CN115991014A - 一种碳纤维微结构材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种碳纤维微结构材料，由上层碳纤维板1，下层碳纤维板3以及碳纤维微结构夹层材料2组成，由于微结构形式的引入，碳纤维微结构夹层材料2与上层碳纤维板1和下层碳纤维板3之间存在空气间隙，可使碳纤维板在厚度方向上获得吸声性能。本发明中碳纤维微结构夹层材料2采用模压或辊压的方式形成，有利于实现流水线生产，生产效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维微结构材料及其制备方法，属碳纤维复合材料制备及应用的技术领域。
背景技术
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、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。但是，目前碳纤维价格昂贵，而市场需求量很大。因此，亟需一种方法可以在降低碳纤维使用量的同时，获得相同或性能更好的材料。
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。
点阵板材是一种中空结构板材，这种板材的质量密度很低，且具有较高的机械性能。目前，国内外对于金属点阵结构形式的研究已经较为成熟，已经提出金字塔、四面体、八面体等各种拓扑构型的点阵结构；但现有碳纤维复合材料点阵结构制备工艺复杂，批量生产困难，且面芯连接不牢固易发生断裂和脱落的问题。
针对上述存在的问题，我们设计了一种具有微结构特性的碳纤维增强树脂基夹层材料，并开发出一种新型碳纤维微结构增强复合板及其制备方法。其生产工艺简单，层间结合牢固，具有较好的力学性能，以及较好的抗冲击性、保暖性、柔韧性，是一种新型碳纤维复合板。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术的现状，在上述现有技术上设计一种具有微结构特性的碳纤维增强树脂基复合材料，并开发出一种新型碳纤维微结构增强复合板及其制备方法。采用微结构形式设计，开发出一种新型复合板，其生产工艺简单，层间结合牢固，可以在碳纤维使用量更少的情况下，获得性能达到要求的碳纤维板。同时，由于微结构形式的引入，可使碳纤维板获得如抗冲击性、保暖性等之前单纯碳纤维板所不具备或不甚优秀的性能。
本发明提供的一种碳纤维微结构材料及其制备方法。该复合板的结构，由上层碳纤维板1，下层碳纤维板3以及碳纤维微结构夹层材料2组成；
所述上层碳纤维板1是由T系列碳纤维布与PDCPD热固性树脂材料复合热压固化形成，其固化后厚度在5~8mm；
所述下层碳纤维板3是由T系列碳纤维布与PDCPD热固性树脂材料复合热压固化形成，其固化后厚度在5~8mm；
所述碳纤维微结构夹层材料2采用模压或辊压的方式制备而成，
其中模压的制备方式由以下步骤完成的：
一、加工前处理：在加工前，利用丙酮对模具进行清洁，除去上一次加工的残留物。之后在模具表面喷涂脱模剂，以免发生粘连；
二、加工所需多层碳纤维预浸料：根据微结构夹层材料2的厚度需求，依据单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料层的厚度，计算单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料的具体层数n层，然后将n层单层单向碳纤维预浸料按照0°/45°/90°三个方向交替铺设，得到多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，将多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料在温度为20~30℃下进行预热，得到预热后多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，厚度在3~5mm；
三、模压：将预热后多层碳纤维预浸料铺设于下模表面，且使预热后多层碳纤维预浸料与下模接触贴合在一起，利用螺栓使上模和下模合模，并通过螺栓使成型压力控制为3MPa～8MPa，得到装载碳纤维预处理件的模具；
四、固化脱模：将装载碳纤维预处理件的模具置于固化炉进行固化，然后脱模，得到纤维微结构夹层材料2；
五、切割：按照需求对碳纤维微结构夹层材料2进行裁剪，获得所需尺寸；
其中辊压的制备方式由以下步骤完成的：
一、加工前处理：在加工前，利用丙酮对轧辊进行清洁，除去上一次加工的残留物。之后在轧辊表面喷涂脱模剂，以免发生粘连；
二、加工所需多层碳纤维预浸料：根据微结构夹层材料2的厚度需求，依据单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料层的厚度，计算单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料的具体层数n层，然后将n层单层单向碳纤维预浸料按照0°/45°/90°三个方向交替铺设，得到多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，将多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料在温度为20~30℃下进行预热，得到预热后多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，厚度在3~5mm；
