CN114953515B - 一种多级螺旋碳纤维复合材料、制备工艺方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽车轻量化结构，具体涉及一种多级螺旋碳纤维复合材料、制备工艺方法及其应用，为了解决目前我国高强度的碳纤维复合材料水平不足的问题，故提出本发明，包括：多级螺旋碳纤维和树脂，所述多级螺旋碳纤维和所述树脂相结合；所述多级螺旋碳纤维的基础单元是碳纤维单体，第一级碳纤维单体为碳纤维单丝束，至少两股第一级碳纤维单体构成第二级碳纤维单体，直至至少两股第i‑1级碳纤维单体构成多级螺旋碳纤维，多级螺旋碳纤维为i‑1级螺旋结构，其中，i代表螺旋级数，是至少大于1的正整数，为汽车等关键承力部件提供了高性能的碳纤维。
Description
技术领域
本发明涉及汽车轻量化结构，具体涉及一种多级螺旋碳纤维复合材料。
本发明还涉及上述多级螺旋碳纤维复合材料制备的工艺方法。
本发明还涉及上述多级螺旋碳纤维复合材料的应用。
背景技术
汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
在汽车轻量化设计中，最主要的措施是采用轻质材料，如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或者碳纤维复合材料等等，其中，碳纤维复合材料可以比其他铝合金等金属材料实现更好的减重效果，但是在实现轻量化的同时，还要兼顾汽车关键承力件的结构性能，这就需要采用具有更高比强度等特点的碳纤维复合材料来实现极限工况下的工作可靠性，然而目前我国高强度的碳纤维复合材料水平不足，加之国外的打压，导致服役条件要求严苛的汽车关键承力结构轻量化水平不高，也成为了制约我国汽车及相关运载工具轻量化领域发展的“卡脖子”问题，所以需要迫切研制出一种高强度碳纤维复合材料来解决目前所面临的问题。
发明内容
为了在实现汽车轻量化的同时兼顾关键承力件的结构性能，本发明通过对碳纤维引入微观多级螺旋结构，从材料结构设计方面挖掘汽车结构轻量化的潜力，本发明的技术方案包括：多级螺旋碳纤维和树脂，所述多级螺旋碳纤维和所述树脂相结合；所述多级螺旋碳纤维的基础单元是碳纤维单体，第一级碳纤维单体为碳纤维单丝束，至少两股第一级碳纤维单体构成第二级碳纤维单体，直至至少两股第i-1级碳纤维单体构成多级螺旋碳纤维，多级螺旋碳纤维为i-1级螺旋结构，其中，i代表螺旋级数，是至少大于1的正整数。
进一步地，所述第i级碳纤维单体是由第i-1级碳纤维单体缠绕加捻形成螺旋结构。
进一步地，多级螺旋碳纤维的螺旋结构轴向与第i-1级碳纤维单体中心线的切向的夹角为螺旋角αi，其取值为5～40°。
进一步地，所述碳纤维单丝束的的半径r取0.1mm～1mm。
进一步地，所述多级螺旋碳纤维的螺旋结构缠绕半径Ri为：
其中，n代表碳纤维单体股数；α代表螺旋角；当i＝2时，R1＝r。
进一步地，所述多级螺旋碳纤维的螺旋结构的节距pi为：
其中，R代表螺旋结构缠绕半径；α代表螺旋角。
进一步地，一种如上所述的多级螺旋碳纤维复合材料制备的工艺方法，具体包括以下步骤：
S1：对碳纤维单丝束进行浸胶处理，使之成为预浸碳纤维单丝束；
S2：对至少两股预浸碳纤维单丝束进行缠绕、加捻工艺，使之成为第二级碳纤维单体；
S3：直至至少两股第i-1级碳纤维单体进行缠绕、加捻工艺，使之成为多级螺旋碳纤维；
S4：多级螺旋碳纤维与树脂结合，成为多级螺旋碳纤维复合材料。
进一步地，一种所述的多级螺旋碳纤维复合材料在生产加工汽车关键承力部件中的应用。
本发明的有益效果：
通过对碳纤维采用一种多级螺旋化结构，并结合树脂，复合而成多级螺旋碳纤维复合材料，可以很好的提高碳纤维的比强度和韧性，很好地将其应用在汽车等关键承力部件上，满足了主承力结构轻量化设计中对高性能碳纤维的需求，并且只需对碳纤维进行缠绕、加捻工艺，工艺简单，成本可控。
附图说明
图1是本发明所述的传统碳纤维非螺旋结构示意图；
图2是本发明所述的多级螺旋碳纤维结构示意图；
