CN117621554A - 一种碳纤维增强复合材料板、制备工艺及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纤维增强复合材料板、制备工艺及其应用，涉及碳纤维增强复合材料技术领域。所述的碳纤维增强复合材料板包括三层结构，依次为上层、芯层和下层；所述的上层、下层均为涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布；所述的芯层为表面涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布，每两块表面涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布之间均有间隔，所述的间隔由树脂制成的格栅支撑，每个格栅孔内填充有聚四氟乙烯小球。本发明提供的碳纤维增强复合材料板不仅具有优异的力学性能，还具有优异的发电性能，使其服役时间和发电效率均明显提高，此碳纤维增强复合材料板不仅作为建筑结构的加固材料，还具有能源收集的作用。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维增强复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维增强复合材料板、制备工艺及其应用。
背景技术
随着交通运输行业的发展，桥梁工程所要求的承载能力也越来越高，许多桥梁无法达到现代交通的载荷需求，在长时间处于高荷载甚至超荷载的情况下，会出现老化、破损、裂缝等问题，因此必须要做好对桥梁的加固处理，碳纤维材料力学性能高、弹性好可以很大程度延缓裂缝的开展和减小裂缝宽度，有效增加结构刚度，减小结构构件的挠度，缓解内部钢筋的应变，提高钢筋的屈服荷载和结构的极限承载能力，且施工过程简单易行，在桥梁工程中承担着较为重要的角色。
碳纤维材料通常指碳纤维复合材料，由碳纤维与树脂基材料进行复合制成，碳纤维材料的密度小、质量轻，可以有效降低自重载荷，同时具有很高的强度和韧性。同时，碳纤维材料具有很好的稳定性、抗冲击性等优点，利用碳纤维对桥梁加固的过程中，施工过程简单易行，且对桥梁的整体结构几乎没有改变，丝毫不影响正常车辆的通行，因此受到桥梁领域的喜爱。
碳纤维加固技术的施工过程简单、总体成本较低，其本质是将碳纤维材料制成碳纤维布等结构，通过黏附树脂等工艺将其贴合在受损桥梁的表面，从而达到降低构件负荷、加固桥梁的作用。由于此加固技术是碳纤维布发挥主要作用，所以其基本特性很大程度受到碳纤维材料本身特点的影响，如耐酸碱、耐热耐寒、高弹性、高强度、高韧性等，将碳纤维材料制成布状结构，还可以实现外界高应力强度下分散局部的应力集中地作用，避免碳纤维布在受到大载荷下的裂纹和失效。
摩擦纳米技术通过两个摩擦面的接触-分离可以将环境中微小振动机械能转变为电能，其基本原理是：两种不同的材料接触时由于不同材料对电荷的束缚能力不同，会产生电荷转移，当两种材料在外力的驱使下分离时，其表面附着的静电荷会使两种材料表面产生感应电势差，产生的电势差会驱动电子在两种材料表面流动，从而产生电流输出。摩擦纳米发电机不仅在收集风能、水能、人体运动等无规则能量的获取方面具有极大地应用前景，而且在自供电传感器、人体健康检测、环境监测等方面有很大的潜在应用。
钢结构桥梁受到车辆行驶、人员走动、潮汐拍打、风吹雨打、昼夜交替导致的热胀冷缩均等作用，产生了丰富的振动机械能。若能收集起来，将会产生可观的能源。现有技术中针对桥梁振动机械能收集的报道有很多，如中国专利CN107453643A中公开了一种箱梁结构的接触式摩擦发电装置，该发电装置安装在桥梁结构内部和下表面，将环境动荷载引起的桥梁振动机械能转化为电能，经过该供电薄膜装置中的电源控制集成系统的稳压、变压处理，对桥上各用电设备进行供电或者进行电能存储，保证系统的持续供电，为箱梁结构提供一种全新的环保绿色能源。
但是目前应用于桥梁结构收集机械能的摩擦纳米发电装置仅仅作为建筑结构的附加部分，不能提供力学性能，同时长时间的摩擦面接触-分离会使得发电性能下降，因此需要开发一种既能够对桥梁起到加固作用又能对桥梁振动机械能进行收集的产品。而碳纤维增强复合材料具有高导电性和抗疲劳性优点，可以成为摩擦纳米发电机优良的摩擦面对桥梁上产生的振动机械能进行收集，还可以起到桥梁加固的作用。
在先专利CN114953664A公开了一种碳纤维复合材料及其制备方法和应用，该碳纤维复合材料包括卷材A和卷材B；所述卷材A包括碳纤维布和/或碳纤维板；所述卷材B由TENG薄膜、导电树脂层和绝缘层按顺序多层层叠方式制备，电流并联输出；该发明能够兼顾结构增强/加固和电能输出功能，解决远程、分布式实时监测能源消耗问题，及时发现桥梁结构的安全隐患，同时多余能源可供桥梁路灯系统工作，但是该碳纤维复合材料的力学性能不能满足要求，因此需要开发一种能够兼顾力学性能和摩擦发电性能的碳纤维增强复合材料板。
发明内容
基于现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种能够兼顾力学性能和摩擦发电性能的碳纤维增强复合材料板及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一方面，本发明提供了一种碳纤维增强复合材料板，所述的碳纤维增强复合材料板包括三层结构，依次为上层、芯层和下层；
所述的上层和下层均为涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布；
