CN109294267A - 一种纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种玄武岩复合材料的制备方法，包括以下步骤：a)将碳纤维和玄武岩纤维在真空条件下与树脂材料充分接触，再经固化，得到纤维复合材料；所述碳纤维的单丝直径为5μm～9μm，面密度为180g/m2～220g/m2；所述玄武岩纤维的单丝直径为9μm～15μm，面密度为270g/m2～330g/m2；所述碳纤维和玄武岩纤维的质量比为1：(2～13)。与现有技术相比，本发明以碳纤维和玄武岩纤维为主体材料，采用特定工艺及条件，制备得到纤维复合材料；采用本发明提供的制备方法得到的纤维复合材料各项力学性能较好且稳定，并且成本低，能够满足新能源汽车壳体及部件使用需求。

Description

一种纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，更具体地说，是涉及一种纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，复合材料已经广泛的应用于新能源汽车、航空航天、交通运输、体育器材等领域。目前市场上所用的纤维大多以碳纤维、玻璃纤维和其他化学纤维为主；其中，碳纤维具有质量轻、高强度、高模量、耐磨损、耐化学腐蚀等优良特性，但是其生产成本较高，价格昂贵，在很大程度上限制了其在市场中的推广应用。而玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但缺点是性脆、耐磨性较差，并且自2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，特殊用途的纤维，如E玻璃和'475'玻璃纤维在2B类致癌物清单中、连续的玻璃纤维在3类致癌物清单中。
玄武岩纤维是以天然的基性玄武岩矿石为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1450-1500℃熔融后制成的纤维，是继碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维。玄武岩纤维在我国分布较广，价格便宜，其纤维制造成本低，而且绿色环保；同时玄武岩纤维具备质量轻、防火隔热、美观和良好的抗拉强度、耐腐蚀、且长期使用不退变、劣化等很多独特的优异性能。相对于碳纤维、玻璃纤维及化学纤维等具有较为明显的优势。
但是，现有技术中的玄武岩纤维复合材料的力学性能还不足以满足一些对力学性能要求比较高的环境，如新能源汽车壳体及部件。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纤维复合材料及其制备方法，采用本发明提供的制备方法得到的纤维复合材料各项力学性能较好且稳定，并且成本低，能够满足新能源汽车壳体及部件使用需求。
本发明提供了一种玄武岩复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将碳纤维和玄武岩纤维在真空条件下与树脂材料充分接触，再经固化，得到纤维复合材料；
所述碳纤维的单丝直径为5μm～9μm，面密度为180g/m2～220g/m2；
所述玄武岩纤维的单丝直径为9μm～15μm，面密度为270g/m2～330g/m2；
所述碳纤维和玄武岩纤维的质量比为1：(2～13)。
优选的，步骤a)中所述玄武岩纤维包括连续玄武岩纤维纱线、玄武岩纤维布和玄武岩纤维预浸料中的一种或多种。
优选的，步骤a)中所述真空条件的真空度为0.09MPa～0.1MPa。
优选的，步骤a)中所述树脂材料选自乙烯基树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和酚醛树脂中的一种或多种。
优选的，步骤a)中所述将碳纤维和玄武岩纤维在真空条件下与树脂材料充分接触的过程具体为：
a1)将碳纤维和玄武岩纤维依次铺设到表面擦拭有脱模剂的模具中，再依次铺设脱模布和导流网，最外层用真空袋密封，之后抽真空；
a2)将形成胶体溶液的树脂材料注入到模具中至完全浸润，使模具中的碳纤维和玄武岩纤维与所述树脂材料充分接触，得到注胶后的样件。
优选的，步骤a1)中所述将碳纤维和玄武岩纤维依次铺设的过程具体为：
先将6层～10层碳纤维铺在模具表面，再将14层～18层玄武岩纤维铺在碳纤维上。
优选的，步骤a1)中所述脱模剂选自硬脂酸锌、机油、液体石蜡和硅胶中的一种或多种。
优选的，步骤a2)中所述注胶后的样件中树脂材料的含量占样件整体质量的25％～40％。
优选的，步骤a)中所述固化的温度为110℃～140℃，时间为2h～4h。
本发明还提供了一种纤维复合材料，由上述技术方案所述的制备方法制备得到。
