CN111361180A - 一种碳纤维精细结构部件及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维精细结构部件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维精细结构部件及其制备方法，涉及碳纤维材料技术领域。本发明提供的碳纤维精细结构部件包括以下组分的原料：短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末、金属钛粉末、液态环氧树脂、固化剂和表面活性剂；所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末与短切碳纤维的质量比为1:10～25；所述金属钛粉末与短切碳纤维的质量比为1:3～75；所述液态环氧树脂与固化剂的质量之和与短切碳纤维的质量比为2～6:1；所述表面活性剂为短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末、金属钛粉末、液态环氧树脂和固化剂质量之和的1～5％。本发明提供的碳纤维精细结构部件表面均匀性好无分层、表面平整度高，无明显的气泡和孔隙。

Description

一种碳纤维精细结构部件及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维材料技术领域，特别涉及一种碳纤维精细结构部件及其制备方法。
背景技术
碳纤维产品在很多领域得到了广泛应用，目前碳纤维产品的加工常见的有两种工艺：一种是模压成型法，设备采用热压机和相关形状的模具，将碳纤维按需要铺到模具的内表面，然后加入环氧树脂、固化剂，用压机热压成型；这类方法得到的碳纤维部件表面的硬度高，能够承受较大的压力。第二类方法是采用碳纤维布和环氧树脂的直接手糊法，此类方法是将剪好了的碳纤维布粘到模具的内表面，然后涂上一层环氧树脂胶，待固化成型后对碳纤维表面进行处理，然后再涂面胶；此类方法成本低，制作效率较高，常用于部件的表面加固。但这两类工艺得到的碳纤维产品普遍存在外部缺陷较多的缺点，如表面均匀性差易分层、表面不平整、有气泡和孔隙。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种碳纤维精细结构部件及其制备方法。本发明提供的碳纤维精细结构部件表面均匀性好无分层、表面平整度高，无明显的气泡和孔隙。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种碳纤维精细结构部件，包括以下组分的原料：
短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末、金属钛粉末、液态环氧树脂、固化剂和表面活性剂；
所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末的颗粒粒径为5～10μm，所述金属钛粉末的颗粒粒径为10～50μm；
所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末与短切碳纤维的质量比为1:10～25；所述金属钛粉末与短切碳纤维的质量比为1:3～75；所述液态环氧树脂与固化剂的质量之和与短切碳纤维的质量比为2～6:1；所述表面活性剂的质量为短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末、金属钛粉末、液态环氧树脂和固化剂质量之和的1～5％。
优选地，所述短切碳纤维的长度为0.2～4mm；所述短切碳纤维的单丝直径为5～8μm。
优选地，所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末的颗粒粒径为6～8μm。
优选地，所述金属钛粉末的纯度≥99％，所述金属钛粉末的颗粒粒径为20～35μm。
优选地，所述表面活性剂为缩水甘油醚类表面活性剂。
优选地，所述缩水甘油醚类表面活性剂为C12～C14烷基缩水甘油醚。
本发明提供了以上方案所述碳纤维精细结构部件的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末和金属钛粉末混合，得到第一混合料；
(2)将所述第一混合料与液态环氧树脂、固化剂混合，得到第二混合料；
(3)将所述第二混合料和表面活性剂混合，得到第三混合料；
(4)将所述第三混合料放入成型模具中进行真空固化，脱模后得到所述碳纤维精细结构部件。
优选地，所述真空固化的真空度≥102Pa。
优选地，所述真空固化的温度为90～120℃，时间为1～4h。
本发明提供了一种碳纤维精细结构部件，包括以下组分的原料：短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末、金属钛粉末、液态环氧树脂、固化剂和表面活性剂；所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末与短切碳纤维的质量比为1:10～25；所述金属钛粉末与短切碳纤维的质量比为1:3～75；所述液态环氧树脂与固化剂的质量之和与短切碳纤维的质量比为2～6:1；所述表面活性剂为短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末、金属钛粉末、液态环氧树脂和固化剂质量之和的1～5％。在本发明中，所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末和金属钛粉末能够填补短切碳纤维之间、短切碳纤维和成型模具内表面之间的微小孔隙，同时金属钛粉末具有平衡混合材料的弹性及硬度的作用；所述表面活性剂能够降低表面张力、增加表面均匀性。本发明提供的碳纤维精细结构部件表面均匀性好无分层、表面平整度高，无明显的气泡和孔隙。
本发明提供了所述碳纤维精细结构部件的制备方法，本发明提供的制备方法可以一次成型得到碳纤维精细结构件制品，操作简便，易于规模化生产。
附图说明
图1是实施例1制备的碳纤维无人机副翼的表面立体形貌图；
图2是传统模压法得到的碳纤维结构部件的表面立体形貌图；
图3是传统手糊法得到的碳纤维部件的表面立体形貌图。
具体实施方式
本发明提供了一种碳纤维精细结构部件，包括以下组分的原料：
