在内核连接处的剥离。
本专利提出了一种新的碳纤维复合材料设计理念，该复合材料包括可根据需求而设计的椭圆状内核结构(通过3D打印技术来实现不同的内核结构用于控制内核在碳纤维外皮挤压下的变形)、碳纤维外皮(粘接在内核表面提供抗拉强度)和碳纤维螺旋扣(防止碳纤维外皮在内核的边缘处因应力集中开裂)。在拉力作用下，碳纤维外皮受力收缩挤压内核。内核在外皮的挤压下受力发生变形，使碳纤维外皮可以逐渐展开。当内核产生较大的塑性变形时，大量的外层碳纤维外皮得以展开从而实现较大的变形，并且通过控制改变内核的结构形状来控制内核的变形，从而实现控制该碳纤维复合板材的变形。
这种新型碳纤维复合材料结构质量轻盈，抗拉强度大，能够适应更多强度与硬度的内核，在更高应力下实现更加稳定的塑性变形，应力应变关系可以通过设计改变内核结构的方法得以控制，并且该结构能够有效抵抗在外力作用下纤维边缘的扭转开裂。因此，该技术不但提高了现有碳纤维复合材料的变形能力，实现了塑性破坏，而且比现有的设计方法制作更简便，效率更高，材料来源获取更方便，有效的改善了目前现有复合结构的缺陷。
适合更多强度与硬度的内核，在更高应力下实现更加稳定的塑性变形，应力与应变关系可以通过改变内核结构的方法得以设计与控制，因此该技术不但提高了现有碳纤维复合材料变形能力，因此拥有更广阔的应用范围，可以更加广泛地运用于航空航天、土木工程、船舶工程等领域。
本发明由3D打印的椭圆状内核结构、碳纤维外皮和碳纤维螺旋扣组成的复合结构，可以在更高应力作用下实现更加稳定的塑性变形，并可以通过设计改变内核结构，达到控制复合结构应力应变的效果。这一新型碳纤维复合结构将会符合航空航天、船舶工程以及土木工程等领域的需求。
这种新型碳纤维复合材料结构质量轻盈，抗拉强度大，能够适应更多强度与硬度的内核，在更高应力下实现更加稳定的塑性变形，应力应变关系可以通过设计改变内核结构的方法得以控制。并且该结构能够有效抵抗在外力作用下纤维边缘的扭转开裂(碳纤维螺旋扣结构使复合结构在拉伸载荷下通过缠绕的碳纤维与内核表面紧密结合，能够有效的阻止在荷载作用下因内核变形使碳纤维边缘应力集中而导致的开裂)。因此，该技术不但提高了现有碳纤维复合材料的变形能力，实现了塑性破坏，而且比现有的设计方法制作更简便，效率更高，材料来源获取更方便，有效的改善了目前现有复合结构的缺陷。
本发明的有益效果是：本发明的材料轻质高强，变形能力大，能够适应更多强度与硬度的内核，在更高应力下实现更加稳定的塑性变形，本专利的制备方法简单，抛弃原有的模具方式，用3D任打印所需的形状，可以任意设计所需的应力应变结构。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明碳纤维螺旋扣局部放大。
图3为本发明实施例1在拉伸试验下得到的非线性应力应变关系图。
图4为本发明实施例2在拉伸试验下得到的非线性应力应变关系图。
图5为本发明实施例3在拉伸试验下得到的非线性应力应变关系图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明进行详细说明，如图1和2所示，本实施例的一种高强度大变形碳纤维复合板，由椭圆形内核1、碳纤维外皮2和碳纤维螺旋扣3组成，椭圆形内核1的两端由碳纤维螺旋扣3连接，碳纤维外皮2粘连在椭圆形内核1的上下两面；
一种高强度大变形且变形性能可预先设计的碳纤维复合板的制备方法，其为以下步骤：
(1)用3D打印机打印椭圆形内核；
(2)用多组(每组两条)等宽的碳纤维布条缠绕包裹住椭圆形内核，椭圆形内核之间通过扭转的碳纤维螺旋扣打结固定；
(3)将步骤(2)缠绕包裹后的结构在环氧树脂胶里浸泡2-5min，浸泡后取出放入烘干箱中60℃固化72小时，或室温下固化一周，即得。
所述步骤(3)中，打结固定后的结构在环氧树脂胶里浸泡之前，打结固定后的结构两端的碳纤维布要固定好，防止在浸泡过程中散落。
在拉力作用下，碳纤维外皮2受力收缩挤压椭圆形内核1，椭圆形内核1在碳纤维外皮2的挤压下受力发生变形，使碳纤维外皮2可以逐渐展开，当椭圆形内核1产生较大的塑性变形时，大量的外层碳纤维外皮2得以展开实现较大的变形，并且通过控制改变椭圆形内核1的结构形状来控制椭圆形内核1的变形，从而实现控制该碳纤维复合板材变形的效果。并且碳纤维螺旋扣3会有效抵制因椭圆形内核1变形造成的碳纤维边缘扭转开裂。
实施例1
一种高强度大变形且变形性能可预先设计的碳纤维复合板，由一个椭圆形内核1(内核的跨度为24mm、高度为4mm、内核壁厚2mm、中间支撑厚度为2mm)、碳纤维外皮2和碳纤维螺旋扣3组成，椭圆形内核1的两端由碳纤维螺旋扣3连接，碳纤维外皮2粘连在椭圆形内核1的上下两面；
