CN118146023B - 一种碳纤维板材预制体的制备方法、碳纤维板材预制体及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纤维板材预制体的制备方法、碳纤维板材预制体及应用,涉及保温隔热碳纤维制造领域。所述制备方法包括以下步骤:将碳纤维短切丝平铺于底部具有滤网的转料框后,将所述转料框浸入酚醛树脂中,进行超声分散处理;将浸渍树脂液后的碳纤维层进行加压和烘烤,得到预烘干胚体;将预烘干胚体进行铺层和浸胶处理,得到预浸预制体;将预浸预制体通过梯度升温加压进行热压处理,得到热压预制体;将热压预制体进行碳化处理,得到碳化预制体;将碳化预制体进行成致密化处理,得到碳纤维板材预制体。本发明所述制备方法使得碳纤维板材预制体的密度显著提升,致密化周期减少、力学性能提升。
Description
技术领域
本发明涉及保温隔热碳纤维制造领域,尤其是涉及一种碳纤维板材预制体的制备方法、碳纤维板材预制体及应用。
背景技术
对于硅、碳化硅等半导体,可采用长晶炉和拉单晶的方式获得近乎无位错的高质量单晶体材料,但是一般需要在非常高的温度和压力下才能实现液态到固态的直接转换。
在半导体单晶材料的工业生产过程中大多数高温炉(如单晶硅生长炉、气氛烧结炉等),显然高温炉内部的保温性和热场的控制极为重要。通过保温性的提高和热场的控制不仅能够让半导体单晶材料生长顺利,而且生长出的单晶质量高;反之,则可能无法生长出单晶,即使生长出单晶,也容易发生晶变,变成多晶或有大量缺陷的结构。而碳纤维复合材料是一种适用于高温场景的材料,在保护性气氛下,其最高使用温度高达2000℃以上,具有低导热系数、低热容量、低密度、耐高温、耐热冲击、可加工性好等优异性能,显然是作为提高保温性和热控制场的重要材料。
目前,现有碳纤维预制体制作工艺技术如下:碳纤维原丝→碳纤维短切丝→梳理成网胎→网胎裁切→铺层→针刺→预制体。即将裁切好的网胎,按照3~5层网胎一组将其铺整齐,然后将其放置在针板上针刺,由于针板上的刺针带有倒钩,会将部分纤维带起来在网胎的z向现成连接,从而将网胎层间连接起来形成一个整体,针刺完成一组后再将下一组网胎铺在上一组针刺好的半成品上继续针刺,直到6组原料全部针刺完成后得到一件整体的产品。随后,预制体后续处理依次进行预制体浸胶→热压固化成型→碳化→致密化→高温纯化。
然而,上述现有技术的问题在于:(1)将短切丝梳理成网胎后,其网胎很蓬松体积密度仅为0.15~0.17 g/cm3,导致其压制成型后孔隙率高,树脂板的密度仅为1.1~1.2 g/cm3,碳化后密度仅为0.9~1.0 g/cm3,导致后续需要多次致密化(至少5次)才能将密度提升至1.55 g/cm3以上;(2)针刺的过程会将纤维刺断,及存在刺针针刺完成后会留下针孔导致孔隙率高,和产品的力学性能不良。通常现有技术炭炭板材的弯曲强度最高为120 MPa、拉伸强度仅为80 MPa,限制了其使用场景。
因此,目前的碳纤维预制体等保温材料仍存在纯度低杂质多、热导率高、体积密度低、力学强度低、产品制作周期长,使用寿命短等因素,导致半导体晶体的生长速度及生长质量受到较为严重的影响,制约着其在光伏半导体领域的快速发展。
有鉴于此,特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,所述制备方法使用超声震动液体树脂的方法,使浸泡在液体树脂中的碳纤维原丝均匀分散开,形成1~2 mm的并丝,再依次进行加压和烘烤、铺层和浸胶、热压、碳化、致密化,使得碳纤维板材预制体的密度显著提升,致密化周期减少、力学性能提升(弯曲强度和抗拉强度)。
为了实现本发明的上述目的,特采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
将碳纤维短切丝平铺于底部具有滤网的转料框后,将所述转料框浸入酚醛树脂中,进行超声分散处理;
将浸渍树脂液后的碳纤维层进行加压和烘烤,得到预烘干胚体;
将预烘干胚体进行铺层和浸胶处理,得到预浸预制体;
将预浸预制体通过梯度升温加压进行热压处理,得到热压预制体;
将热压预制体进行碳化处理,得到碳化预制体;
将碳化预制体置于酚醛树脂中,进行加压处理使碳化预制体的空隙中填充酚醛树脂,再进行高温处理,完成致密化,得到碳纤维板材预制体。
在本发明中,首先使用超声震动液体树脂的方法,将浸泡在液体树脂中的碳纤维短切丝均匀分散开,然后将其捞起形成一层浸过胶的碳纤维预制体,不同之处在于网胎中的碳纤维完全被梳理机梳理开形成单丝,本发明的预制体中的碳纤维短切丝并没有完全分散开,而是形成1~2 mm的并丝。即并未使用针刺工艺,很好地解决了针刺完成后会留下针孔导致孔隙率高和产品的力学性能不良的问题。
