TW201917009A - 纖維複合材料及其製法 - Google Patents
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Abstract
一種纖維複合材料及其製法。該纖維複合材料包括：纖維預浸布層，係包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維；以及複數條狀之複合樹脂層，係包括多層奈米碳管及第二樹脂，其中，該複數條狀之複合樹脂層配置於該纖維預浸布層上，並與該複數纖維預浸布層共同圍覆成一中空管體，以令該複數條狀之複合樹脂層夾置在二該纖維預浸布層之間，其中，該複數條狀之複合樹脂層之長度方向與該纖維預浸布層之延伸方向呈0度至小於90度之夾角。
Description
本揭露係關於一種纖維複合材料及其製法，尤指一種具有制振（vibration damping）特性之纖維複合材料及其製法。
由於高分子纖維複合材料相關產品配合人類在輕量化、高強度及高設計自由度等要求下，結合各種功能特性及用途於輕量化的各種結構物用品中已是現今必然的發展趨勢。而複材產品朝輕薄短小發展，結構設計以高強度為重點，而物性強度越高的材料卻常會伴隨著脆性增加，所以當材料受力後常會因此脆性增加而斷裂，為解決此一問題則必須改善材料的阻尼特性，以增加其吸收受力後的制振效果。
運輸用機械手臂在高速移動(2.8m/秒)、旋轉(210°/秒)時會產生位移、變形與震動，高分子纖維複合材料製成之機械手臂因運動而產生形變之振幅擺動至停止的時間若過長時，需等待較長的時間至擺動靜止或振幅降低至可接受之程度，方得再進行下一動作，如此勢必使產能受到影響，所以必須縮短振動的衰減時間，其產能動作才不致於降低。
已有文獻指出纖維複合材料具制振之效果，惟仍有制振縮減比例不足及整體材料之剛性與強度大幅下降的問題待解決。
本揭露提供一種纖維複合材料，係包括：纖維預浸布層，係包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維；以及複數條狀之複合樹脂層，係配置於該纖維預浸布層上，並與該複數纖維預浸布層共同圍覆成一中空管體，以令該複數條狀之複合樹脂層夾置在二該纖維預浸布層之間，其中，該複數條狀之複合樹脂層包括多層奈米碳管及第二樹脂，且該複數條狀之複合樹脂層之長度方向與該纖維預浸布層之延伸方向呈0度至小於90度之夾角。
本揭露復提供一種纖維複合材料之製法，係包括：於包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維的纖維預浸布層上貼合複數條狀之複合樹脂層，其中，該複數條狀之複合樹脂層包括多層奈米碳管及第二樹脂，且該複數條狀之複合樹脂層之長度方向與該纖維預浸布層之延伸方向呈0度至小於90度之夾角；捲繞該纖維預浸布層及複數條狀之複合樹脂層，以圍覆成一中空管體；以及塑形該中空管體。
以下的具體實施例用以說明本揭露之揭露內容，在閱讀本說明書之揭露內容以後，本技術領域中具有通常知識者能輕易地理解其優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、尺寸等，僅為配合說明書所揭示之內容，以便本技術領域中具有通常知識者得以理解及閱讀，而非意圖將本揭露限制於特定條件之中，故不具有技術上之實質意義。任何結構之修改、比例關係之改變，或尺寸之的調整，在不影響本說明書所能產生之功效及所能達成之目的下，均應包含在本說明書所揭露之範圍內。在無實質變更技術內容的情況下，其相對關係之改變或調整，亦當被視為本揭露可實施之範疇內。
本揭露之纖維複合材料，係發現在複數條狀之複合樹脂層間隔配置於纖維預浸布層之上，以及該複數條狀之複合樹脂層之長度方向與該纖維預浸布層之延伸方向呈0度至小於90度之夾角時，可大幅提升制振效果，同時維持材料硬度特性。