所述的芯层为表面涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布，每两块表面涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布之间的区域均有间隔，玻璃纤维布的长度占芯层总长度的70％-85％。
所述的孔隙由树脂制成的格栅支撑，所述的格栅高度为2-4mm，每个格栅孔内填充有聚四氟乙烯小球，保证每个格栅孔内为1个小球；所述的聚四氟乙烯小球的直径为1-3mm；格栅孔边长比小球直径大0.2mm。
其中，
所述的改性环氧树脂，按质量百分含量计由环氧树脂基体60-70％、固化剂15-20％、导电填料5-10％和稀释剂10-15％制备而成；
所述的环氧树脂基体为双酚型环氧树脂；
优选地，所述的环氧树脂基体为双酚A型环氧树脂或双酚F型环氧树脂；优选为双酚F型环氧树脂。
所述的固化剂为聚酰胺固化剂或吡啶类固化剂；
优选地，所述的固化剂为所述的固化剂具体为聚酰胺650、聚酰胺651或2-苯基-4-甲基吡啶；优选为2-苯基-4-甲基吡啶。
所述的导电填料为纳米金属颗粒或碳材料中的一种或多种；
优选地，所述的导电填料为炭黑。
所述的稀释剂为苯甲醇、甲苯或丙酮。
优选地，所述的稀释剂为苯甲醇。
所述的改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂基体、固化剂和稀释剂加入反应釜，在常温下搅拌均匀，再向反应釜中加入导电填料，搅拌均匀后得到改性环氧树脂。
所述的普通环氧树脂由质量比为3-7:10的固化剂和环氧树脂基体制备而成；
所述的固化剂为酸酐类固化剂；
优选地，所述的固化剂为酞酸酐固化剂。
所述的环氧树脂基体为缩水甘油胺类环氧树脂；
优选地，所述的环氧树脂基体为四乙烯五胺缩水甘油胺环氧树脂。
所述的普通环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂基体与固化剂加入反应釜中，在常温下搅拌至均匀后得到普通环氧树脂。
所述的碳纤维布的型号为80k或120k；所述的玻璃纤维布的型号为EWR750-100或EWR1300-100。
另一方面，本申请还提供了上述碳纤维增强复合材料板的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制改性环氧树脂溶液和普通环氧树脂溶液；
(2)取碳纤维布，并在碳纤维布上接导线，将接有导线的碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，然后固化，得到涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布；
(3)将玻璃纤维布切割成小块，然后置于环氧树脂溶液中浸渍，得到涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布，然后将其贴附在步骤(2)得到的涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布的一侧，然后固化，得到碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(4)在未贴附涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布的碳纤维-玻璃纤维增强复合材料区域内利用3D打印技术打印格栅，烘干后向格栅内填充聚四氟乙烯小球，得到具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(5)取另一块碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，固化后将其覆盖在具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板另一侧，固化后切割，得到所述的碳纤维增强复合材料板。
上述步骤(2)中所述的导线之间的距离为玻璃纤维布长度及其间隔之和的50％。
上述步骤(2)、步骤(3)和步骤(5)中所述的固化为采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为1-2h。
上述步骤(4)所述的3D打印技术即增材制造技术，其打印机为光固化式3D打印机；所述的烘干为高温烘道烘干，高温烘道内预设温度为80℃，成型时间为30-60min。
上述步骤(4)中所述的格栅高度为2-4mm，格栅孔边长比小球直径大0.2mm；所述的聚四氟乙烯小球直径为1-3mm。
再一方面，本发明还提供了所述的碳纤维增强复合材料板在制备摩擦纳米发电机中的应用。
再一方面，本发明还提供了所述的碳纤维增强复合材料板在制备建筑加固材料中的应用。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
(1)本发明采用不同的环氧树脂对碳纤维布和玻璃纤维布进行浸渍，其中普通环氧树脂体积电阻率不低于1.5×103Ω·cm，改性环氧树脂体积电阻率不高于4×105Ω·cm，其目的是提高电能传输效率，防止静电荷直接通过芯层发生电荷中和，导致无法产生电势差，从而影响了电流的输出。
(2)本发明提供的碳纤维增强复合材料板不仅具有优异的力学性能，还具有优异的发电性能，使其工作时间和发电效率均明显提高，此碳纤维增强复合材料板不仅作为建筑结构的加固材料，还具有能源收集的作用。
附图说明
图1为本发明所述的碳纤维增强复合材料板的结构示意图；