本发明提供了一种玄武岩复合材料的制备方法，包括以下步骤：a)将碳纤维和玄武岩纤维在真空条件下与树脂材料充分接触，再经固化，得到纤维复合材料；所述碳纤维的单丝直径为5μm～9μm，面密度为180g/m2～220g/m2；所述玄武岩纤维的单丝直径为9μm～15μm，面密度为270g/m2～330g/m2；所述碳纤维和玄武岩纤维的质量比为1：(2～13)。与现有技术相比，本发明以碳纤维和玄武岩纤维为主体材料，采用特定工艺及条件，制备得到纤维复合材料；采用本发明提供的制备方法得到的纤维复合材料各项力学性能较好且稳定，并且成本低，能够满足新能源汽车壳体及部件使用需求。
另外，本发明提供的玄武岩复合材料的制备方法安全环保、成本低，适于工业生产。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种玄武岩复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将碳纤维和玄武岩纤维在真空条件下与树脂材料充分接触，再经固化，得到纤维复合材料；
所述碳纤维的单丝直径为5μm～9μm，面密度为180g/m2～220g/m2；
所述玄武岩纤维的单丝直径为9μm～15μm，面密度为270g/m2～330g/m2；
所述碳纤维和玄武岩纤维的质量比为1：(2～13)。
本发明将碳纤维和玄武岩纤维在真空条件下与树脂材料充分接触，再经固化，得到纤维复合材料。在本发明中，所述碳纤维的单丝直径为5μm～9μm，优选为5μm～7μm；所述碳纤维的面密度为180g/m2～220g/m2，优选为195g/m2～200g/m2。本发明对所述碳纤维的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明优选的实施例中，所述碳纤维为市售碳纤维平纹布，由3K碳纤维编织而成，面密度为198g/m2。
在本发明中，所述玄武岩纤维优选包括连续玄武岩纤维纱线、玄武岩纤维布和玄武岩纤维预浸料中的一种或多种，更优选为玄武岩纤维布。本发明对所述玄武岩纤维的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的上述玄武岩纤维纱线、玄武岩纤维布和玄武岩纤维预浸料的市售商品或自制品均可；其中，玄武岩纤维布和玄武岩纤维预浸料采用平纹或斜纹均可。
在本发明中，所述玄武岩纤维的单丝直径为9μm～15μm，优选为9μm～13μm；所述玄武岩纤维的面密度为270g/m2～330g/m2，优选为290g/m2～310g/m2。在本发明优选的实施例中，所述玄武岩纤维为市售玄武岩纤维平纹布，由264tex纤维编织而成，面密度为300g/m2。
在本发明中，所述碳纤维和玄武岩纤维的质量比为1：(2～13)，优选为1：(3～5)。本发明以碳纤维和玄武岩纤维为主体材料，采用特定工艺及条件，制备得到的纤维复合材料各项力学性能较好且稳定，并且成本低。
在本发明中，所述真空条件的真空度优选为0.09MPa～0.1MPa，更优选为0.092MPa～0.095MPa。
在本发明中，所述树脂材料优选选自乙烯基树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和酚醛树脂中的一种或多种，更优选为乙烯基树脂或环氧树脂。本发明对所述树脂材料的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的上述乙烯基树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和酚醛树脂的市售商品即可。
在本发明中，所述将碳纤维和玄武岩纤维在真空条件下与树脂材料充分接触的过程优选具体为：
a1)将碳纤维和玄武岩纤维依次铺设到表面擦拭有脱模剂的模具中，再依次铺设脱模布和导流网，最外层用真空袋密封，之后抽真空；
a2)将形成胶体溶液的树脂材料注入到模具中至完全浸润，使模具中的碳纤维和玄武岩纤维与所述树脂材料充分接触，得到注胶后的样件。
本发明将碳纤维和玄武岩纤维依次铺设到表面擦拭有脱模剂的模具中，再依次铺设脱模布和导流网，最外层用真空袋密封，之后抽真空。在本发明中，所述将碳纤维和玄武岩纤维依次铺设的过程优选具体为：
先将6层～10层碳纤维铺在模具表面，再将14层～18层玄武岩纤维铺在碳纤维上；
更优选为：
先将8层碳纤维铺在模具表面，再将16层玄武岩纤维铺在碳纤维上。本发明采用上述铺层设计，能够在一定程度上提高最终产品的各项力学性能。
在本发明中，所述脱模剂优选选自硬脂酸锌、机油、液体石蜡和硅胶中的一种或多种，更优选为石脑油。本发明对所述脱模剂的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的上述硬脂酸锌、机油、液体石蜡和硅胶的市售商品即可。在本发明优选的实施例中，所述脱模剂为市售迪瓦922T脱模剂。
本发明对所述脱模布、导流网和真空袋的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售品即可。在本发明中，所述导流网在制品相对的两个方向上设置螺旋管，分别设置进胶口和出胶口；形成胶体溶液的树脂材料通过进胶口注入到模具中，从出胶口流出。
