CN115871288A - 一种碳纤维、镁合金微结构增强复合板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维、镁合金微结构增强复合板及其制备方法，采用耐低温镁合金材料，碳纤维及其他纤维结合形成耐低温树脂基复合材料，结合微结构形式设计，开发出一种新型复合板，很好地发挥了镁合金抗冲击的优点，形成芯体有利于提高镁合金材料整体的惯性矩，可承受剪切载荷，提升了整体的抗弯能力与抗冲击能力；本发明用碳纤维弥补了镁合金材料韧性不足的缺点，运用热固性树脂体系，把二者结合，使复合材料具有较好的耐低温特性，且具有较好的结构强度，耐冲击，解决了镁及其合金以及碳纤维耐低温性能均不是很好，在冰雪运动装备等领域应用受到限制的问题。

Description

一种碳纤维、镁合金微结构增强复合板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维、镁合金微结构增强复合板及其制备方法，属有色金属复合材料制备及应用的技术领域。

背景技术

我国冰雪装备制造领域，与国外存在很大的差距。目前使用的冰雪运动装备，多为进口产品，尤其是高端冰雪运动装备。因此，为了满足我国冰雪运动的快速发展需要，亟需发展我国自主的冰雪装备制造产业。

滑雪板主要结构为一种夹层复合材料结构，目前使用的多为木制板芯覆盖以纤维层的结构，木制板芯成本高昂，重量较大，亟需一种新型复合材料结构设计来使其轻量化。中国公开专利号CN 105711209 A的发明专利提出的一种发泡聚丙烯与石墨纤维复合材料增强滑雪板的制备方法，采用纤维增强聚丙烯材料制备的滑雪板内芯质量轻，强度高。底板采用高强度的ABS树脂，具有良好的耐磨性。中国公开专利号CN 106075873 A的发明专利提出的一种改性纤维增强滑雪板的制备方法，采用PS树脂与石墨纤维复合材料为表面层，改性聚乙烯树脂与碳纤维复合材料为内芯层，聚乙烯材料为底板，通过改性氯化聚丙烯粘结剂进行粘合，强度得到提高，表面摩擦力减小，滑行速度增加，同时还延长了滑雪板的使用寿命。

镁及其合金是目前世界范围内应用和发展最快的有色金属材料。镁合金具有高比强度、高比刚度、高弹性模量及优良的抗震减噪性，抗冲击性能及良好的铸造性。但其也存在强度低、塑性差、耐腐蚀性差及易燃等缺陷,也极大的影响了镁及镁合金的广泛应用。另外，镁合金的耐低温性能也不是很好，在冰雪场景应用也会受到限制。

碳纤维是由碳元素组成的特种纤维,具有重量轻、纤度好、抗拉强度高等特点,同时还具有耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等优点。用碳纤维加工的零件具有可设计性强，能实现一体成型的特点，因此碳纤维可作为复合材料中的增强基来提高材料性能，弥补基材性能上的不足。目前碳纤维增强树脂基复合材料的低温性能不是很好，在低温环境，尤其是冰雪运动装备应用场景，应用受到限制。

发明内容

微结构材料作为一种新型结构材料，兼顾部件轻量化与高性能的需求，通过对材料内部进行结构化处理，可以发挥出材料的各种优势，最终实现最优的产品性能。本发明针对现有碳纤维增强树脂基复合材料的低温性能不好的问题，本发明提供了一种碳纤维、镁合金微结构增强复合板及其制备方法。采用耐低温镁合金材料，碳纤维及其他纤维结合形成耐低温树脂基复合材料，结合微结构形式设计，开发出一种新型复合板，很好地发挥了镁合金抗冲击的优点，用碳纤维弥补了镁合金材料韧性不足的缺点，把二者结合，使复合材料具有较好的耐低温特性，且具有较好的结构强度，耐冲击，可以用于冰雪运动装备等领域。