图3是本发明所述的二级螺旋碳纤维结构参数关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了使本发明的技术方案更加清晰明了，下面结合附图来对本发明作进一步的阐述说明。如图1-3所示，本发明的技术方案包括：多级螺旋碳纤维和树脂，所述多级螺旋碳纤维和所述树脂相结合；所述多级螺旋碳纤维的基础单元是碳纤维单体，第一级碳纤维单体为碳纤维单丝束，至少两股第一级碳纤维单体构成第二级碳纤维单体，直至至少两股第i-1级碳纤维单体构成多级螺旋碳纤维，多级螺旋碳纤维为i-1级螺旋结构，其中，i代表螺旋级数，是至少大于1的正整数。
具体地，所述第i级碳纤维单体是由第i-1级碳纤维单体缠绕加捻形成螺旋结构。
采用这种螺旋结构，使得其在增强型复合材料中与树脂的结合更加牢固可靠，同时由于螺旋自身的结构特点，在碳纤维复合材料受力时，其中碳纤维单丝束的力可以很好地传导到基体，以分担碳纤维单丝束的受力，提高碳纤维复合材料的整体承载能力，为汽车等关键承力部件提供高性能的碳纤维。
具体地，多级螺旋碳纤维的螺旋结构轴向与第i-1级碳纤维单体中心线的切向的夹角为螺旋角αi，为了使螺旋结构获得更加良好的力学性能，在实际生产应用中，螺旋角α取值一般为5°～40°。
进一步地，所述碳纤维单丝束的半径r取0.1mm～1mm。
进一步地，所述多级螺旋碳纤维的螺旋结构缠绕半径Ri为：
其中，n代表碳纤维单体股数；α代表螺旋角；当i＝2时，R1＝r。
进一步地，所述多级螺旋碳纤维的螺旋结构的节距为pi，所述节距pi是指：在同级螺旋结构上，碳纤维单体的中心线上的一点与其沿螺旋线方向螺旋360°所得点在螺旋结构轴线方向的距离，可根据公式：
求得合适的节距范围，
其中，R代表螺旋结构缠绕半径；α代表螺旋角。
进一步地，上述一种多级螺旋碳纤维复合材料制备的工艺方法，具体包括以下步骤：
S1：对碳纤维单丝束进行浸胶处理，使之成为预浸碳纤维单丝束；
S2：对至少两股预浸碳纤维单丝束进行缠绕、加捻工艺，使之成为第二级碳纤维单体；
S3：直至至少两股第i-1级碳纤维单体进行缠绕、加捻工艺，使之成为多级螺旋碳纤维；
S4：多级螺旋碳纤维与树脂结合，成为多级螺旋碳纤维复合材料。
优选的，一种所述的多级螺旋碳纤维复合材料在生产加工汽车关键承力部件中的应用。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (3)
1.一种多级螺旋碳纤维复合材料，其特征在于，包括多级螺旋碳纤维和树脂，所述多级螺旋碳纤维和所述树脂相结合；所述多级螺旋碳纤维的基础单元是碳纤维单体，第一级碳纤维单体为碳纤维单丝束，至少两股第一级碳纤维单体构成第二级碳纤维单体，直至至少两股第i-1级碳纤维单体构成多级螺旋碳纤维，多级螺旋碳纤维为i-1级螺旋结构，其中，i代表螺旋级数，是至少大于1的正整数；所述第i级碳纤维单体是由第i-1级碳纤维单体缠绕加捻形成螺旋结构；多级螺旋碳纤维的螺旋结构轴向与第i-1级碳纤维单体中心线的切向的夹角为螺旋角αi，其取值为5～40°；述碳纤维单丝束的半径r取0.1mm～1mm；所述多级螺旋碳纤维的螺旋结构缠绕半径Ri为：
其中，n代表碳纤维单体股数；α代表螺旋角；当i＝2时，R1＝r；
其制备方法包括以下步骤：
S1：对碳纤维单丝束进行浸胶处理，使之成为预浸碳纤维单丝束；
S2：对至少两股预浸碳纤维单丝束进行缠绕、加捻工艺，使之成为第二级碳纤维单体；
S3：直至至少两股第i-1级碳纤维单体进行缠绕、加捻工艺，使之成为多级螺旋碳纤维；
S4：多级螺旋碳纤维与树脂结合，成为多级螺旋碳纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种多级螺旋碳纤维复合材料，其特征在于，所述多级螺旋碳纤维的螺旋结构的节距pi为：
其中，R代表螺旋结构缠绕半径；α表螺旋角。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的多级螺旋碳纤维复合材料在生产加工汽车关键承力部件中的应用。
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