三、辊压：将预热后的多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料送入轧辊中，辊间距根据需求设置，轧制一道次后将此凹凸阵列夹层预制品置于平面准备进行下一步工序；
四、固化：将上一步制得的凹凸阵列夹层预制品置于固化炉中固化，得到碳纤维微结构夹层材料2；
五、切割：按照需求对碳纤维微结构夹层材料2进行裁剪，获得所需尺寸；
上述一种碳纤维微结构复合板的制备方法为：对上层碳纤维板1，碳纤维微结构夹层材料2，下层碳纤维板3表面涂胶，按照上层碳纤维板1，碳纤维微结构夹层材料2，下层碳纤维板3的顺序排列加压固化，形成粘接。
本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果：
本发明中碳纤维微结构夹层材料2采用微结构形式呈现；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、膨胀系数小等优点。而相较于直接采用碳纤维板料，采用微结构的形式形成夹层可以减少碳纤维的使用量，并有利于提高材料整体的惯性矩，可承受剪切载荷，提升了整体的抗弯能力与抗冲击能力。同时，由于微结构形式的引入，碳纤维微结构夹层材料2与上层碳纤维板1和下层碳纤维板3之间存在空气间隙，可使碳纤维板在厚度方向上获得吸声性能。
本发明中碳纤维微结构夹层材料2采用模压或辊压的方式形成，有利于实现流水线生产，生产效率高。
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。
本发明中采用的轻量化材料和微结构设计，可在获得较高的使用性能的同时保证其重量较轻，有利于运用在汽车覆盖件或其他有轻量化需求的领域。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为实施例1中碳纤维微结构复合板拆分结构示意图。
图中：1-上层碳纤维板，2-碳纤维微结构夹层材料，3-下层碳纤维板。
图2为实施例1中碳纤维微结构夹层材料2的结构示意图。
图3为实施例6中碳纤维微结构复合板拆分结构示意图。
图中：1-上层碳纤维板，2-碳纤维微结构夹层材料，3-下层碳纤维板。
图4为实施例6中碳纤维微结构夹层材料2的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
具体实施例一：如图1所示一种辊压碳纤维微结构材料及其制备方法。该复合板的结构，由上层碳纤维板1，下层碳纤维板3以及碳纤维微结构夹层材料2组成；
所述上层碳纤维板1是由T系列碳纤维布与PDCPD热固性树脂材料复合热压固化形成，其固化后厚度在5~8mm；
所述下层碳纤维板3是由T系列碳纤维布与PDCPD热固性树脂材料复合热压固化形成，其固化后厚度在5~8mm；
所述碳纤维微结构夹层材料2具体是由以下步骤完成的：
一、加工前处理：在加工前，利用丙酮对轧辊进行清洁，除去上一次加工的残留物，之后在轧辊表面喷涂脱模剂，以免发生粘连。根据实际情况，选择微结构单元尺寸为5mm*5mm*6mm-10mm*10mm*8mm；
二、加工所需多层碳纤维预浸料：根据微结构夹层材料2的厚度需求，依据单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料层的厚度，计算单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料的具体层数n层，然后将n层单层单向碳纤维预浸料按照0°/45°/90°三个方向交替铺设，得到多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，将多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料在温度为20~30℃下进行预热，得到预热后多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，厚度在3~5mm；
三、辊压：将预热后的多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料送入轧辊中，辊间距根据需求设置，轧制一道次后将此凹凸阵列夹层预制品置于平面准备进行下一步工序；
四、固化：将上一步制得的凹凸阵列夹层预制品置于固化炉中固化，得到辊压凹凸阵列夹层；
五、切割：按照需求对碳纤维微结构夹层材料2进行裁剪，获得所需尺寸；
上述一种碳纤维微结构复合板的制备方法为：对上层碳纤维板1，碳纤维微结构夹层材料2，下层碳纤维板3表面涂胶，按照上层碳纤维板1，碳纤维微结构夹层材料2，下层碳纤维板3的顺序排列加压固化，形成粘接；