本发明所提供的一种碳纤维、镁合金微结构增强复合板，该复合板的结构由上层碳纤维板1，下层碳纤维板5，层间纤维层以及微结构镁合金板芯3构成；

其中，所述上层碳纤维板1和下层碳纤维板5是由碳纤维布与热固性树脂复合热压固化形成，热固性树脂与纤维质量比优选为1:1；上层碳纤维板1固化后厚度5～8mm，下层碳纤维板5固化后厚度在7～12mm；

优选地，碳纤维布为T系列碳纤维布，热固性树脂材料为聚双环戊二烯(PDCPD)或DP460环氧树脂；

优选地，下层碳纤维板5的厚度较上层碳纤维板1厚，目的为保证材料耐磨性及使用寿命。

所述微结构镁合金板芯3由发泡塑料31和微结构镁合金材料32两部分构成；所述发泡塑料31填充在微结构镁合金材料32的间隙中；所述发泡塑料31与微结构镁合金材料32质量比优选为1:6。

所述微结构镁合金材料32的微结构形式包括：三维双箭头负泊松比多胞微结构、梯度蜂窝结构和瓦楞纸结构；所述发泡塑料31为低密度发泡塑料，优选为化学交联聚乙烯(XPE)发泡塑料。

其中，微结构镁合金材料32微结构形式为三维双箭头负泊松比多胞微结构，微结构单元尺寸可为15mm×15mm×12mm～17mm×17mm×15mm；

所述微结构镁合金材料32的微结构形式为梯度蜂窝结构，微结构单元为三层设置，中间层为小尺寸蜂窝结构，中间层上下两侧布置相同的大尺寸蜂窝结构，中间层小尺寸蜂窝结构单元边长与上下两侧大尺寸蜂窝结构边长比为1:(2～3)。

所述上层间纤维层2设置在上层碳纤维板1和微结构镁合金板芯3之间，下层间纤维层4设置在下层碳纤维板5和微结构镁合金板芯3之间，上层间纤维层2和下层间纤维层4厚度1.0mm-1.5mm，均由树脂基和网眼直径在0.5-1.0mm的大网眼尺寸纤维材料构成，纤维材质包括：碳纤维、玻璃纤维以及凯夫拉纤维；树脂基为热固性树脂，优选为聚双环戊二烯(PDCPD)或DP460环氧树脂；纤维材质与树脂基的质量比在1:(1～1.5)之间。

一种碳纤维、镁合金微结构增强复合板的制备方法，

1)使用碳纤维布与热固性树脂材料复合热压固化，获得厚度为5～8mm的上层碳纤维板1；

2)使用碳纤维布与热固性树脂材料复合热压固化，获得厚度为7～12mm的下层碳纤维板5；

3)将发泡塑料31填充至微结构镁合金材料32的间隙中，待发泡完成，制得微结构镁合金板芯3的毛坯；对制得的毛坯进行机械加工，去除多余材料，得到所需微结构镁合金板芯3的尺寸，并对微结构镁合金板芯3上下表面进行磨砂处理，提高粗糙度。

4)将网眼直径在0.5-1.0mm的大网眼尺寸纤维材料采用预浸料方式与热固性树脂复合后缠绕铺设在微结构镁合金板芯3外侧，在微结构镁合金板芯3上下表面分别得到厚度为1.0mm-1.5mm的上层间纤维层2和下层间纤维层4；

5)将上层碳纤维板1和下层碳纤维板5分别放置到上层间纤维层2和下层间纤维层4的上方和下方，热压固化粘接到一起后得到所述的碳纤维、镁合金微结构增强复合板。

步骤3)中微结构镁合金材料32通过选择性激光烧结技术得到。

步骤4)中在缠绕铺设时采用的铺设角度为0°、45°和90°三个方向交替铺设。

步骤(1)与步骤(2)中所述碳纤维布按照预浸料铺设方式不同由上至下依次分为第一部分、第二部分、第三部分、第四部分和第五部分；其中第一部分与第五部分由至少六层单向碳纤维布预浸料由上至下按照0°/45°/90°/0°/45°/90°的顺序交替铺设，第二部分与第四部分由若干层单向碳纤维布预浸料由上至下按照90°/0°交替铺设，第三部分由若干层单向碳纤维布预浸料由上至下按照90°/0°交替铺设。

