CN110527257B - 一种碳纤维复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳纤维复合材料及其制备方法和应用，包括碳纤维层以及涂覆于所述碳纤维层上的环氧树脂层，所述碳纤维层包括间隔设置的第一碳纤维束和第二碳纤维束；其中，所述第一碳纤维和所述第二碳纤维各自独立地选自60T纤维、40T纤维、33T纤维、30T纤维或24T纤维，且第一碳纤维和第二碳纤维不同。在本发明中，通过选用两种不同拉伸模量的碳纤维共同使用，可以改善拉伸模量较大的纤维强度较差的缺陷，使得最后得到的碳纤维复合材料可以满足应用要求。

Description

一种碳纤维复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于碳纤维材料领域，涉及一种碳纤维复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

环氧树脂是一种强度高、粘结性能好、具有优良耐热性、防腐性和承载能力的热固性高分子材料，被广泛应用于涂料、电气绝缘材料和结构材料等领域，在航空航天、船舶、电子电气、机械制造及国防事业中起着重要的作用，随着航空工业的迅速发展，环氧树脂在这些方面的应用不断扩展，对其摩擦磨损性能也提出了更高的要求。同时，碳纤维也作为一种惰性增强材料，人们更多的研究如何将碳纤维与环氧树脂结合起来运用到上述领域。

碳纤维为由碳元素组成的一种特种纤维。具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性；外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。

CN104212314A公开了一种抗磨损环氧树脂/碳纤维复合涂层及其制备、涂覆方法，，该复合涂层由碳纤维织物置于基体溶液中固化而成，基体溶液由64-66.5重量份环氧树脂、32-33.5重量份聚酰胺树脂、体积与环氧树脂总重量的比例为2.4mL:1g的甲苯溶液和1.5-2.5重量份经过硅烷偶联剂改性的纳米无机填料组成。该专利得到的复合涂层具有较优的耐磨效果，但是并未对碳纤维进行研究。CN109957306A公开了一种抗磨损碳纤维涂层及其涂覆方法，将碳纤维涂层材料中树脂与溶剂、黏土、粘合剂、填料混合熔融，在球磨机的作用下得到颗粒均匀且小于1000目筛的涂层材料，结合分散机的分散作用，使得涂层材料可以更好的与碳纤维表面结合，但仍未对碳纤维进行研究。

碳纤维种类繁多，分为60T、40T、30T、24T等，碳纤维60T是一种高刚性而低强度的纤维，材料极脆，在使用过程中重量弯曲稍微过大则就会断裂导致其无法发挥其刚性的作用，因此，保管和操作中国均需特别管控，费时费力。

因此，目前需要提供一种碳纤维复合材料以解决碳纤维刚性大强度低的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的碳纤维复合材料在保持了碳纤维刚性基本不变的情况下大幅度的增加了材料的强度和韧性。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种碳纤维复合材料，包括碳纤维层以及涂覆于所述碳纤维层上的环氧树脂层，所述碳纤维层包括间隔设置的第一碳纤维束和第二碳纤维束；

其中，所述第一碳纤维和所述第二碳纤维各自独立地选自60T纤维、40T纤维、33T纤维、30T纤维或24T纤维，且第一碳纤维和第二碳纤维不同。

在本发明中，通过选用两种不同拉伸模量的碳纤维共同使用，可以改善拉伸模量较大的纤维强度较差的缺陷，使得最后得到的碳纤维复合材料在具有较好刚性的同时韧性和强度较好，可以满足应用要求。

在本发明中，所述第一碳纤维和第二碳纤维分别选自60T纤维和40T纤维。

优选地，所述60T纤维为YSH-60A纤维，所述40T纤维为HR40纤维。

YSH-60A纤维刚性较大，但是强度以及韧性极差，其与HR40纤维共同使用，可以确保在基本上不损害YSH-60A纤维的刚性的同时，提升YSH-60A碳纤维的韧性和强度。

优选地，所述第一碳纤维束和所述第二碳纤维束各自独立地包括6000-36000根碳纤维，例如7000根、10000根、15000根、20000根、25000根、30000根、35000根等。