參照第1圖所示，本揭露提供一種纖維複合材料之製法，係包括：於包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維的纖維預浸布層101上貼合複數條狀之複合樹脂層102，其中，該複數條狀之複合樹脂層102包括多層奈米碳管及第二樹脂，且該複數條狀之複合樹脂層102之長度方向L與該纖維預浸布層101之延伸方向E呈0度至小於90度之夾角；捲繞該纖維預浸布層及複數條狀之複合樹脂層，以圍覆成一中空管體；以及塑形該中空管體。
於一具體實施例中，該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比為1:1至1:10。於另一具體實施例中，該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比為1:3至1:5。
於一具體實施例中，該複數條狀之複合樹脂層之長度方向與該纖維預浸布層之延伸方向呈20度至80度之夾角。此外，條狀之複合樹脂之排列態樣不限於平行排列方式，但各條狀之複合樹脂不可互相交疊。
通常，纖維預浸布層的製備方法包括手工積層、噴佈、積層、連續積層、樹脂轉注成型、纏繞成型、片狀模造（SMC）、塊狀模造（BMC）、預浸成型、壓力釜成型等。
於一具體實施例中，所述纖維的實例包含碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚醯胺(克維拉，Kevlar)纖維、硼纖維、耐綸纖維、特多龍纖維、棉纖維、羊毛纖維、鋼纖維、鋁纖維或陶瓷鬚絲纖維，且可選自所述纖維的至少一者。本揭露中，纖維預浸布層之纖維經第一樹脂含浸，而該複合樹脂層經多層奈米碳管及第二樹脂混成，其中，第一樹脂及第二樹脂為相同或不同，且可包括熱塑性樹脂或熱固性樹脂。熱塑性可舉例包括聚碳酸脂(Polycarbonate，PC)、尼龍(Nylon)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，PPS)或聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)；熱固性樹脂可舉例包括環氧樹脂。
於一具體實施例中，所述纖維預浸布層的厚度可為50 μm至200 μm；所述條狀之複合樹脂層的厚度可為5 μm至200 μm，此處的厚度可依所製備之構件剛性強度需求作調整。
咸信，當外力使樹脂與多層奈米碳管管壁間產生相對位移（滑動）時，其位移差值與介面間剪力的積分等於所產生的能量損耗，就是可產生減振的原因。
於一具體實施例中，多層奈米碳管以其多層之管壁提供相較於單層奈米碳管更多微滑動現象，累積的阻尼特性可快速地被放大，更有效抑制振動。
另一方面，奈米碳管經改質後，係具有反應性官能基，該反應性官能基可為胺基、羧基、羥基或醯氯基，但不以此為限。該改質的方法可參考J. Mater. Chem., 2011, 21, 7337-7342所揭露之方法。
此外，於一具體實施例中，多層奈米碳管之比表面積為100至300 m2
/g，使用此比表面積範圍的奈米碳管可使奈米碳管較佳地與第二樹脂混成，且該複數條狀之複合樹脂層中之該奈米碳管之含量係0.5至8 wt%。相對地，該複數條狀之複合樹脂層中之該第二樹脂之含量係92至99.5 wt%。
根據本揭露之方法，纖維複合材料係經加熱而塑形，在加熱過程中，奈米碳管的反應性官能基與第一樹脂及第二樹脂鍵結而硬化定型。
一般而言，形成纖維複合材料之製法係使用傳統疊合方式，亦即，將所欲達到各層層數比例的不同材料層疊合後，經過捲曲再塑形。但此種製法一次僅能製造一個纖維複合材料，於工業上大量製造時係不經濟的。