抽真空后，本发明将形成胶体溶液的树脂材料注入到模具中至完全浸润，使模具中的碳纤维和玄武岩纤维与所述树脂材料充分接触，得到注胶后的样件。在本发明中，所述树脂材料的A/B组分在树脂槽中混合均匀，形成胶体溶液，本发明对此没有特殊限制。
静置待胶体溶液气泡消失后注入到模具中至完全浸润玄武岩纤维和碳纤维，实现充分接触，从而得到注胶后的样件；在上述真空条件下，所述注胶后的样件中树脂材料的含量优选占样件整体质量的25％～40％，更优选为30％～35％。
在本发明中，所述固化的装置为固化炉，本发明对此没有特殊限制。在本发明中，所述固化的温度优选为110℃～140℃，更优选为120℃～135℃；所述固化的时间优选为2h～4h，更优选为2h～3h。
本发明提供的玄武岩复合材料的制备方法安全环保、成本低，适于工业生产。
本发明还提供了一种纤维复合材料，由上述技术方案所述的制备方法制备得到。本发明以碳纤维和玄武岩纤维为主体材料，采用特定工艺及条件，制备得到纤维复合材料；采用本发明提供的制备方法得到的纤维复合材料各项力学性能较好且稳定，并且成本低，能够满足新能源汽车壳体及部件使用需求。另外，本发明提供的产品件表观具有碳纤维的纹路，产品件表面美观；相对于纯碳纤维的产品，该种纤维组合及铺层设计在能够满足产品对高性能的要求同时，还能够大幅度降低成本。
本发明提供了一种玄武岩复合材料的制备方法，包括以下步骤：a)将碳纤维和玄武岩纤维在真空条件下与树脂材料充分接触，再经固化，得到纤维复合材料；所述碳纤维的单丝直径为5μm～9μm，面密度为180g/m2～220g/m2；所述玄武岩纤维的单丝直径为9μm～15μm，面密度为270g/m2～330g/m2；所述碳纤维和玄武岩纤维的质量比为1：(2～13)。与现有技术相比，本发明以碳纤维和玄武岩纤维为主体材料，采用特定工艺及条件，制备得到纤维复合材料；采用本发明提供的制备方法得到的纤维复合材料各项力学性能较好且稳定，并且成本低，能够满足新能源汽车壳体及部件使用需求。
另外，本发明提供的玄武岩复合材料的制备方法安全环保、成本低，适于工业生产。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例所用的脱模剂为市售迪瓦922T脱模剂；所用的玄武岩纤维平纹布由吉林省华阳新型复合材料有限公司提供，由264tex纤维编织而成，面密度为300g/m2；所用的碳纤维平纹布由威海光威复合材料有限公司提供，由3K碳纤维编织而成，面密度为198g/m2；所用的脱模布由青岛瑞高公司提供；所用的乙烯基树脂为南通方鑫化工有限公司提供的乙烯基树脂FX-430-200P；所用的环氧树脂为惠柏新材料科技(上海)股份有限公司提供的环氧树脂8927。
实施例1
(1)用脱模剂擦拭模具表面，然后将裁剪好(裁剪成300mm×300mm的形状)的质量比为3：1的玄武岩纤维平纹布和碳纤维平纹布铺设到模具上，先将8层碳纤维布铺在模具表面，再将16层玄武岩纤维布铺在碳纤维布上，然后在玄武岩纤维布表面铺上脱模布，在脱模布上面铺上导流网，然后在制品相对的两个方向上设置螺旋管，分别设置进胶口和出胶口，在最外层用真空袋密封，最后对密封袋抽真空至真空度为0.092MPa～0.095MPa。
(2)将足量的乙烯基树脂的A/B组分在树脂槽中混合均匀，形成胶体溶液，静置待胶体溶液气泡消失后，通过进胶口将上述胶体溶液注入到模具中；在真空压力的条件下，胶体溶液从进胶口进入，将玄武岩纤维平纹布和碳纤维平纹布完全浸润后从出胶口流出，使模具中的制品与所述胶体溶液充分接触；在上述真空压力的条件下，所述乙烯基树脂的含量占样件整体质量的30％。
(3)将注胶后的样件及模具放入固化炉中，135℃下固化2h；待固化完成后，自然冷却到室温，然后将样件从固化炉中取出，撕掉样件表面的脱模布、导流网及真空袋，然后将产品慢慢从模具中取出，对产品边缘进行切割和打磨处理，得到纤维复合材料；上述纤维复合材料的厚度为4±0.2mm。
实施例2
(1)用脱模剂擦拭模具表面，然后将裁剪好(裁剪成300mm×300mm的形状)的质量比为3：1的玄武岩纤维平纹布和碳纤维平纹布铺设到模具上，先将8层碳纤维布铺在模具表面，再将16层玄武岩纤维布铺在碳纤维布上，然后在玄武岩纤维布表面铺上脱模布，在脱模布上面铺上导流网，然后在制品相对的两个方向上设置螺旋管，分别设置进胶口和出胶口，在最外层用真空袋密封，最后对密封袋抽真空至真空度为0.092MPa～0.095MPa。
(2)将足量的环氧树脂的A/B组分在树脂槽中混合均匀，形成胶体溶液，静置待胶体溶液气泡消失后，通过进胶口将上述胶体溶液注入到模具中；在真空压力的条件下，胶体溶液从进胶口进入，将玄武岩纤维平纹布和碳纤维平纹布完全浸润后从出胶口流出，使模具中的制品与所述胶体溶液充分接触；在上述真空压力的条件下，所述乙烯基树脂的含量占样件整体质量的30％。