本发明的有益效果为：

本发明中微结构镁合金材料32采用三维双箭头负泊松比多胞微结构，梯度蜂窝结构，瓦楞纸结构等多种微结构形式呈现；镁合金具有高比强度、高比刚度、高弹性模量及优良的抗震减噪性，抗冲击性能及良好的铸造性，而相较于直接采用镁合金板料，采用微结构的形式形成芯体有利于提高镁合金材料整体的惯性矩，可承受剪切载荷，提升了整体的抗弯能力与抗冲击能力。

微结构镁合金材料32中填充的发泡塑料31可以有效地提高材料的减震、降噪和抗冲击性能，同时也对镁合金微结构起到支撑缓震作用，防止超高强度冲击带来的破坏。

本发明中采用高强度碳纤维使材料整体获得了较高的力学性能，同时弥补了镁合金韧性不足的缺点。

本发明中采用新型PDCPD树脂体系，其弯曲模量为1790～2070MPa，拉伸强度34MPa，悬臂梁缺口冲击强度427J/m，具有优秀的力学性能；在-40℃时不变性，可以保证其在低温下稳定的工作性能；此外，还具有优异的耐候性、耐磨性、表面涂饰性、电绝缘性、耐酸碱性及防水性保证材料整体的使用寿命。

以预浸料方式在结构中铺设层间纤维层，相较于手工涂抹等其他方式，提高了树脂的均匀性，可获得较高质量的复合材料层间结构，提高了层间结合强度和材料使用寿命。

本发明中采用的材料和结构设计均为轻量化材料，可在获得较高的使用性能的同时保证其重量较轻，有利于运用在冰雪装备或其他有轻量化需求的领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种碳纤维、镁合金微结构增强复合板及其制备方法的复合板拆分结构示意图。

图2为梯度蜂窝结构的微结构镁合金材料结构示意图。

图中：1-上层碳纤维板，2-上层间纤维层，3-微结构镁合金板芯，31-发泡塑料，32-微结构镁合金材料，4-下层间纤维层，5-下层碳纤维板。

具体实施方式

下面以具体实施例的方式对本发明做进一步解释和说明，但本发明不局限于以下实例，结合所用微结构的不同形式以及其他材料的不同种类可形成多种不同的实施方式。

实施例1：

本实施例中所制备的碳纤维、镁合金微结构增强复合板如图1所示，制备步骤具体如下：

1)使用T系列碳纤维布与聚双环戊二烯(PDCPD)热固性树脂材料复合热压固化，获得厚度为5～8mm的上层碳纤维板1；

2)使用T系列碳纤维布与聚双环戊二烯(PDCPD)热固性树脂材料复合热压固化，获得厚度为7～12mm的下层碳纤维板5；

3)将发泡塑料31填充至微结构镁合金材料32的间隙中，待发泡完成，制得微结构镁合金板芯3的毛坯；对制得的毛坯进行机械加工，去除多余材料，得到所需微结构镁合金板芯3的尺寸，并对微结构镁合金板芯3上下表面进行磨砂处理，提高粗糙度。

其中微结构镁合金材料32微结构形式为三维双箭头负泊松比多胞微结构，通过选择性激光烧结技术根据所需制件的外形制得；微结构单元尺寸为15mm×15mm×12mm，根据实际情况选择尺寸，单层设置。

4)将网眼直径在0.5-1.0mm的大网眼尺寸纤维材料采用预浸料方式与聚双环戊二烯(PDCPD)热固性树脂复合后缠绕铺设在微结构镁合金板芯3外侧，在微结构镁合金板芯3上下表面分别得到厚度为1.0mm-1.5mm的上层间纤维层2和下层间纤维层4；铺设角度为0°/45°/90°三个角度交替；