优选地，以所述碳纤维层的总质量为100％计，所述第一碳纤维的质量百分含量为50-75％，例如52％、55％、57％、60％、62％、65％、67％、70％、72％等。

优选地，所述第一碳纤维和第二碳纤维分别选自60T纤维和40T纤维，所述60T纤维的质量百分含量为50-75％，例如52％、55％、57％、60％、62％、65％、67％、70％、72％等。

选用60T纤维和40T纤维时，60T纤维的添加量为50-75％，40T纤维的质量百分含量为25-50％时，最后得到的碳纤维复合材料的性能最优。

优选地，以所述碳纤维复合材料的总质量为100％计，所述碳纤维层的质量百分含量为60-67％，例如61％、62％、63％、64％、65％、66％等。

优选地，所述碳纤维层的厚度为0.07-0.15mm，例如0.08mm、0.09mm、0.10mm、0.12mm、0.14mm等。

在本发明中，所述环氧树脂层的组成原料包括A剂和B剂，以所述组成原料总质量为100％计，所述A剂包括如下组分：

所述B剂包括如下组分：

双酚A环氧树脂128 5-10％；

固化剂 3-7％；

固化促进剂 1-3％。

本发明选用的环氧树脂具有粘结力强、机械强度高、尺寸稳定、耐腐蚀性好的优点，同时具有良好的电绝缘性能和较低的吸水性能，固化温度范围广。

在A剂中，所述双酚A环氧树脂128的质量百分含量为20-30％，例如22％、24％、25％、26％、28％等。

在A剂中，所述苯氧树脂的质量百分含量为10-15％，例如11％、12％、13％、14％等。

在A剂中，所述聚乙烯醇缩苯甲醛的质量百分含量为1-5％，例如2％、3％、4％等。

在A剂中，所述固体环氧树脂901的质量百分含量为10-15％，例如11％、12％、13％、14％等。

在A剂中，所述酚醛环氧树脂的质量百分含量为10-15％，例如11％、12％、13％、14％等。

在A剂中，所述双酚A环氧树脂170的质量百分含量为12-17％，例如13％、14％、15％、16等。

在B剂中，所述双酚A环氧树脂128的质量百分含量为5-10％，例如6％、7％、8％、9％等。

在B剂中，所述固化剂的质量百分含量为3-7％，例如4％、5％、6％等。

在B剂中，所述固化促进剂的质量百分含量为1-3％，例如1.5％、2％、2.5％等。

优选地，所述固化剂为双氰胺。

优选地，所述固化促进剂为有机脲促进剂。

第二方面，本发明提供了一种根据第一方面所述的碳纤维复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

将第一碳纤维束和第二碳纤维束依次间隔设置，然后浸涂环氧树脂组合物溶液并固化，得到所述碳纤维复合材料。

第三方面，本发明提供了一种根据第一方面所述的碳纤维复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

将第一碳纤维束和第二碳纤维束依次间隔设置，然后涂覆环氧树脂组合物并固化，得到所述碳纤维复合材料。

本发明所述述碳纤维复合材料可通过干法复合或湿法复合制备而成。所述干法复合即在一定的温度下通过设备将不含溶剂的环氧树脂均匀铺涂到碳纤维层上，使树脂均匀地包覆纤维；所述湿法复合即用丁酮溶解树脂基体得到树脂溶液，然后将纤维层浸润于树脂溶液中，待丁酮挥发后得到树脂均匀包覆碳纤维的复合材料。

第四方面，本发明提供了根据第一方面所述的碳纤维复合材料在车辆管件中的应用。

本发明提供的碳纤维复合材料可以应用于碳纤维自行车的管件的左右两侧，可以提高自行车的刚性。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)在本发明中，通过选用两种不同拉伸模量的碳纤维共同使用，可以改善拉伸模量较大的纤维强度较差的缺陷，使得最后得到的碳纤维复合材料可以满足应用要求；