更进一步地,在本发明中,采用以下特定的条件一次进行加压和烘烤、铺层和浸胶、热压处理、碳化处理、致密化处理,从而进一步提高了碳纤维板材预制体的密度和均匀性,并使得致密化周期得以降低,同时进一步改变整体力学性能差,并延长碳纤维板材预制体的寿命。
优选地,所述超声分散处理的频率为80~100 kHz,例如可以是80 kHz、82 kHz、84kHz、86 kHz、88 kHz、90 kHz、92 kHz、94 kHz、96 kHz、98 kHz、100 kHz等,功率密度为0.8~0.9 W/cm2,例如可以是0.8 W/cm2、0.82 W/cm2、0.84 W/cm2、0.86 W/cm2、0.88 W/cm2、0.9W/cm2等,振幅为80~90 μm,例如可以是80 μm、82 μm、84 μm、86 μm、88 μm、90 μm等。
在本发明中,以上述特定的超频率、功率密度和振幅进行超声分散处理,有助于碳纤维短切丝在液体树脂中更为均匀低分散,使碳纤维短切丝上更均匀地附着酚醛树脂。
优选地,所述超声分散处理的温度为20~25℃,例如可以是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃等,时间为20~40 min,例如可以是20 min、25 min、30 min、35 min、40 min等。
优选地,所述滤网的孔径为50目以上,例如可以是50目、100目、150目、200目、250目、300目等。
优选地,所述碳纤维短切丝的长度为30~50 mm,例如可以是30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm等。
优选地,所述碳纤维短切丝的平铺的厚度为0.4~0.7mm,例如可以是0.4 mm、0.45mm、0.5 mm、0.55 mm、0.6 mm、0.65 mm、0.7 mm等。
优选地,所述碳纤维短切丝和树脂液的质量比为1:(100~150),例如可以是1:100、1:105、1:110、1:115、1:120、1:125、1:130、1:135、1:140、1:145等。
优选地,所述酚醛树脂的粘度为10~30 cp,例如可以是10 cp、12 cp、14 cp、16cp、18 cp、20 cp、22 cp、24 cp、26 cp、28 cp、30 cp等。
优选地,所述酚醛树脂为EXP0371。
优选地,所述预烘干胚体具体由以下步骤制备得到:
将转料框置于加热板上,并于浸渍树脂液后的碳纤维层的表面覆盖加压板,进行烘烤,得到预烘干胚体。
优选地,所述加压板的质量为50 kg以上,例如可以是50 kg、52 kg、54 kg、56 kg、58 kg、60 kg等。
优选地,所述烘烤的温度为80~90℃,例如可以是80℃、82℃、84℃、86℃、88℃、90℃等,烘烤的时间为40~80 min,例如可以是40 min、50 min、60 min、70 min、80 min等。
优选地,所述预浸预制体具体由以下步骤制备得到:
在一层预烘干胚体的表面喷涂和/或涂覆酚醛树脂后,覆盖另一层预烘干胚体进行贴合,重复此步骤,直至铺层的层数至满足成品密度为止。
优选地,所述表面喷涂和/或涂覆的酚醛树脂的用量为单层预烘干胚体的质量的1~2倍,例如可以是1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍等。
优选地,所述酚醛树脂的粘度为5000~7000 cp,例如可以是5000 cp、5200 cp、5400 cp、5600 cp、5800 cp、6000 cp、6200 cp、6400 cp、6600 cp、6800 cp、7000 cp等。
优选地,所述酚醛树脂为PF9501。
优选地,所述铺层的层数=成品密度/单层预烘干胚体的质量。
优选地,所述梯度升温加压的程序为:
先于第一温度85~95℃(例如可以是82℃、86℃、88℃、90℃、92℃、95℃等)、第一压力0.2~0.4 MPa(例如可以是0.22 MPa、0.24 MPa、0.26 MPa、0.28 MPa、0.3 MPa、0.32 MPa、0.34 MPa、0.36 MPa、0.38 MPa、0.4 MPa等)下预热处理55~65 min(例如可以是55 min、56min、58 min、60 min、62 min、64 min、65 min等),再于第二温度130~140℃(例如可以是130℃、132℃、134℃、136℃、138℃、140℃等)、第二压力0.5~1.5 MPa(例如可以是0.5 MPa、0.6MPa、0.8 MPa、1 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.5 MPa等)下保温处理25~35 