短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末、金属钛粉末、液态环氧树脂、固化剂和表面活性剂；
所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末的颗粒粒径为5～10μm，所述金属钛粉末的颗粒粒径为10～50μm；
所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末与短切碳纤维的质量比为1:10～25；所述金属钛粉末与短切碳纤维的质量比为1:3～75；所述液态环氧树脂与固化剂的质量之和与短切碳纤维的质量比为2～6:1；所述表面活性剂的质量为短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末、金属钛粉末、液态环氧树脂和固化剂质量之和的1～5％。
在本发明中，所述碳纤维精细结构部件的原料包括短切碳纤维。在本发明中，所述短切碳纤维的长度优选为0.2～4mm，更优选为1～3mm；所述短切碳纤维的单丝直径优选为5～8μm，更优选为6～7μm。本发明对所述短切碳纤维的来源没有特别的要求，采用本领域熟知来源的短切碳纤维即可，在本发明具体实施例中，所述短切碳纤维是将单向碳纤维丝束通过精确剪切设备剪切得到的。
在本发明中，所述碳纤维精细结构部件的原料包括聚甲基丙烯酸甲酯粉末。在本发明中，所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末与短切碳纤维的质量比为1:10～25，优选为1:15～22，更优选为1:18～20。在本发明中，所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末的颗粒粒径为5～10μm，优选为6～8μm。本发明对所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末的来源没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末能够填补短切碳纤维之间、短切碳纤维和成型模具内表面之间的微小孔隙。
在本发明中，所述碳纤维精细结构部件的原料包括金属钛粉末。在本发明中，所述金属钛粉末与短切碳纤维的质量比为1:3～75，优选为1:10～70，更优选为1:20～60。在本发明中，所述金属钛粉末的纯度优选≥99％，所述金属钛粉末的颗粒粒径为10～50μm，优选为20～35μm。本发明对所述金属钛粉末的来源没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的金属钛粉末即可。在本发明中，所述金属钛粉末能够填补短切碳纤维之间、短切碳纤维和成型模具内表面之间的微小孔隙，同时金属钛粉末具有平衡混合材料的弹性及硬度的作用。
在本发明中，所述碳纤维精细结构部件的原料包括液态环氧树脂和固化剂。在本发明中，所述液态环氧树脂与固化剂的质量之和与短切碳纤维的质量比为2～6:1，优选为3～5:1，更优选为4:1。本发明对所述液态环氧树脂没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的液态环氧树脂即可，具体地如双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂。本发明对所述固化剂没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的液态环氧树脂用固化剂即可，具体地如酸性类的固化剂(如有机酸、三氟化硼及其络合物等)、碱性类固化剂(如脂肪族二胺和多胺、芳香族多胺等)。本发明对所述液态环氧树脂和固化剂的配比没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的配比保证环氧树脂充分固化即可，一般液态环氧树脂和固化剂质量比为2:1。
在本发明中，所述碳纤维精细结构部件的原料包括表面活性剂。在本发明中，所述表面活性剂的质量为短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末、金属钛粉末、液态环氧树脂和固化剂质量之和的1～5％，优选为1.5～3.5％，更优选为1.7～2.5％。在本发明中，所述表面活性剂优选为缩水甘油醚类表面活性剂，所述缩水甘油醚类表面活性剂能够和环氧树脂互溶；在本发明中，所述缩水甘油醚类表面活性剂优选为C12～C14烷基缩水甘油醚。本发明对所述表面活性剂没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述表面活性剂能够降低表面张力、增加表面均匀性。
本发明提供的碳纤维精细结构部件表面均匀性好无分层、表面平整度高，无明显的气泡和孔隙。
本发明提供了以上方案所述碳纤维精细结构部件的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末和金属钛粉末混合，得到第一混合料；
(2)将所述第一混合料与液态环氧树脂、固化剂混合，得到第二混合料；
(3)将所述第二混合料和表面活性剂混合，得到第三混合料；
(4)将所述第三混合料放入成型模具中进行真空固化，脱模后得到所述碳纤维精细结构部件。
本发明将所述短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末和金属钛粉末混合，得到第一混合料。本发明优选先将所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末加入到短切碳纤维中，再向所得混合材料中加入金属钛粉末进行混合。本发明对所述混合的方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的混合方法保证所述短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末和金属钛粉末充分分散即可。
得到第一混合料后，本发明将所述第一混合料与液态环氧树脂、固化剂混合，得到第二混合料。本发明优选先将液态环氧树脂和固化剂混合，再将所得混合液加入到所述第二混合料中进行混合。在本发明中，所述混合优选为搅拌混合，本发明对所述搅拌混合的速度和时间没有特别的要求，能够保证液态环氧树脂和固化剂在所述第一混合料中充分分散剂可。