5)将上层碳纤维板1和下层碳纤维板5与缠绕有上层间纤维层2和下层间纤维层4的微结构镁合金板芯3组合到一起，热压固化粘接到一起后得到所述的碳纤维、镁合金微结构增强复合板。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：所述微结构镁合金材料32的微结构形式为梯度蜂窝结构，通过选择性激光烧结技术根据所需制件的外形制得；微结构单元为三层设置，中间层为小尺寸蜂窝结构，中间层上下两侧布置相同的大尺寸蜂窝结构，中间层小尺寸蜂窝结构单元边长与上下两侧大尺寸蜂窝结构边长比为1：2～1：3。

实施例3

本实施例与具体实施例1或2之一不同点是：步骤(1)与步骤(2)中所述碳纤维布按照预浸料铺设方式不同由上至下依次分为第一部分、第二部分、第三部分、第四部分和第五部分；其中第一部分与第五部分由至少六层单向碳纤维布预浸料由上至下按照0°/45°/90°/0°/45°/90°的顺序交替铺设，第二部分与第四部分由若干层单向碳纤维布预浸料由上至下按照90°/0°交替铺设，第三部分由若干层单向碳纤维布预浸料由上至下按照90°/0°交替铺设。

实施例4

本实施方式与实施例1至3之一不同点是：步骤(1)、(2)、(4)中所述树脂为DP460环氧树脂胶，其他与具体实施例1至3相同。

实施例5

本实施方式与实施例1至4之一不同点是：步骤(3)中所述微结构镁合金材料32的微结构单元尺寸为17mm×17mm×15mm，其他与具体实施例1至实施例4相同。

对实施例1得到的碳纤维、镁合金微结构增强复合板进行载荷测试，可知实施例1得到的碳纤维、镁合金微结构增强复合板的25℃常温载荷最大值为14063.3N，-20℃低温测试载荷最大值为13875.4N。由结果可知，低温情况下虽然性能有所降低，但仍能满足使用要求。其他实施例具有相同或类似的技术效果。

本发明内容不仅限于上述各实施例的内容，其中一个或几个具体实施例的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (9)

1.一种碳纤维、镁合金微结构增强复合板，其特征在于，该复合板的结构由上层碳纤维板(1)，下层碳纤维板(5)，层间纤维层以及微结构镁合金板芯(3)构成；

其中，所述上层碳纤维板(1)和下层碳纤维板(5)是由碳纤维布与热固性树脂复合热压固化形成；上层碳纤维板(1)和下层碳纤维板(5)中热固性树脂与纤维质量比为1:1；上层碳纤维板(1)固化后厚度5～8mm，下层碳纤维板(5)固化后厚度在7～12mm；

所述微结构镁合金板芯(3)由发泡塑料(31)和微结构镁合金材料(32)两部分构成；所述发泡塑料(31)填充在微结构镁合金材料(32)的间隙中；发泡塑料(31)与微结构镁合金材料(32)质量比为1:6；

所述微结构镁合金材料(32)的微结构形式包括：三维双箭头负泊松比多胞微结构、梯度蜂窝结构和瓦楞纸结构；所述发泡塑料(31)为低密度发泡塑料；

所述上层间纤维层(2)设置在上层碳纤维板(1)和微结构镁合金板芯(3)之间，下层间纤维层(4)设置在下层碳纤维板(5)和微结构镁合金板芯(3)之间，上层间纤维层(2)和下层间纤维层(4)厚度1.0mm-1.5mm，均由树脂基和网眼直径在0.5-1.0mm的大网眼尺寸纤维材料构成，纤维材质与树脂基的质量比在1:(1～1.5)之间；纤维材质包括：碳纤维、玻璃纤维以及凯夫拉纤维；树脂基为热固性树脂。