min(例如可以是25min、26 min、28 min、30 min、32 min、34 min、35 min等),最后于第三温度170~180℃(例如可以是170℃、172℃、174℃、176℃、178℃等)、第三压力4~6 MPa(例如可以是4 MPa、4.2MPa、4.5 MPa、4.8 MPa、5 MPa、5.2 MPa、5.5 MPa、5.8 MPa、6 MPa等)下保温处理100~150 min(例如可以是100 min、105 min、110 min、115 min、120 min、125 min、130 min、135min、140 min、145 min、150 min等)。
优选地,升温至第一温度的速率为2~3℃/min,例如可以是2℃/min、2.2℃/min、2.4℃/min、2.6℃/min、2.8℃/min、3℃/min等,升压至第一压力的速率为4~4.8 MPa/min,例如可以是4 MPa/min、4.2 MPa/min、4.4 MPa/min、4.6 MPa/min、4.8 MPa/min等。
优选地,升温至第二温度的速率为1~2℃/min,例如可以是1℃/min、1.2℃/min、1.4℃/min、1.6℃/min、1.8℃/min、2℃/min等,升压至第二压力的速率为3~3.5 MPa/min,例如可以是3 MPa/min、3.1 MPa/min、3.2 MPa/min、3.3 MPa/min、3.4 MPa/min、3.5 MPa/min等。
优选地,升温至第三温度的速率为0.5~1℃/min,例如可以是0.5℃/min、0.6℃/min、0.7℃/min、0.8℃/min、0.9℃/min、1℃/min等,升压至第三压力的速率为2~2.5 MPa/min,例如可以是2 MPa/min、2.1 MPa/min、2.2 MPa/min、2.3 MPa/min、2.4 MPa/min、2.5MPa/min等。
优选地,所述热压预制体的密度为1.55~1.60 g/cm3,例如可以是1.55 g/cm3、1.56g/cm3、1.57 g/cm3、1.58 g/cm3、1.59 g/cm3、1.60 g/cm3等。
优选地,所述碳化处理的温度为750~850℃,例如可以是750℃、760℃、780℃、800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃等,所述碳化处理的时间为1.5~2.5 h,例如可以是1.5 h、1.6 h、1.8 h、2 h、2.2 h、2.4 h、2.5 h等。
优选地,所述碳化处理的升温速率为1~2℃/min,例如可以是1℃/min、1.2℃/min、1.4℃/min、1.6℃/min、1.8℃/min、2℃/min等。
优选地,所述致密化处理的步骤具体为:
将碳化预制体置于酚醛树脂中,进行加压处理使碳化预制体的空隙中填充酚醛树脂,再进行高温处理,得到碳纤维板材预制体;
优选地,所述碳化预制体和酚醛树脂的质量比为1:(1.5~2),例如可以是1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9、1:2等。
优选地,所述酚醛树脂的粘度为200~400 cp,例如可以是200 cp、220 cp、240 cp、260 cp、280 cp、300 cp、320 cp、340 cp、380 cp、400 cp等。
优选地,所述酚醛树脂为PF9701。
优选地,所述加压处理的压力为2~3 MPa,例如可以是2 MPa、2.2 MPa、2.4 MPa、2.6 MPa、2.8 MPa、3 MPa等。
优选地,所述高温处理的温度为750~850℃,例如可以是750℃、760℃、780℃、800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃等。
优选地,所述致密化处理的次数为1~2次。
优选地,第一次致密化处理后所述碳纤维板材预制体的密度为1.52 g/cm3以上,例如可以是1.52 g/cm3、1.53 g/cm3、1.54 g/cm3、1.55 g/cm3、1.56 g/cm3、1.57 g/cm3、1.58 g/cm3、1.59 g/cm3等。
优选地,第二次致密化处理后所述碳纤维板材预制体的密度为1.58 g/cm3以上,例如可以是1.58 g/cm3、1.59 g/cm3、1.60 g/cm3、1.61 g/cm3、1.62 g/cm3、1.63 g/cm3、1.64 g/cm3、1.65 g/cm3等。
第二方面,本发明提供一种碳纤维板材预制体,所述碳纤维板材预制体由如第一方面所述的制备方法制备得到。