图2为本发明所述的碳纤维增强复合材料板的芯层俯视图；
图3为本发明所述的碳纤维增强复合材料板的发电性能图；
图4为本发明所述的碳纤维增强复合材料板对电容器充能的性能图；
图5为本发明所述的碳纤维增强复合材料板的耐久测试图；
图6为本发明所述的碳纤维增强复合材料板的制备工艺流程图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1上述碳纤维增强复合材料板的制备方法
此实施例格栅高度为4mm。
包括如下步骤：
(1)配制改性环氧树脂溶液和普通环氧树脂溶液；
1.1改性环氧树脂溶液：将65％的双酚F型环氧树脂、15％的2-苯基-4-甲基吡啶固化剂和10％的苯甲醇放入反应釜，在常温下搅拌均匀，再向反应釜中加入10％的炭黑，搅拌均匀后得到改性环氧树脂。
1.2普通环氧树脂溶液：将重量比为10:5的四乙烯五胺缩水甘油胺环氧树脂与酞酸酐固化剂放入反应釜中，在常温下搅拌至均匀后得到普通环氧树脂。
(2)取碳纤维布80k，并在碳纤维布上接导线，将接有导线的碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，然后固化，固化为采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，得到涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布；
(3)将玻璃纤维布EWR750-100切割成122.5mm×60mm的小块，然后置于普通环氧树脂溶液中浸渍，得到涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布，然后将其贴附在步骤(2)得到的涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布的一侧，每次贴2-4层，每块涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布的区域之间的距离为55mm，然后固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，得到碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(4)在未贴附涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布的碳纤维-玻璃纤维增强复合材料区域内利用3D打印技术打印格栅，格栅参数为：长宽高55mm×55mm×4mm，格栅孔密度为17×17，通过高温烘道烘干，高温烘道内预设温度为80℃，成型时间为60min，烘干后通过往复振动式填充机向格栅孔中填入聚四氟乙烯小球，小球直径2mm，球孔比为1：1，得到具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(5)取另一块碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，固化后将其覆盖在具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板另一侧，采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，切割，得到所述的碳纤维增强复合材料板。
实施例2上述碳纤维增强复合材料板的制备方法
此实施例格栅高度为2mm。
包括如下步骤：
(1)配制改性环氧树脂溶液和普通环氧树脂溶液；
1.1改性环氧树脂溶液：将65％的双酚F型环氧树脂、15％的2-苯基-4-甲基吡啶固化剂和10％的苯甲醇放入反应釜，在常温下搅拌均匀，再向反应釜中加入10％的炭黑，搅拌均匀后得到改性环氧树脂。
1.2普通环氧树脂溶液：将重量比为10:5的四乙烯五胺缩水甘油胺环氧树脂与酞酸酐固化剂放入反应釜中，在常温下搅拌至均匀后得到普通环氧树脂。
(2)取碳纤维布80k，并在碳纤维布上接导线，将接有导线的碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，然后固化，固化为采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，得到涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布；
(3)将玻璃纤维布EWR750-100切割成122.5mm×60mm的小块，然后置于普通环氧树脂溶液中浸渍，得到涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布，然后将其贴附在步骤(2)得到的涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布的一侧，每次贴2-4层，每块涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布的区域之间的距离为55mm，然后固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，得到碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(4)在未贴附涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布的碳纤维-玻璃纤维增强复合材料区域内