实施例2
本实施例与实施例1不同点是：步骤二中所述多层碳纤维预浸料按照碳纤维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，第一部分与第五部分由至少六层单向碳纤维预浸料由上至下按照0°/45°/90°/0°/45°/90°交替铺设，第二部分与第四部分由若干层单向碳纤维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预浸料由上至下按照45°/0交替铺设，其他与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1不同点是：步骤二中所述碳纤维微结构夹层材料2的突起高度为6mm，正方形突起底边边长为5mm。其他与实施例1相同。
实施例4
本实施方式与实施例1不同点是：步骤四中所述固化的具体过程如下：先以1℃/min～4℃/min的升温速率将固化炉内温度从室温升温至125～135℃，然后在温度为125～135℃条件下保温30min～50min，再随炉冷却至50～60℃，完成固化。其他与实施例1相同。
实施例5
本实施例与实施例1不同点是：步骤六中所述胶为DP460环氧树脂胶。其他与实施例1相同。
实施例6
如图3所示一种模压碳纤维微结构材料及其制备方法。该复合板的结构，由上层碳纤维板1，下层碳纤维板3以及碳纤维微结构夹层材料2组成；
所述上层碳纤维板1是由T系列碳纤维布与PDCPD热固性树脂材料复合热压固化形成，其固化后厚度在5~8mm；
所述下层碳纤维板3是由T系列碳纤维布与PDCPD热固性树脂材料复合热压固化形成，其固化后厚度在5~8mm；
所述碳纤维微结构夹层材料2具体是由以下步骤完成的：
一、加工前处理：在加工前，利用丙酮对模具进行清洁，除去上一次加工的残留物。之后在模具表面喷涂脱模剂，以免发生粘连。根据实际情况，微结构单元尺寸可为5mm*5mm*10mm-10mm*10mm*20mm；
二、加工所需多层碳纤维预浸料：根据微结构夹层材料2的厚度需求，依据单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料层的厚度，计算单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料的具体层数n层，然后将n层单层单向碳纤维预浸料按照0°/45°/90°三个方向交替铺设，得到多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，将多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料在温度为20~30℃下进行预热，得到预热后多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，厚度在3~5mm；
三、模压：将预热后多层碳纤维预浸料铺设于下模表面，且使预热后多层碳纤维预浸料与下模接触贴合在一起，利用螺栓使上模和下模合模，并通过螺栓使成型压力控制为3MPa～8MPa，得到装载碳纤维预处理件的模具；
四、固化脱模：将装载碳纤维预处理件的模具置于固化炉进行固化，然后脱模，得到纤维微结构夹层材料2；
五、切割：按照需求对碳纤维微结构夹层材料2进行裁剪，获得所需尺寸；
上述一种碳纤维微结构复合板的制备方法为：对上层碳纤维板1，碳纤维微结构夹层材料2，下层碳纤维板3表面涂胶，按照上层碳纤维板1，碳纤维微结构夹层材料2，下层碳纤维板3的顺序排列加压固化，形成粘接；
实施例7
本实施例与实施例6不同点是：步骤二中所述多层碳纤维预浸料按照碳纤维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，第一部分与第五部分由至少六层单向碳纤维预浸料由上至下按照0°/45°/90°/0°/45°/90°交替铺设，第二部分与第四部分由若干层单向碳纤维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预浸料由上至下按照45°/0交替铺设，其他与实施例6相同。
实施例8
本实施例与实施例6不同点是：步骤二中所述碳纤维微结构夹层材料2的凸台高度为10mm，正方形凸台底边边长为5mm。其他与实施例6相同。
实施例9
本实施方式与实施例6不同点是：步骤四中所述固化的具体过程如下：先以1℃/min～4℃/min的升温速率将固化炉内温度从室温升温至125～135℃，然后在温度为125～135℃条件下保温30min～50min，再随炉冷却至50～60℃，完成固化。其他与实施例6相同。
实施例10
本实施例与实施例6不同点是：步骤六中所述胶为DP460环氧树脂胶。其他与实施例6相同。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种碳纤维微结构材料，其特征在于，该材料为复合板的结构，由上层碳纤维板，下层碳纤维板以及碳纤维微结构夹层材料组成；
所述上层碳纤维板是由T系列碳纤维布与PDCPD热固性树脂材料复合热压固化形成，其固化后厚度在5~8mm；