第三方面,本发明提供一种如第二方面所述的碳纤维板材预制体作为制备光伏半导体的装置中的隔热材料的应用。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明使用超声震动液体树脂的方法,将浸泡在液体树脂中的碳纤维短切丝均匀分散开,然后将其捞起形成一层浸过胶的碳纤维预制体,碳纤维短切丝并没有完全分散开,而是形成1~2 mm的并丝;
(2)本发明所述制备方法并未使用针刺工艺,很好地解决了针刺完成后会留下针孔导致孔隙率高和产品的力学性能不良的问题;
(3)本发明所述制备方法采用特定的条件一次进行加压和烘烤、铺层和浸胶、热压处理、碳化处理、致密化处理,从而进一步提高了碳纤维板材预制体的密度和均匀性,并使得致密化周期得以降低,同时进一步改变整体力学性能差,并延长碳纤维板材预制体的寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式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,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1提供的碳纤维板材预制体的制备方法的流程图。
图2为对比例1提供的碳纤维板材预制体的制备方法的流程图。
具体实施方式
除非本文另有定义,连同本发明使用的科学和技术术语应具有本领域普通技术人员通常理解的含义。术语的含义和范围应当清晰,然而,在任何潜在不明确性的情况下,本文提供的定义优先于任何字典或外来定义。在本申请中,除非另有说明,“或”的使用意味着“和/或”。此外,术语“包括”及其他形式的使用是非限制性的。
需要说明的是,在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
下面将结合实施例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。
下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明,实施例中的材料为根据现有方法制备而得,或直接从市场上购得。
以下各实施例中:转料框的底部为50目的滤网,转料框尺寸为2000×1000×300mm。
实施例1
本实施例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法(如图1所示),所述制备方法包括以下步骤:
S1、超声散丝
将1.2 kg的碳纤维短切丝(长度为30~50 mm)平铺(平铺的平均厚度为0.5 mm)于底部具有滤网的转料框后,将所述转料框浸入酚醛树脂EXP0371(粘度20 cp)中,进行超声分散处理;
其中,所述超声分散处理的频率为90 kHz,功率密度为0.85 W/cm2,振幅为85 μm;所述超声分散处理的温度为23℃,时间为30 min;所述碳纤维短切丝和树脂液的质量比为1:125。
S2、预烘干成型
将转料框放置在加热板上,在转料框内部加一块加压板,加压板质量50 kg,烘烤温度85℃,烘烤时间60 min,将树脂中的溶剂烘干后,由于树脂的粘结的作用,会将转料框中的短切丝粘结成一层胚体,得到预烘干胚体(克重660±55 g/m2,厚度0.4±0.1 mm)。
S3、铺层和浸胶处理
在一层预烘干胚体的表面涂覆酚醛树脂(圣泉PF9501,粘度6000 cp)后,覆盖另一层预烘干胚体进行贴合,重复此步骤,直至铺层的层数至满足成品密度为止;
其中,所述表面涂覆的酚醛树脂PF9501的用量为单层预烘干胚体的质量的1.5倍;其中,铺层质量按照1.4 g/cm3的成品密度的体积计算,以制作2000×1000×4.4 mm的炭炭板为例,所需的铺层层数=铺层质量/单层胚体的质量=1.4 g/cm3×2000 mm×1000 mm×4.4 mm/(660 g/m2×2 m×1 m)≈8.5=9层,即铺层时需要铺9张胚体。
S4、热压固化
将预浸预制体通过梯度升温加压进行热压处理,再冷却至室温脱模,得到热压预制体(热压后成品密度为1.58 g/cm3);
其中,所述梯度升温加压的程序为:
① 以2.5℃/min的升温速率升温至90℃、以4.4MPa/min的升压速率升压至0.3MPa下预热处理60 min;
② 以1.5℃/min的升温速率升温至135℃、以3.2MPa/min的升压速率升压至1 MPa下预热处理30 min;
③ 以0.8℃/min的升温速率升温至175℃、以2.2MPa/min的升压速率升压至5 MPa下预热处理120 min。
S5、碳化处理
将热压预制体进行碳化处理,得到碳化预制体(碳化处理后成品密度为1.48 g/cm3);