得到第二混合料后，本发明将所述第二混合料和表面活性剂混合，得到第三混合料。本发明对所述混合的方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的混合方法保证各组分混合均匀即可。
得到第三混合料后，本发明将所述第三混合料放入成型模具中进行真空固化，脱模后得到所述碳纤维精细结构部件。在将第三混合料放入成型模具之前，本发明优选在成型模具的内表面预涂抹脱模剂；所述脱模剂优选为有机石蜡类脱模剂。在本发明中，所述成型模具的材质优选为铝合金，所述成型模具根据所需结构部件的形状进行选择。
在本发明中，所述真空固化的真空度优选≥102Pa；所述真空固化的温度优选为90～120℃，更优选为95～110℃，所述真空固化的时间为优选为1～4h，更优选为2～3h。在本发明具体实施例中，所述真空固化所需的条件是优选通过以下方式实现的：将放入第三混合料的成型模具置于真空袋中，在所述真空袋中插入真空管并用真空封泥封好；然后通过与所述真空管相连的真空泵持续抽真空，同时对所述成型模具加热进行固化。
本发明提供的制备方法可以一次成型得到碳纤维精细结构件制品，操作简便，易于规模化生产。
下面结合实施例对本发明提供的碳纤维精细结构部件及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
制作碳纤维无人机副翼，步骤如下：
(1)将单向碳纤维丝束(单丝直径为6μm)通过精确剪切设备剪切到1mm长度，得到短切碳纤维；
(2)将聚甲基丙烯酸甲酯粉末加入到短切碳纤维中，聚甲基丙烯酸甲酯粉末与短切碳纤维质量比为1:20，聚甲基丙烯酸甲酯粉末的颗粒粒径为6μm；
(3)将金属钛粉末加入到上述混合材料中，并充分分散，金属钛粉末与短切碳纤维的质量比为1:60，金属钛粉末的纯度≥99％、颗粒粒径为15μm；
(4)加入液态双酚A型环氧树脂及间苯二胺类固化剂质量比为2：1的混合液，充分搅拌后形成均匀的短切碳纤维浆料，环氧树脂胶及固化剂混合液与短切碳纤维的质量比为4:1；
(5)在短切碳纤维浆料里加入质量比为1.7％的表面活性剂材料C12～C14缩水甘油醚；
(6)在无人机副翼的铝合金模具内表面涂抹一层有机石蜡类脱模剂，将(5)所得混合浆料放入模具中，将模具装入真空袋中，然后插入真空管并用真空封泥封好；通过与真空管相连的真空泵持续抽真空同时加热，加热温度设置在90℃，加热固化4个小时；将模具与碳纤维成品分离，得到碳纤维无人机副翼。
碳纤维结构无人机副翼是无人机中结构精度要求最高的部件之一，通过日本Keyence 1000E三维视频显微镜观察本实施例制备的碳纤维无人机副翼表面立体形貌(放大倍数1000倍，比例尺为50μm)，并与传统的模压法和手糊法得到的碳纤维结构部件进行对比：
图1是本实施例制备的碳纤维无人机副翼的表面立体形貌图，图2是传统模压法得到的碳纤维结构部件的表面立体形貌图，图3是传统手糊法得到的碳纤维部件的表面立体形貌图；由图1～3可以看出，本实施例得到的碳纤维结构部件表面形貌均匀性较好，短切碳纤维丝无明显外露，表面平整度高，无明显气泡和孔隙；而用传统模压法得到的碳纤维结构部件表面碳纤维丝束外露明显，表面的平整度较差；传统手糊法得到的碳纤维结构部件表面有少量碳纤维丝束外露，表面均匀性较差。可见，本实施例制备的碳纤维精细结构部件的表面平整度和均匀性有显著提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种碳纤维精细结构部件，其特征在于，包括以下组分的原料：
短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末、金属钛粉末、液态环氧树脂、固化剂和表面活性剂；
所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末的颗粒粒径为5～10μm，所述金属钛粉末的颗粒粒径为10～50μm；
所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末与短切碳纤维的质量比为1:10～25；所述金属钛粉末与短切碳纤维的质量比为1:3～75；所述液态环氧树脂与固化剂的质量之和与短切碳纤维的质量比为2～6:1；所述表面活性剂的质量为短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末、金属钛粉末、液态环氧树脂和固化剂质量之和的1～5％。
2.根据权利要求1所述的碳纤维精细结构部件，其特征在于，所述短切碳纤维的长度为0.2～4mm；所述短切碳纤维的单丝直径为5～8μm。
3.根据权利要求1所述的碳纤维精细结构部件，其特征在于，所述聚甲基丙烯酸甲酯粉末的颗粒粒径为6～8μm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维精细结构部件，其特征在于，所述金属钛粉末的纯度≥99％，所述金属钛粉末的颗粒粒径为20～35μm。
5.根据权利要求1所述的碳纤维精细结构部件，其特征在于，所述表面活性剂为缩水甘油醚类表面活性剂。
6.根据权利要求5所述的碳纤维精细结构部件，其特征在于，所述缩水甘油醚类表面活性剂为C12～C14烷基缩水甘油醚。
7.权利要求1～6任意一项所述碳纤维精细结构部件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述短切碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯粉末和金属钛粉末混合，得到第一混合料；
(2)将所述第一混合料与液态环氧树脂、固化剂混合，得到第二混合料；
(3)将所述第二混合料和表面活性剂混合，得到第三混合料；
(4)将所述第三混合料放入成型模具中进行真空固化，脱模后得到所述碳纤维精细结构部件。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述真空固化的真空度≥102Pa。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述真空固化的温度为90～120℃，时间为1～4h。
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