利用3D打印技术打印格栅，格栅参数为：长宽高55mm×55mm×2mm，格栅孔密度为17×17，通过高温烘道烘干，高温烘道内预设温度为80℃，成型时间为60min，烘干后通过往复振动式填充机向格栅孔中填入聚四氟乙烯小球，小球直径2mm，球孔比为1：1，得到具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(5)取另一块碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，固化后将其覆盖在具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板另一侧，采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，切割，得到所述的碳纤维增强复合材料板。
实施例3上述碳纤维增强复合材料板的制备方法
此实施例格栅高度为3mm。
包括如下步骤：
(1)配制改性环氧树脂溶液和普通环氧树脂溶液；
1.1改性环氧树脂溶液：将65％的双酚F型环氧树脂、15％的2-苯基-4-甲基吡啶固化剂和10％的苯甲醇放入反应釜，在常温下搅拌均匀，再向反应釜中加入10％的炭黑，搅拌均匀后得到改性环氧树脂。
1.2普通环氧树脂溶液：将重量比为10:5的四乙烯五胺缩水甘油胺环氧树脂与酞酸酐固化剂放入反应釜中，在常温下搅拌至均匀后得到普通环氧树脂。
(2)取碳纤维布80k，并在碳纤维布上接导线，将接有导线的碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，然后固化，固化为采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，得到涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布；
(3)将玻璃纤维布EWR750-100切割成122.5mm×60mm的小块，然后置于普通环氧树脂溶液中浸渍，得到涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布，然后将其贴附在步骤(2)得到的涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布的一侧，每次贴2-4层，每块涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布的区域之间的距离为55mm，然后固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，得到碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(4)在未贴附涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布的碳纤维-玻璃纤维增强复合材料区域内利用3D打印技术打印格栅，格栅参数为：长宽高55mm×55mm×3mm，格栅孔密度为17×17，通过高温烘道烘干，高温烘道内预设温度为80℃，成型时间为60min，烘干后通过往复振动式填充机向格栅孔中填入聚四氟乙烯小球，小球直径2mm，球孔比为1：1，得到具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(5)取另一块碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，固化后将其覆盖在具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板另一侧，采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，切割，得到所述的碳纤维增强复合材料板。
对比例1
与实施例3的区别在于：对比例不添加格栅和聚四氟乙烯球，具体为：
(1)配制改性环氧树脂溶液和普通环氧树脂溶液；
1.1改性环氧树脂溶液：将65％的双酚F型环氧树脂、15％的2-苯基-4-甲基吡啶固化剂和10％的苯甲醇放入反应釜，在常温下搅拌均匀，再向反应釜中加入10％的炭黑，搅拌均匀后得到改性环氧树脂。
1.2普通环氧树脂溶液：将重量比为10:5的四乙烯五胺缩水甘油胺环氧树脂与酞酸酐固化剂放入反应釜中，在常温下搅拌至均匀后得到普通环氧树脂。
(2)取碳纤维布80k，并在碳纤维布上接导线，将接有导线的碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，然后固化，固化为采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，得到涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布；