其中,碳化处理的升温速率1.5℃/min,碳化处理的温度为800℃,所述碳化处理的时间为2 h。
S6、致密化处理
将碳化预制体置于酚醛树脂(圣泉PF9701,粘度300 cp)中,所述碳化预制体和酚醛树脂的质量比为1:1.8,进行加压处理使碳化预制体的空隙中填充酚醛树脂,再进行高温处理,完成致密化,得到碳纤维板材预制体;
其中,加压处理的压力为2.5 MPa,所述高温处理的温度为800℃;
其中,所述致密化的次数为2次:第一次致密化处理后所述碳纤维板材预制体的密度为1.55 g/cm3,第二次致密化处理后所述碳纤维板材预制体的密度为1.60 g/cm3。
实施例2
本实施例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
S1、超声散丝
将1.2 kg的碳纤维短切丝(长度为30~50 mm)平铺(平铺的平均厚度为0.5 mm)于底部具有滤网的转料框后,将所述转料框浸入酚醛树脂EXP0371(粘度20 cp)中,进行超声分散处理;
其中,所述超声分散处理的频率为80 kHz,功率密度为0.9 W/cm2,振幅为90 μm;所述超声分散处理的温度为25℃,时间为30 min;所述碳纤维短切丝和树脂液的质量比为1:120。
S2、预烘干成型
将转料框放置在加热板上,在转料框内部加一块加压板,加压板质量50 kg,烘烤温度85℃,烘烤时间60 min,将树脂中的溶剂烘干后,由于树脂的粘结的作用,会将转料框中的短切丝粘结成一层胚体,得到预烘干胚体(克重660±55 g/m2,厚度0.4±0.1 mm)。
S3、铺层和浸胶处理
在一层预烘干胚体的表面涂覆酚醛树脂(圣泉PF9501,粘度6000 cp)后,覆盖另一层预烘干胚体进行贴合,重复此步骤,直至铺层的层数至满足成品密度为止;
其中,所述表面涂覆的酚醛树脂PF9501的用量为单层预烘干胚体的质量的1.5倍;其中,铺层质量按照1.4 g/cm3的成品密度的体积计算,以制作2000×1000×4.4 mm的炭炭板为例,所需的铺层层数=铺层质量/单层胚体的质量=1.4 g/cm3×2000 mm×1000 mm×4.4 mm/(660 g/m2×2 m×1 m)≈8.5=9层,即铺层时需要铺9张胚体。
S4、热压固化
将预浸预制体通过梯度升温加压进行热压处理,再冷却至室温脱模,得到热压预制体(热压后成品密度为1.58 g/cm3);
其中,所述梯度升温加压的程序为:
① 以2℃/min的升温速率升温至85℃、以4MPa/min的升压速率升压至0.4 MPa下预热处理65 min;
② 以1℃/min的升温速率升温至130℃、以3MPa/min的升压速率升压至1.5 MPa下预热处理35 min;
③ 以0.5℃/min的升温速率升温至180℃、以1MPa/min的升压速率升压至6 MPa下预热处理110 min。
S5、碳化处理
将热压预制体进行碳化处理,得到碳化预制体(碳化处理后成品密度为1.50 g/cm3);
其中,碳化处理的升温速率1℃/min,碳化处理的温度为800℃,所述碳化处理的时间为2 h。
S6、致密化处理
将碳化预制体置于酚醛树脂(圣泉PF9701,粘度300 cp)中,所述碳化预制体和酚醛树脂的质量比为1:1.5,进行加压处理使碳化预制体的空隙中填充酚醛树脂,再进行高温处理,完成致密化,得到碳纤维板材预制体;
其中,加压处理的压力为2.5 MPa,所述高温处理的温度为800℃;
其中,所述致密化的次数为2次:第一次致密化处理后所述碳纤维板材预制体的密度为1.58g/cm3,第二次致密化处理后所述碳纤维板材预制体的密度为1.61g/cm3。
实施例3
本实施例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
S1、超声散丝
将1.2 kg的碳纤维短切丝(长度为30~50 mm)平铺(平铺的平均厚度为0.5 mm)于底部具有滤网的转料框后,将所述转料框浸入酚醛树脂EXP0371(粘度20 cp)中,进行超声分散处理;
其中,所述超声分散处理的频率为100 kHz,功率密度为0.8 W/cm2,振幅为80 μm;所述超声分散处理的温度为20℃,时间为30 min;所述碳纤维短切丝和树脂液的质量比为1:130。
S2、预烘干成型
将转料框放置在加热板上,在转料框内部加一块加压板,加压板质量50 kg,烘烤温度85℃,烘烤时间60 min,将树脂中的溶剂烘干后,由于树脂的粘结的作用,会将转料框中的短切丝粘结成一层胚体,得到预烘干胚体(克重660±55 g/m2,厚度0.4±0.1 mm)。
S3、铺层和浸胶处理
在一层预烘干胚体的表面涂覆酚醛树脂(圣泉PF9501,粘度6000 cp)后,覆盖另一层预烘干胚体进行贴合,重复此步骤,直至铺层的层数至满足成品密度为止;