一种高强度大变形且变形性能可预先设计的碳纤维复合板的制备方法，其为以下步骤：
(1)用3D打印机打印椭圆形内核；
(2)用多组(每组两条)等宽的碳纤维布条缠绕包裹住椭圆形内核，椭圆形内核之间通过扭转的碳纤维螺旋扣打结固定；
(3)将步骤(2)缠绕包裹后的结构在环氧树脂胶里浸泡2min，浸泡后取出放入烘干箱中60℃固化72小时，即得。
所述步骤(3)中，打结固定后的结构在环氧树脂胶里浸泡之前，打结固定后的结构两端的碳纤维布要固定好，防止在浸泡过程中散落。
如图3所示，为本实施例在拉力试验下得到的非线性应力应变关系图。
实施例2
为了得到更大的变形能力，碳纤维复合板被设计为由一个跨度更小的椭圆形内核1(内核的跨度为20mm、高度为4mm、内核壁厚2mm、中间支撑厚度为2mm)、碳纤维外皮2和碳纤维螺旋扣3组成，椭圆形内核1的两端由碳纤维螺旋扣3连接，碳纤维外皮2粘连在椭圆形内核1的上下两面；
一种高强度大变形碳纤维复合板的制备方法，其为以下步骤：
(1)用3D打印机打印椭圆形内核1；
(2)用两块等宽的碳纤维布条缠绕包裹住椭圆形内核1，椭圆形内核1之间通过碳纤维螺旋扣3打结固定；
(3)将步骤(2)打结固定后的结构在环氧树脂胶里浸泡3min，浸泡后取出，在室温下固化一周，即得。
所述步骤(3)中，打结固定后的结构在环氧树脂胶里浸泡之前，打结固定后的结构两端的碳纤维布要固定好，防止在浸泡过程中散落。
如图4所示，为本实施例在拉力试验下得到的非线性应力应变关系图。
实例1和2证明，该碳纤维复合板可以实现高应力下的大变形非线性力学性能，且该力学性能可以通过改变内核结构得以预先设计。
实施例3
一种高强度大变形碳纤维复合板，由多个椭圆形内核1(内核的跨度为24mm、高度为4mm、内核壁厚2mm、中间支撑厚度为2mm)、碳纤维外皮2和碳纤维螺旋扣3组成，椭圆形内核1的两端由碳纤维螺旋扣3连接，碳纤维外皮2粘连在椭圆形内核1的上下两面；
一种高强度大变形碳纤维复合板的制备方法，其为以下步骤：
(1)用3D打印机打印椭圆形内核；
(2)用多组(每组两条)等宽的碳纤维布条缠绕包裹住椭圆形内核，椭圆形内核之间通过扭转的碳纤维螺旋扣打结固定；
(3)将步骤(2)缠绕包裹后的结构在环氧树脂胶里浸泡4min，浸泡后取出，再室温下固化一周，即得。
所述步骤(3)中，打结固定后的结构在环氧树脂胶里浸泡之前，打结固定后的结构两端的碳纤维布要固定好，防止在浸泡过程中散落。
如图5所示，为本实施例在拉力试验下得到的非线性应力应变关系图。
实例3证明该碳纤维复合板可以通过运用碳纤维螺旋扣和多个内核以达到延长复合板的目的。经过实例1和3的对比发现，经由3个内核延长后的复合板的力学性能和1个内核的力学性能并无明显改变。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高强度大变形碳纤维复合板，其特征在于，由椭圆形内核(1)、碳纤维外皮(2)和碳纤维螺旋扣(3)组成，椭圆形内核(1)由碳纤维外皮(2)包裹住，椭圆形内核(1)两端由扭转的碳纤维螺旋扣(3)连接，碳纤维外皮(2)粘连在椭圆形内核(1)的上下两面，碳纤维螺旋扣(3)的每组碳纤维外皮(2)由一对等宽的碳纤维布条制成并通过环氧树脂胶粘接在内核表面，运用多组碳纤维外皮(2)均匀地缠绕包裹住椭圆形内核，每组碳纤维外皮(2)在椭圆形内核(1)两端扭转成碳纤维螺旋扣(3)以防止两端处脱离。
2.根据权利要求1所述的一种高强度大变形碳纤维复合板的制备方法，其特征在于，为以下步骤：
(1)用3D打印机打印椭圆形内核(1)；
(2)用至少一组等宽的碳纤维布条缠绕包裹住椭圆形内核(1)，椭圆形内核(1)之间通过扭转的碳纤维螺旋扣(3)打结固定；
(3)将步骤(2)缠绕包裹且打结固定后的结构在环氧树脂胶里浸泡2-5min，浸泡后取出放入烘干箱中60℃固化72小时，或室温下固化一周，即得。
3.根据权利要求2所述的一种高强度大变形碳纤维复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，缠绕包裹且打结固定后的结构在环氧树脂胶里浸泡之前，打结固定后的结构两端的碳纤维布要固定好，防止在浸泡过程中散落。
4.根据权利要求1所述的一种高强度大变形碳纤维复合板，其特征在于：碳纤维螺旋扣(3)的每组碳纤维外皮由一对等宽的碳纤维布条制成并通过环氧树脂胶粘接在内核表面，运用多组碳纤维外皮(2)均匀地缠绕包裹住椭圆形内核，每组外皮在内核两端扭转成螺旋扣以防止两端处脱离，椭圆形内核(1)的材质ABS打印材料，该碳纤维复合板在拉力的作用下，碳纤维外皮将收缩并挤压内核。
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