因此，在另一具體實施例中，本揭露的纖維複合材料之製法係於纖維預浸布層上貼合複數條狀之複合樹脂層，且根據需要，該條狀之複合樹脂層之寬度與該複數條狀之複合樹脂層之間距比為1:1至1:10，且該複數條狀之複合樹脂層之長度方向與該纖維預浸布層之延伸方向呈0度至小於90度之夾角。在另一具體實施例中，該夾角為0度至40度。
具體而言，貼合複合樹脂層時，複數條狀之複合樹脂層大致上係以沿著纖維預浸布層延伸（即捲曲）方向E間隔地鋪墊。因此，透過本揭露的一種纖維複合材料之製法，機器可更經濟地一次大量生產多層結構的纖維複合材料。
此外，根據本揭露之製法，所形成之該中空管體之形狀包含圓形、橢圓形、方形、矩形，但不限於此。
本揭露透過實施例之示例來說明細節。不過，本揭露之詮釋不應當被限制於以下實施例之闡述。
實施例一
本揭露之實施例一(編號:4V)的製備程序與條件如下所述，各材料說明如下，纖維：碳纖維(Toray，T700SC，12K)；第一/第二樹脂：環氧樹脂(Dow Chemical，Epon 828)；多層奈米碳管：A-MWCNT1020，辛耘企業(佔複合樹脂層的5 wt%)；改質的官能基：胺基(根據J. Mater. Chem., 2011, 21, 7337-7342之方法)。製備圓管狀中空本體以長度450 mm X 直徑20 mm、厚度4.0 mm為例，先將4片條狀之複合樹脂層(厚度70 ± 2 µm)以夾角0度(θ∘)橫向貼覆於纖維預浸布層(厚度80 ± 2 µm)之上(類似第1圖所示，但夾角為0度)，該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比為1:4。再將上述之貼合材料捲繞包覆於已套上一適當塑膠氣袋之心模，其疊層結構之截面有二種形式出現，如第2A和2B圖所示，其中，複數條狀之複合樹脂層202係配置於該纖維預浸布層201上，並與該複數纖維預浸布層201共同圍覆成一中空管體，以令該複數條狀之複合樹脂層202夾置在二該纖維預浸布層201之間(捲曲後纖維預浸布層之層數為20)。待依上述包覆方式完成後，置入於預備之鋁金屬模具中以固定，再抽出心模並保留塑膠氣袋於纖維積層之其中，再將整體鋁金屬模具施以20至25 psi加壓，此時於塑膠氣袋填充25至30 psi之氣體撐起纖維積層內部中空部分以維持其形態尺寸避免內部結構塌陷，再以160 ℃加熱於鋁金屬模具上，持續加熱40分鐘後，自然回溫即可硬化成型，所成型後之纖維複合材料元件由模具取出後抽出氣袋，經表面修飾、裁切即完成，其成型後之圓管狀中空本體的疊層結構之側剖面如第3圖所示，其中，該條狀之複合樹脂層302之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層302之間距L2
(即軸向上，二該條狀之複合樹脂層302之間的纖維預浸布層301長度)比為1:4。
實施例二
本揭露實施例二(編號:2V)的製法與條件如實施例一所敘述，改變該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比為1:2。
實施例三
本揭露實施例三(編號:3V)的製法與條件如實施例一所敘述，改變該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比為1:3。
實施例四
本揭露實施例四(編號:5V)的製法與條件如實施例一所敘述，改變該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比為1:5。
實施例五
本揭露實施例五(編號:6V)的製法與條件如實施例一所敘述，改變該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比為1:6。
實施例六