其中,所述表面涂覆的酚醛树脂PF9501的用量为单层预烘干胚体的质量的1.5倍;其中,铺层质量按照1.4 g/cm3的成品密度的体积计算,以制作2000×1000×4.4 mm的炭炭板为例,所需的铺层层数=铺层质量/单层胚体的质量=1.4 g/cm3×2000 mm×1000 mm×4.4 mm/(660 g/m2×2 m×1 m)≈8.5=9层,即铺层时需要铺9张胚体。
S4、热压固化
将预浸预制体通过梯度升温加压进行热压处理,再冷却至室温脱模,得到热压预制体(热压后成品密度为1.58 g/cm3);
其中,所述梯度升温加压的程序为:
① 以3℃/min的升温速率升温至95℃、以4.8 MPa/min的升压速率升压至0.2 MPa下预热处理55 min;
② 以2℃/min的升温速率升温至140℃、以3.5 MPa/min的升压速率升压至0.5MPa下预热处理25 min;
③ 以1℃/min的升温速率升温至170℃、以2.5 MPa/min的升压速率升压至4 MPa下预热处理150 min。
S5、碳化处理
将热压预制体进行碳化处理,得到碳化预制体(碳化处理后成品密度为1.45 g/cm3);
其中,碳化处理的升温速率2℃/min,碳化处理的温度为800℃,所述碳化处理的时间为2 h。
S6、致密化处理
将碳化预制体置于酚醛树脂(圣泉PF9701,粘度300 cp)中,进行加压处理使碳化预制体的空隙中填充酚醛树脂,再进行高温处理,完成致密化,得到碳纤维板材预制体;
其中,加压处理的压力为2.5 MPa,所述高温处理的温度为800℃;
其中,所述致密化的次数为2次:第一次致密化处理后所述碳纤维板材预制体的密度为1.55g/cm3,第二次致密化处理后所述碳纤维板材预制体的密度为1.60g/cm3。
实施例4
本实施例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,在S1中,所述超声分散处理的频率为70 kHz,功率密度为1 W/cm2,振幅为95 μm;其他步骤与实施例1完全一致。
实施例5
本实施例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,在S1中,所述超声分散处理的频率为105 kHz,功率密度为0.75 W/cm2,振幅为75 μm;其他步骤与实施例1完全一致。
实施例6
本实施例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,在S2中,预烘干成型的过程中,加压板质量40 kg,烘烤温度95℃,烘烤时间40 min;其他步骤与实施例1完全一致。
实施例7
本实施例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,在S2中,预烘干成型的过程中,加压板质量60 kg,烘烤温度75℃,烘烤时间80 min;其他步骤与实施例1完全一致。
实施例8
本实施例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,在S4中,90℃预热30 min,110℃加压1 MPa后保温5 min,120℃加压2 MPa后保温5 min,130℃加压4 MPa后保温5 min,175℃加压6 MPa后保温120 min,6MPa保压自然冷却至室温;其他步骤与实施例1完全一致。
实施例9
本实施例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,所述梯度升温加压的程序为:
① 以0.8℃/min的升温速率升温至90℃、以2.2 MPa/min的升压速率升压至0.3MPa下预热处理60 min;
② 以1.5℃/min的升温速率升温至135℃、以3.2 MPa/min的升压速率升压至1MPa下预热处理30 min;
③ 以2.5℃/min的升温速率升温至175℃、以4.4 MPa/min的升压速率升压至5MPa下预热处理120 min;其他步骤与实施例1完全一致。
实施例10
本实施例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,所述梯度升温加压的程序为:
① 以1.5℃/min的升温速率升温至90℃、以3.2 MPa/min的升压速率升压至0.3MPa下预热处理60 min;
② 以1.5℃/min的升温速率升温至135℃、以3.2 MPa/min的升压速率升压至1MPa下预热处理30 min;
③ 以1.5℃/min的升温速率升温至175℃、以3.2 MPa/min的升压速率升压至5MPa下预热处理120 min;其他步骤与实施例1完全一致。
对比例1