(2)YSH-60A纤维刚性较大，但是强度以及韧性极差，其与HR40纤维共同使用，可以确保在基本上不损害YSH-60A纤维的刚性的同时，提升YSH-60A碳纤维的韧性和强度。当选择YSH-60A纤维和HR40纤维进行配合时，拉伸模量最高可达327GPa以上。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

一种碳纤维复合材料，由碳纤维层以及涂覆于碳纤维层上的环氧树脂层组成。

其中，碳纤维层厚度为0.1mm，由间隔设置的第一碳纤维束和第二碳纤维束组成，第一碳纤维为YSH-60A纤维，第二碳纤维为HR40纤维，其中第一碳纤维和第二碳纤维的质量比为1:2。

其中，环氧树脂层的组成原料为A剂和B剂，以组成原料的总质量为100％即，A剂由25％双酚A环氧树脂128、12％苯氧树脂、3％聚乙烯醇缩苯甲醛、12％固体环氧树脂901、13％酚醛环氧树脂、15％双酚A环氧树脂170组成，B剂由10％双酚A环氧树脂128、7％固化剂、3％固化促进剂组成。

制备方法如下：

(1)制备环氧树脂组合物：将A剂和B剂混合均匀，得到环氧树脂组合物；

(2)制备碳纤维复合材料：分别取三束第一碳纤维束(6000根YSH-60A纤维)和第二碳纤维束(12000根HR40纤维)，将第一碳纤维束和第二碳纤维束间隔放置，在68℃下，将环氧树脂组合物均匀铺涂到碳纤维层上，使树脂均匀地包覆纤维，涂膜速度为0.2m/s，然后在68℃下固化，得到碳纤维复合材料。

实施例2-5

与实施例1的区别在于，改变第一碳纤维和第二碳纤维的质量比，使YSH-60A纤维和HR40纤维的质量比为3:2(实施例2)、3:1(实施例3)、4:1(实施例4)、2:3(实施例5)。

实施例6

与实施例1的区别在于，将第二碳纤维替换为30T纤维MR60。

实施例7

与实施例1的区别在于，将第一碳纤维替换为24T碳纤维TR50S。

实施例8

一种碳纤维复合材料，由碳纤维层以及涂覆于碳纤维层上的环氧树脂层组成。

其中，碳纤维层厚度为0.1mm，由间隔设置的第一碳纤维束和第二碳纤维束组成，第一碳纤维为YSH-60A纤维，第二碳纤维为24T碳纤维TR50S，其中第一碳纤维和第二碳纤维的质量比为2:1。

其中，环氧树脂层的组成原料为A剂和B剂，以组成原料的总质量为100％即，A剂由30％双酚A环氧树脂128、15％苯氧树脂、1％聚乙烯醇缩苯甲醛、15％固体环氧树脂901、15％酚醛环氧树脂、12％双酚A环氧树脂170组成，B剂由5％双酚A环氧树脂128、6％固化剂、1％固化促进剂组成。

制备方法如下：

(1)制备环氧树脂组合物：将A剂和B剂混合均匀，得到环氧树脂组合物；

(2)制备碳纤维复合材料：分别取10束第一碳纤维束(6000根YSH-60A纤维)和第二碳纤维束(12000根TR50S纤维)，将第一碳纤维束和第二碳纤维束间隔放置，在68℃下，将环氧树脂组合物均匀铺涂到碳纤维层上，使树脂均匀地包覆纤维，涂膜速度为0.2m/s，然后在68℃下固化，得到碳纤维复合材料。

实施例9

一种碳纤维复合材料，由碳纤维层以及涂覆于碳纤维层上的环氧树脂层组成。

其中，碳纤维层厚度为0.1mm，由间隔设置的第一碳纤维束和第二碳纤维束组成，第一碳纤维为HR40纤维，第二碳纤维为30T纤维MR60，其中第一碳纤维和第二碳纤维的质量比为7:8。

其中，环氧树脂层的组成原料为A剂和B剂，以组成原料的总质量为100％即，A剂由20％双酚A环氧树脂128、15％苯氧树脂、5％聚乙烯醇缩苯甲醛、15％固体环氧树脂901、12％酚醛环氧树脂、17％双酚A环氧树脂170组成，B剂由10％双酚A环氧树脂128、3％固化剂、3％固化促进剂组成。