本揭露實施例六(編號:4S)的製法與條件如實施例一所敘述，改變該複數條狀之複合樹脂層之長度方向與該纖維預浸布層之延伸方向之夾角為30度(θ∘)。其疊層結構之截面如第4圖所示，其中，複數條狀之複合樹脂層402係配置於該纖維預浸布層401上，並與該複數纖維預浸布層401共同圍覆成一中空管體，以令該複數條狀之複合樹脂層402夾置在二該纖維預浸布層401之間。其成型後之圓管狀中空本體的疊層結構之側剖面如第5圖所示，其中，自該圓管狀中空本體之軸向上之側剖面觀察，該複數條狀之複合樹脂層502夾置在二該纖維預浸布層501之間，且該複數條狀之複合樹脂層502 成階梯狀分布。
實施例七
本揭露實施例七(編號:2S)的製法與條件如實施例六所敘述，改變該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比為1:2。
實施例八
本揭露實施例八(編號:3S)的製法與條件如實施例六所敘述，改變該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比為1:3。
實施例九
本揭露實施例九(編號:5S)的製法與條件如實施例六所敘述，改變該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比為1:5。
實施例十
本揭露實施例十(編號:6S)的製法與條件如實施例六所敘述，改變該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比為1:6。
比較例一
比較例一(編號:Pure)之製法與條件如實施例一所敘述，於纖維預浸布層上不鋪墊條狀之複合樹脂層，達到捲曲後纖維預浸布層之層數為20的纖維複合材料。
比較例二
比較例二(編號:2L)之製法與條件如實施例一所敘述，改變該複數條狀之複合樹脂層之長度方向與該纖維預浸布層之延伸方向之鋪墊夾角為90度(θ∘)，且藉改變複合樹脂層於纖維預浸布層上之間隔，達到捲曲後複合樹脂層位於纖維預浸布層第7和第8層間、第13和第14層間。
由表一、第6及7圖可知，與未添加複合樹脂層之纖維預浸布層的比較例一及複合樹脂層係與纖維預浸布層之延伸方向的鋪墊夾角為0度、30度、90度之實施例一、實施例六及比較例二相比，鋪墊夾角為0度、30度、90度分別可產生81.2%、88.3%及53.5%的全振幅縮減效果，亦即，調整複合樹脂層係與纖維預浸布層之延伸方向的鋪墊夾角，可大幅增加全振幅縮減效果。
此外，表1之自然頻率係指一結構體本身存在之動態特性，其與系統剛性平方根成正比，與質量塊平方根成反比。因此，由表1可知，該條狀之複合樹脂層之寬度L1
與該複數條狀之複合樹脂層之間距L2
比對於全振幅縮減效果產生影響，上述寬度比之較佳範圍在為1:3至1:5之間，在此範圍內，纖維複合材料之制振效率與剛性同步提高，但當上述寬度比為1:6（編號6V及6S）時，其制振效率降低，但纖維複合材料剛性亦未提高，不符合有需要求結構剛性之相關產品應用需求。
上述實施例係用以例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
101‧‧‧纖維預浸布層
102‧‧‧條狀之複合樹脂層
201‧‧‧纖維預浸布層
202‧‧‧條狀之複合樹脂層
301‧‧‧纖維預浸布層
302‧‧‧條狀之複合樹脂層
401‧‧‧纖維預浸布層
402‧‧‧條狀之複合樹脂層
501‧‧‧纖維預浸布層
502‧‧‧條狀之複合樹脂層
E‧‧‧延伸方向
L‧‧‧長度方向
L1‧‧‧寬度
L2‧‧‧間距
θ∘‧‧‧夾角
第1圖係為複數條狀之複合樹脂層與纖維預浸布層於平面之寬度比及延伸方向夾角(θ∘) 之示意圖。
第2A及2B圖係為實施例一之經捲繞纖維複合材料在垂直於其軸向上之截面圖，其中，第2A圖係未切割到條狀之複合樹脂層之截面圖，第2B圖係切割在條狀之複合樹脂層上之截面圖。
第3圖係為實施例一之經捲繞纖維複合材料在沿著其軸向上之側剖面圖。