(3)将玻璃纤维布EWR750-100切割成122.5mm×60mm的小块，然后置于普通环氧树脂溶液中浸渍，得到涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布，然后将其贴附在步骤(2)得到的涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布的一侧，每次贴2-4层，每块涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布的区域之间的距离为55mm，然后固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，得到碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(4)取另一块碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，固化后将其覆盖在具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板另一侧，采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，切割，得到所述的碳纤维增强复合材料板。
对比例2
与实施例3的区别在于：此对比例将格栅高度调整为6mm，具体为：
(1)配制改性环氧树脂溶液和普通环氧树脂溶液；
1.1改性环氧树脂溶液：将65％的双酚F型环氧树脂、15％的2-苯基-4-甲基吡啶固化剂和10％的苯甲醇放入反应釜，在常温下搅拌均匀，再向反应釜中加入10％的炭黑，搅拌均匀后得到改性环氧树脂。
1.2普通环氧树脂溶液：将重量比为10:5的四乙烯五胺缩水甘油胺环氧树脂与酞酸酐固化剂放入反应釜中，在常温下搅拌至均匀后得到普通环氧树脂。
(2)取碳纤维布80k，并在碳纤维布上接导线，将接有导线的碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，然后固化，固化为采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，得到涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布；
(3)将玻璃纤维布EWR750-100切割成122.5mm×60mm的小块，然后置于普通环氧树脂溶液中浸渍，得到涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布，然后将其贴附在步骤(2)得到的涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布的一侧，每次贴2-4层，每块涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布之间的区域的距离为55mm，然后固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，得到碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(4)在未贴附涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布的碳纤维-玻璃纤维增强复合材料区域内利用3D打印技术打印格栅，格栅参数为：长宽高55mm×55mm×6mm，格栅孔密度为17×17，通过高温烘道烘干，高温烘道内预设温度为80℃，成型时间为60min，烘干后通过往复振动式填充机向格栅孔中填入聚四氟乙烯小球，小球直径2mm，球孔比为1：1，得到具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(5)取另一块碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，固化后将其覆盖在具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板另一侧，采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为2h，切割，得到所述的碳纤维增强复合材料板。
对比例3
与实施例3的区别在于：此对比例对改性环氧树脂的配比进行了调整，具体为：
(1)配制改性环氧树脂溶液和普通环氧树脂溶液；
1.1改性环氧树脂溶液：将80％的双酚F型环氧树脂、7％的2-苯基-4-甲基吡啶固化剂和10％的苯甲醇放入反应釜，在常温下搅拌均匀，再向反应釜中加入3％的炭黑，搅拌均匀后得到改性环氧树脂。
其他步骤与实施例3相同。
对比例4
与实施例3的区别在于：此对比例将聚四氟乙烯球直径调整为0.5mm，其他步骤与实施例3相同。
效果测试：
(1)发电性能测试：将试样切割为长宽为300mm×60mm，固定至振动机表面。将振动机调节至频率为40Hz、振动幅值为1mm，并连接至电学仪器，一段时间后记录试样发电的电压峰值及电流峰值，测试其发电性能。
(2)力学性能测试：将试样切割为长宽为300mm×60mm，两侧用铝片夹紧，用万用试验机测试其抗拉强度。
具体测试结果参见表1和表2。
表1发电性能
| 编号 | 电压峰值 | 电流峰值 |
| 实施例1 | 67.1V | 8.94μA |
| 实施例2 | 58.4V | 7.65μA |
| 实施例3 | 64.3V | 8.72μA |
| 对比例1 | 0V | 0μA |
| 对比例2 | 70.9V | 9.37μA |
| 对比例3 | 1.6V | 0.23μA |
| 对比例4 | 47.8V | 6.16μA |
表2抗拉强度
结论：
根据上表1-2可看出：
对比例1：当不加格栅时，力学性能最优，可由此对比发现，当格栅高度在2-4mm内时，上层和下层弯曲程度不大，力学性能降低并不明显，且其力学性能与无格栅的复合材料板相较差异不大。
对比例2：当格栅高度过高时，复合板的发电性能因格栅高度增加而略有增加，但因上层和下层弯曲程度过大，因此大大降低了其力学性能，使复合板的加固能力显著下降。