制备方法如下：

(1)制备环氧树脂组合物：将A剂、B剂和丁酮混合均匀，得到环氧树脂组合物溶液；

(2)制备碳纤维复合材料：分别取7束第一碳纤维束(12000根HR40纤维)和8束第二碳纤维束(12000根MR60纤维)，将第一碳纤维束和第二碳纤维束间隔放置，然后将环氧树脂组合物溶液浸涂到碳纤维层上，使树脂均匀地包覆纤维，含浸速度为0.2m/s，然后在100℃下固化，得到碳纤维复合材料。

对比例1

与实施例1的区别在于，将碳纤维全部替换为YSH-60A纤维。

对比例2

与实施例1的区别在于，将碳纤维全部替换为HR40纤维。

性能测试

对实施例1-9和对比例1-2提供的碳纤维复合材料进行性能测试，方法如下：

(1)刚性：参考《聚合物基复合材料拉伸性能标准测试方法》的标准进行性能测试；

(2)强度：参考《聚合物基复合材料拉伸性能标准测试方法》的标准进行性能测试；

(3)韧性：参考《聚合物基复合材料拉伸性能标准测试方法》的标准进行性能测试；

测试结果见表1：

表1

由实施例和性能测试可知，本发明提供的碳纤维复合材料在具有较好刚性的同时韧性和强度较好，其中，拉伸强度在1410MPa以上，拉伸模量在190GPa以上，断裂伸长率在1.57％以上。当选择YSH-60A纤维和HR40纤维进行配合时，拉伸模量最高可达327GPa以上。

由实施例1和实施例2-5的对比可知，在碳纤维层中，60T纤维的质量百分含量在50-75％范围内时，最后得到的复合材料的刚性、韧性和强度能达到一个最优结果，相比于YS60碳纤维的刚性仅下降了1％的同时，强度和韧性具有大幅度增加。由实施例1和实施例6-7的对比可知，本发明优选YSH-60A纤维和HR40纤维进行配合。

由实施例1和对比例1-2的对比可知，相比于单纯使用60T纤维或者40T纤维，本发明提供的碳纤维复合材料可以在基本上不降低60T纤维的刚性的同时增加其强度和韧性。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的碳纤维复合材料及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (11)

1.一种用于车辆管件中的碳纤维复合材料，其特征在于，由碳纤维层以及涂覆于所述碳纤维层上的环氧树脂层组成，所述碳纤维层由间隔设置的第一碳纤维束和第二碳纤维束组成；

其中，所述第一碳纤维和第二碳纤维分别选自60T纤维和40T纤维；

所述60T纤维为YSH-60A纤维，所述40T纤维为HR40纤维。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述第一碳纤维束和所述第二碳纤维束各自独立地包括6000-36000根碳纤维。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述第一碳纤维和第二碳纤维分别选自60T纤维和40T纤维，所述60T纤维的质量百分含量为50-75％。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，以所述碳纤维复合材料的总质量为100％计，所述碳纤维层的质量百分含量为60-67％。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维层的厚度为0.07-0.15mm。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述环氧树脂层的组成原料包括A剂和B剂，以所述组成原料总质量为100％计，所述A剂包括如下组分：

所述B剂包括如下组分：

双酚A环氧树脂128 5-10％；

固化剂 3-7％；

固化促进剂 1-3％。

7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述固化剂为双氰胺。

8.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述固化促进剂为有机脲促进剂。

9.根据权利要求1-8中的任一项所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

将第一碳纤维束和第二碳纤维束依次间隔设置，然后浸涂环氧树脂组合物溶液并固化，得到所述碳纤维复合材料。

10.根据权利要求9所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

将第一碳纤维束和第二碳纤维束依次间隔设置，然后涂覆环氧树脂组合物并固化，得到所述碳纤维复合材料。

11.根据权利要求1-8中的任一项所述的碳纤维复合材料在车辆管件中的应用。