本对比例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
S1、预制体的制备(如图2所示)
将碳纤维短切丝梳理成网胎(厚度0.5±0.1 mm,克重70±10 g/m2),在进行网胎裁切铺层(以制作4 mm的板材举例,需要铺24层网胎),随后进行针刺得到预制体(预制体密度0.45±0.05 g/cm3,以制作4 mm的板材举例,预制体厚度为10~12 mm);
将裁切好的网胎(一般为2000×1000 mm),按照4层网胎一组将其铺整齐,然后将其放置在针板上针刺,由于针板上的刺针带有倒钩,会将部分纤维带起来在网胎的z向现成连接,从而将网胎层间连接起来形成一个整体,针刺完成一组后再将下一组网胎铺在上一组针刺好的半成品上继续针刺,直到6组原料全部针刺完成后得到一件整体的产品,得到预制体。
S2、浸胶
将所述预制体置于酚醛树脂(圣泉PF9501B,粘度6000 cp)中浸渍;
S3、固化
将浸好酚醛树脂的预制体放置在模具中,利用平板热压机升温加压使树脂发生交联反应,降温至室温将模具取出,脱模将产品取出,完成固化,得到碳纤维树脂板(密度1.15g/cm3);
其中,固化工艺如下:
① 以2℃/min的升温速率升温至90℃、以4 MPa/min的升压速率升压至0.3 MPa下预热处理60 min;
② 以1℃/min的升温速率升温至135℃、以3 MPa/min的升压速率升压至1 MPa下预热处理30 min;
③ 以0.5 ℃/min的升温速率升温至175℃、以1 MPa/min的升压速率升压至4 MPa下预热处理60 min。
S4、碳化
将热压预制体进行碳化处理,得到碳化预制体(碳化处理后成品密度为0.95 g/cm3);
其中,碳化处理的升温速率1℃/min,碳化处理的温度为800℃,所述碳化处理的时间为2 h。
S5、致密化
将碳化预制体置于酚醛树脂(圣泉PF9701,粘度300 cp)中,进行加压处理使碳化预制体的空隙中填充酚醛树脂,再进行高温处理,完成致密化,得到碳纤维板材预制体;
其中,加压处理的压力为2.5 MPa,所述高温处理的温度为800℃;
其中,所述致密化的次数为5次:第五次致密化处理后所述碳纤维板材预制体的密度为1.55 g/cm3。
对比例2
本对比例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,与实施例1的区别仅在于,S1采用高速搅拌散丝的方式,具体为:将所述转料框浸入酚醛树脂EXP0371(粘度20 cp)中,进行高速搅拌散丝处理;其中,所述搅拌的速度为2000 rpm,搅拌的时间为2 h;其他步骤与实施例1完全一致。
对比例3
本对比例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,在S1中,将酚醛树脂EXP0371(粘度20 cp)替换为环氧树脂(粘度20 cp);其他步骤与实施例1完全一致。
对比例4
本对比例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,在S2中,预烘干胚体的制备过程中,不进行加压处理,即不在转料框内部加一块加压板;其他步骤与实施例1完全一致。
对比例5
本对比例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,在S3中,将酚醛树脂PF9501(粘度6000 cp)替换为环氧树脂(粘度6000 cp);其他步骤与实施例1完全一致。
对比例6
本对比例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,在S3中,将所述预烘干胚体叠至9层后,再共同浸入酚醛树脂(圣泉PF9501,粘度6000 cp)中浸泡2 h,得到预浸预制体;其他步骤与实施例1完全一致。
对比例7
本对比例提供一种碳纤维板材预制体的制备方法,与实施例1的区别仅在于,在S6中,将酚醛树脂圣泉PF9701(粘度300 cp)替换为环氧树脂(粘度300 cp);其他步骤与实施例1完全一致。
测试例
测试样品:实施例1~10提供的碳纤维板材预制体、对比例1~7提供的碳纤维板材预制体;
测试项目:通过检测成品抗弯强度、密度及致密化周期来评判;
测试结果如下表1所示:
表1
如表1所示,由本发明制备方法得到的碳纤维板材预制体只需一次致密化后密度达到1.55 g/cm3以上,两次致密化后密度达到1.60 g/cm3以上,成品无针孔,较现有工艺更致密;且力学强度优异,其抗弯强度达到170~190 MPa,抗拉强度达到130~140 MPa。