对比例3：所优选的固化剂和聚四氟乙烯束缚电子的能力差异较大，对电势差的产生及电流的输出有较为显著的影响，导电填料的含量对改性环氧树脂的电阻率影响较大，会影响电流的输出效率；但改性环氧树脂配比的改变对其力学性能的影响较为微小。
对比例4：小球直径会影响其弹跳时和复合板的接触面积大小，接触面积过小会使复合材料板的发电性能降低，但不会影响其力学性能。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳纤维增强复合材料板，所述的碳纤维增强复合材料板包括三层结构，依次为上层、芯层和下层；其特征在于：
所述的上层和下层均为涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布；
所述的芯层为表面涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布，每两块表面涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布的区域之间均有间隔，玻璃纤维布的长度占芯层总长度的70％-85％；
所述的间隔由树脂制成的格栅支撑，所述的格栅高度为2-4mm，每个格栅孔内填充有聚四氟乙烯小球。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料板，其特征在于：所述的聚四氟乙烯小球的直径为1-3mm。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料板，其特征在于：所述的改性环氧树脂，按质量百分含量计由环氧树脂基体60-70％、固化剂15-20％、导电填料5-10％和稀释剂10-15％制备而成；
所述的环氧树脂基体为双酚型环氧树脂；
所述的固化剂可为聚酰胺固化剂或吡啶类固化剂；
所述的导电填料为纳米金属颗粒或碳材料中的一种或多种；
所述的稀释剂为苯甲醇、甲苯或丙酮。
4.根据权利要求3所述的碳纤维增强复合材料板，其特征在于：所述的普通环氧树脂基体为双酚A型环氧树脂或双酚F型环氧树脂；
所述的固化剂具体为聚酰胺650、聚酰胺651或2-苯基-4-甲基吡啶；
所述的导电填料具体为纳米银、纳米铜、碳纳米管、炭黑和石墨烯中的一种或多种；
所述的稀释剂具体为苯甲醇、甲苯或丙酮。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料板，其特征在于：所述的普通环氧树脂由质量比为3-7:10的固化剂和环氧树脂基体制备而成；
所述的固化剂为酸酐类固化剂；
所述的环氧树脂基体为缩水甘油胺类环氧树脂。
6.根据权利要求5所述的碳纤维增强复合材料板，其特征在于：所述的固化剂具体为马来酸酐固化剂或酞酸酐固化剂；所述的环氧树脂基体具体为乙二胺缩水甘油胺环氧树脂、三乙烯四胺缩水甘油胺环氧树脂或四乙烯五胺缩水甘油胺环氧树脂。
7.权利要求1-6任一项所述的碳纤维增强复合材料板的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)配制改性环氧树脂溶液和普通环氧树脂溶液；
(2)取碳纤维布，并在碳纤维布上接导线，将接有导线的碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，然后固化，得到涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布；
(3)将玻璃纤维布切割成小块，然后置于普通环氧树脂溶液中浸渍，得到涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布，然后将其贴附在步骤(2)得到的涂覆有改性环氧树脂的碳纤维布的一侧，每块涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布之间隔有一定的距离，然后固化，得到碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(4)在未贴附涂覆有普通环氧树脂的玻璃纤维布的碳纤维-玻璃纤维增强复合材料区域内利用3D打印技术打印格栅，烘干后向格栅内填充聚四氟乙烯小球，得到具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板；
(5)取另一块碳纤维布置于改性环氧树脂溶液中浸渍，固化后将其覆盖在具有弹跳球结构碳纤维-玻璃纤维增强复合材料板另一侧，固化后切割，得到所述的碳纤维增强复合材料板。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)、步骤(3)和步骤(5)中所述的固化为采用高温模压机进行固化，所述的高温模压机内部预设温度为60℃，预设模压压力为5kpa，模压成型时间为1-2h；
步骤(4)所述的3D打印技术即增材制造技术，其打印机为光固化式3D打印机；所述的烘干为高温烘道烘干，高温烘道内预设温度为80℃，成型时间为30-60min。
9.权利要求1-6任一项所述的碳纤维增强复合材料板或权利要求7-8任一项所述的制备方法制备的得到的碳纤维增强复合材料板在制备摩擦纳米发电机中的应用。
10.权利要求1-6任一项所述的碳纤维增强复合材料板或权利要求7-8任一项所述的制备方法制备的得到的碳纤维增强复合材料板在制备建筑加固材料中的应用。
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