2.根据权利要求1所述的碳纤维、镁合金微结构增强复合板，其特征在于，上层碳纤维板(1)和下层碳纤维板(5)中碳纤维布为T系列碳纤维布，上层碳纤维板(1)、下层碳纤维板(5)、上层间纤维层(2)和下层间纤维层(4)中的热固性树脂为聚双环戊二烯或DP460环氧树脂。

3.根据权利要求1所述的碳纤维、镁合金微结构增强复合板，其特征在于，下层碳纤维板(5)的厚度较上层碳纤维板(1)厚。

4.根据权利要求1所述的碳纤维、镁合金微结构增强复合板，其特征在于，微结构镁合金板芯(3)中发泡塑料(31)为化学交联聚乙烯发泡塑料。

5.根据权利要求1所述的碳纤维、镁合金微结构增强复合板，其特征在于，微结构镁合金材料(32)微结构形式为三维双箭头负泊松比多胞微结构，微结构单元尺寸可为15mm×15mm×12mm～17mm×17mm×15mm；

或者，所述微结构镁合金材料(32)的微结构形式为梯度蜂窝结构，微结构单元为三层设置，中间层为小尺寸蜂窝结构，中间层上下两侧布置相同的大尺寸蜂窝结构，中间层小尺寸蜂窝结构单元边长与上下两侧大尺寸蜂窝结构边长比为1:(2～3)。

6.一种碳纤维、镁合金微结构增强复合板的制备方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：

1)使用质量比为1:1的碳纤维布与热固性树脂材料复合热压固化，获得厚度为5～8mm的上层碳纤维板(1)；

2)使用质量比为1:1的碳纤维布与热固性树脂材料复合热压固化，获得厚度为7～12mm的下层碳纤维板(5)；

3)将发泡塑料(31)填充至微结构镁合金材料(32)的间隙中，待发泡完成，制得微结构镁合金板芯(3)的毛坯；发泡塑料(31)与微结构镁合金材料(32)质量比为1:6；对制得的毛坯进行机械加工，去除多余材料，得到所需微结构镁合金板芯(3)的尺寸，并对微结构镁合金板芯(3)上下表面进行磨砂处理，提高粗糙度；

4)将网眼直径在0.5-1.0mm的大网眼尺寸纤维材料采用预浸料方式与热固性树脂复合后缠绕铺设在微结构镁合金板芯(3)外侧，纤维材质与树脂基的质量比在1:(1～1.5)之间；在微结构镁合金板芯(3)上下表面分别得到厚度为1.0mm-1.5mm的上层间纤维层(2)和下层间纤维层(4)；

5)将上层碳纤维板(1)和下层碳纤维板(5)分别放置到上层间纤维层(2)和下层间纤维层(4)的上方和下方，热压固化粘接到一起后得到所述的碳纤维、镁合金微结构增强复合板。

7.根据权利要求6所述的碳纤维、镁合金微结构增强复合板的制备方法，其特征在于，步骤3)中微结构镁合金材料(32)通过选择性激光烧结技术得到。

8.根据权利要求6所述的碳纤维、镁合金微结构增强复合板的制备方法，其特征在于，步骤4)中在缠绕铺设时采用的铺设角度为0°、45°和90°三个方向交替铺设。

9.根据权利要求6所述的碳纤维、镁合金微结构增强复合板的制备方法，其特征在于，步骤1)与步骤2)中所述碳纤维布按照预浸料铺设方式不同由上至下依次分为第一部分、第二部分、第三部分、第四部分和第五部分；其中第一部分与第五部分由至少六层单向碳纤维布预浸料由上至下按照0°/45°/90°/0°/45°/90°的顺序交替铺设，第二部分与第四部分由若干层单向碳纤维布预浸料由上至下按照90°/0°交替铺设，第三部分由若干层单向碳纤维布预浸料由上至下按照90°/0°交替铺设。

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