由实施例1和对比例1的对比可知,由本发明制备方法得到的碳纤维板材预制体的密度较现有工艺提高了33.33~45.45%,致密化周期减少80%以上,弯曲强度提高了41.7~90.0%,抗拉强度提高了62.5~133.3%其原因在于,本发明采用湿法成型,胚体结构由杂乱的碳纤维并丝构成,可减少纤维蓬松,利于制作高密度的树脂板,无需针刺,纤维不会被破坏,因此成品无针孔,较现有工艺更致密;而对比例1采用针刺工艺,其网胎结构由杂乱的碳纤维单丝构成,当针刺后纤维被破坏,这就导致成品有针孔。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种碳纤维板材预制体的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
将碳纤维短切丝平铺于底部具有滤网的转料框后,将所述转料框浸入酚醛树脂中,进行超声分散处理;
将浸渍树脂液后的碳纤维层进行加压和烘烤,得到预烘干胚体;
将预烘干胚体进行铺层和浸胶处理,得到预浸预制体;其中,所述预浸预制体具体由以下步骤制备得到:在一层预烘干胚体的表面喷涂和/或涂覆酚醛树脂后,覆盖另一层预烘干胚体进行贴合,重复此步骤,直至铺层的层数至满足成品密度为止;
将预浸预制体通过梯度升温加压进行热压处理,得到热压预制体;
将热压预制体进行碳化处理,得到碳化预制体;
将碳化预制体置于酚醛树脂中,进行加压处理使碳化预制体的空隙中填充酚醛树脂,再进行高温处理,完成致密化,得到碳纤维板材预制体。
2. 根据权利要求1所述的碳纤维板材预制体的制备方法,其特征在于,所述超声分散处理的频率为80~100 kHz,功率密度为0.8~0.9 W/cm2,振幅为80~90 μm;
和/或,所述超声分散处理的温度为20~25℃,时间为20~40 min;
和/或,所述滤网的孔径为50目以上。
3. 根据权利要求1所述的碳纤维板材预制体的制备方法,其特征在于,所述碳纤维短切丝的长度为30~50 mm;
和/或,所述碳纤维短切丝的平铺的厚度为0.4~0.7 mm;
和/或,所述碳纤维短切丝和树脂液的质量比为1:(100~150);
和/或,所述酚醛树脂的粘度为10~30 cp。
4.根据权利要求1所述的碳纤维板材预制体的制备方法,其特征在于,所述预烘干胚体具体由以下步骤制备得到:
将转料框置于加热板上,并于浸渍树脂液后的碳纤维层的表面覆盖加压板,进行烘烤,得到预烘干胚体;
和/或,所述加压板的质量为50 kg以上;
和/或,所述烘烤的温度为80~90℃,烘烤的时间为40~80 min。
5.根据权利要求1所述的碳纤维板材预制体的制备方法,其特征在于,所述表面喷涂和/或涂覆的酚醛树脂的用量为单层预烘干胚体的质量的1~2倍;
和/或,所述酚醛树脂的粘度为5000~7000 cp;
和/或,所述铺层的层数=成品密度/单层预烘干胚体的质量。
6.根据权利要求1所述的碳纤维板材预制体的制备方法,其特征在于,所述梯度升温加压的程序为:
先于第一温度85~95℃、第一压力0.2~0.4 MPa下预热处理55~65 min,再于第二温度130~140℃、第二压力0.5~1.5 MPa下保温处理25~35 min,最后于第三温度170~180℃、第三压力4~6 MPa下保温处理100~150 min;
和/或,升温至第一温度的速率为2~3℃/min,升压至第一压力的速率为4~4.8 MPa/min;
和/或,升温至第二温度的速率为1~2℃/min,升压至第二压力的速率为3~3.5 MPa/min;
和/或,升温至第三温度的速率为0.5~1℃/min,升压至第三压力的速率为2~2.5 MPa/min;
和/或,所述热压预制体的密度为1.55~1.60 g/cm3。
7. 根据权利要求1所述的碳纤维板材预制体的制备方法,其特征在于,所述碳化处理的温度为750~850℃,所述碳化处理的时间为1.5~2.5 h;
和/或,所述碳化处理的升温速率为1~2℃/min。
8.根据权利要求1所述的碳纤维板材预制体的制备方法,其特征在于,所述碳化预制体和酚醛树脂的质量比为1:(1.5~2);
和/或,所述酚醛树脂的粘度为200~400 cp;
和/或,所述加压处理的压力为2~3 MPa;
和/或,所述高温处理的温度为750~850℃;
和/或,所述致密化的次数为1~2次;其中,第一次致密化处理后所述碳纤维板材预制体的密度为1.52 g/cm3以上,第二次致密化处理后所述碳纤维板材预制体的密度为1.58 g/cm3以上。
9.一种碳纤维板材预制体,其特征在于,所述碳纤维板材预制体由如权利要求1~8中任一项所述的制备方法制备得到。
10.一种根据权利要求9所述的碳纤维板材预制体作为制备光伏半导体的装置中的隔热材料中的应用。
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