(3)将注胶后的样件及模具放入固化炉中，135℃下固化2h；待固化完成后，自然冷却到室温，然后将样件从固化炉中取出，撕掉样件表面的脱模布、导流网及真空袋，然后将产品慢慢从模具中取出，对产品边缘进行切割和打磨处理，得到纤维复合材料；上述纤维复合材料的厚度为4±0.2mm。
对比例
(1)用脱模剂擦拭模具表面，然后将裁剪好(裁剪成300mm×300mm的形状)的玄武岩纤维平纹布铺设到模具上，将20层玄武岩纤维布铺在模具表面，然后在玄武岩纤维布表面铺上脱模布，在脱模布上面铺上导流网，然后在制品相对的两个方向上设置螺旋管，分别设置进胶口和出胶口，在最外层用真空袋密封，最后对密封袋抽真空至真空度为0.092MPa～0.095MPa。
(2)将足量的环氧树脂的A/B组分在树脂槽中混合均匀，形成胶体溶液，静置待胶体溶液气泡消失后，通过进胶口将上述胶体溶液注入到模具中；在真空压力的条件下，胶体溶液从进胶口进入，将玄武岩纤维平纹布和碳纤维平纹布完全浸润后从出胶口流出，使模具中的制品与所述胶体溶液充分接触；在上述真空压力的条件下，所述乙烯基树脂的含量占样件整体质量的30％。
(3)将注胶后的样件及模具放入固化炉中，135℃下固化2h；待固化完成后，自然冷却到室温，然后将样件从固化炉中取出，撕掉样件表面的脱模布、导流网及真空袋，然后将产品慢慢从模具中取出，对产品边缘进行切割和打磨处理，得到纤维复合材料；上述纤维复合材料的厚度为4±0.2mm。
对本发明实施例1～2及对比例提供的纤维复合材料按照国标要求，用HD40型号线切割将板材切割成测试样条，采用DNS100型号万能拉力试验机对样件进行拉伸、压缩、弯曲、面内剪切实验检测，测试结果参见表1所示。
表1本发明实施例1～2及对比例提供的纤维复合材料的各项性能数据
由表1可知，本发明实施例1～2提供的制备方法得到的纤维材料相比对比例力学性能大幅度提高；另外，在各项性能能够满足当今新能源汽车壳体及部件使用需求的基础上，成本比现有技术中的纯碳纤维材料要节省60％左右，在经济方面能够满足民品的需求。
另外，本发明提供的纤维复合材料的制备方法安全环保、成本低，适于工业生产。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种玄武岩复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将碳纤维和玄武岩纤维在真空条件下与树脂材料充分接触，再经固化，得到纤维复合材料；
所述碳纤维的单丝直径为5μm～9μm，面密度为180g/m2～220g/m2；
所述玄武岩纤维的单丝直径为9μm～15μm，面密度为270g/m2～330g/m2；
所述碳纤维和玄武岩纤维的质量比为1：(2～13)。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述玄武岩纤维包括连续玄武岩纤维纱线、玄武岩纤维布和玄武岩纤维预浸料中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述真空条件的真空度为0.09MPa～0.1MPa。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述树脂材料选自乙烯基树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和酚醛树脂中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述将碳纤维和玄武岩纤维在真空条件下与树脂材料充分接触的过程具体为：
a1)将碳纤维和玄武岩纤维依次铺设到表面擦拭有脱模剂的模具中，再依次铺设脱模布和导流网，最外层用真空袋密封，之后抽真空；
a2)将形成胶体溶液的树脂材料注入到模具中至完全浸润，使模具中的碳纤维和玄武岩纤维与所述树脂材料充分接触，得到注胶后的样件。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤a1)中所述将碳纤维和玄武岩纤维依次铺设的过程具体为：
先将6层～10层碳纤维铺在模具表面，再将14层～18层玄武岩纤维铺在碳纤维上。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤a1)中所述脱模剂选自硬脂酸锌、机油、液体石蜡和硅胶中的一种或多种。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤a2)中所述注胶后的样件中树脂材料的含量占样件整体质量的25％～40％。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述固化的温度为110℃～140℃，时间为2h～4h。
10.一种纤维复合材料，其特征在于，由权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到。
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