所述下层碳纤维板是由T系列碳纤维布与PDCPD热固性树脂材料复合热压固化形成，其固化后厚度在5~8mm；
所述碳纤维微结构夹层材料采用模压或辊压的方式制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维微结构材料，所述碳纤维微结构夹层材料采用模压方式制备而成，由以下步骤完成的：
一、加工前处理：在加工前，利用丙酮对模具进行清洁，除去上一次加工的残留物；之后在模具表面喷涂脱模剂，以免发生粘连；
二、加工所需多层碳纤维预浸料：根据微结构夹层材料的厚度需求，依据单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料层的厚度，计算单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料的具体层数n层，然后将n层单层单向碳纤维预浸料按照0°/45°/90°三个方向交替铺设，得到多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，将多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料在温度为20~30℃下进行预热，得到预热后多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，厚度在3~5mm；
三、模压：将预热后多层碳纤维预浸料铺设于下模表面，且使预热后多层碳纤维预浸料与下模接触贴合在一起，利用螺栓使上模和下模合模，并通过螺栓使成型压力控制为3MPa～8MPa，得到装载碳纤维预处理件的模具；
四、固化脱模：将装载碳纤维预处理件的模具置于固化炉进行固化，然后脱模，得到纤维微结构夹层材料；
五、切割：按照需求对碳纤维微结构夹层材料进行裁剪，获得所需尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维微结构材料，所述碳纤维微结构夹层材料采用辊压方式制备而成，其中辊压的制备方式由以下步骤完成的：
一、加工前处理：在加工前，利用丙酮对轧辊进行清洁，除去上一次加工的残留物,之后在轧辊表面喷涂脱模剂，以免发生粘连；
二、加工所需多层碳纤维预浸料：根据微结构夹层材料的厚度需求，依据单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料层的厚度，计算单层单向PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料的具体层数n层，然后将n层单层单向碳纤维预浸料按照0°/45°/90°三个方向交替铺设，得到多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，将多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料在温度为20~30℃下进行预热，得到预热后多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料，厚度在3~5mm；
三、辊压：将预热后的多层PDCPD热固性树脂碳纤维预浸料送入轧辊中，辊间距根据需求设置，轧制一道次后将此凹凸阵列夹层预制品置于平面准备进行下一步工序；
四、固化：将上一步制得的凹凸阵列夹层预制品置于固化炉中固化，得到碳纤维微结构夹层材料；
五、切割：按照需求对碳纤维微结构夹层材料进行裁剪，获得所需尺寸。
4.权利要求1-3任一项所述的一种碳纤维微结构材料的制备方法，其特征在于，对上层碳纤维板，碳纤维微结构夹层材料，下层碳纤维板表面涂胶，按照上层碳纤维板，碳纤维微结构夹层材料，下层碳纤维板的顺序排列加压固化，形成粘接。
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| CN114083725A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-02-25 | 哈尔滨工业大学 | 制备金字塔点阵芯子的模具及金字塔点阵芯子的制备方法 |
| CN114179451A (zh) * | 2021-12-15 | 2022-03-15 | 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 | 一种新型碳纤维复合材料波纹板及应用 |
| CN114211787A (zh) * | 2021-12-15 | 2022-03-22 | 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 | 一种多层空间结构的碳纤维层合板的制备方法 |
-
2023
- 2023-02-15 CN CN202310117186.8A patent/CN115991014A/zh active Pending
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