第4圖係為實施例二之經捲繞纖維複合材料在垂直於其軸向上之截面圖。
第5圖係為實施例二之經捲繞纖維複合材料在沿著其軸向上之側剖面圖。
第6圖係為實施例一及與其結構不同之纖維複合材料振動衰減時間的比較圖。(黑白呈現時需要修改成不同線條格式)
第7圖係為實施例二及與其結構不同之纖維複合材料振動衰減時間的比較圖。(黑白呈現時需要修改成不同線條格式)
Claims (17)
- 一種纖維複合材料，係包括：纖維預浸布層，係包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維；以及複數條狀之複合樹脂層，係配置於該纖維預浸布層上，並與該複數纖維預浸布層共同圍覆成一中空管體，以令該複數條狀之複合樹脂層夾置在二該纖維預浸布層之間，其中，該複數條狀之複合樹脂層包括多層奈米碳管及第二樹脂，且該複數條狀之複合樹脂層之長度方向與該纖維預浸布層之延伸方向呈0度至小於90度之夾角。
- 如申請專利範圍第1項所述之纖維複合材料，其中，該條狀之複合樹脂層之寬度與該複數條狀之複合樹脂層之間距比為1:1至1:10。
- 如申請專利範圍第1項所述之纖維複合材料，其中，該第一樹脂及該第二樹脂為相同或不同，且該第一樹脂及該第二樹脂係熱塑性樹脂或熱固性樹脂。
- 如申請專利範圍第1項所述之纖維複合材料，其中，該多層奈米碳管之比表面積為100至300 m2 /g。
- 如申請專利範圍第1項所述之纖維複合材料，其中，該多層奈米碳管表面具有包含胺基、羧基、羥基或醯氯基之反應性官能基。
- 如申請專利範圍第1項所述之纖維複合材料，其中，該複數條狀之複合樹脂層中之該奈米碳管之含量係0.5至8 wt%。
- 如申請專利範圍第1項所述之纖維複合材料，其中，該纖維包含碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚醯胺(克維拉，Kevlar)纖維、硼纖維、耐綸纖維、特多龍纖維、棉纖維、羊毛纖維、鋼纖維、鋁纖維或陶瓷鬚絲纖維。
- 如申請專利範圍第1項所述之纖維複合材料，其中，該夾角為0度至40度。
- 一種纖維複合材料之製法，係包括： 於包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維的纖維預浸布層上貼合複數條狀之複合樹脂層，其中，該複數條狀之複合樹脂層包括多層奈米碳管及第二樹脂，且該複數條狀之複合樹脂層之長度方向與該纖維預浸布層之延伸方向呈0度至小於90度之夾角； 捲繞該纖維預浸布層及複數條狀之複合樹脂層，以圍覆成一中空管體；以及 塑形該中空管體。
- 如申請專利範圍第9項所述之纖維複合材料之製法，其中，該複數條狀之複合樹脂層於該纖維預浸布層之間，呈複數交互堆疊、無任何堆疊、或螺旋分布。
- 如申請專利範圍第9項所述之纖維複合材料之製法，其中，該條狀之複合樹脂層之寬度與該複數條狀之複合樹脂層之間距比為1:1至1:10。
- 如申請專利範圍第9項所述之纖維複合材料之製法，其中，該第一樹脂及該第二樹脂為相同或不同，且該第一樹脂及該第二樹脂係熱塑性樹脂或熱固性樹脂。
- 如申請專利範圍第9項所述之纖維複合材料之製法，其中，該多層奈米碳管之比表面積為100至300 m2 /g。
- 如申請專利範圍第9項所述之纖維複合材料之製法，其中，該多層奈米碳管表面具有包含胺基、羧基、羥基或醯氯基之反應性官能基。
- 如申請專利範圍第9項所述之纖維複合材料之製法，其中，該複數條狀之複合樹脂層中之該奈米碳管之含量係0.5至8 wt%。
- 如申請專利範圍第9項所述之纖維複合材料之製法，其中，該纖維包含碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚醯胺(克維拉，Kevlar)纖維、硼纖維、耐綸纖維、特多龍纖維、棉纖維、羊毛纖維、鋼纖維、鋁纖維或陶瓷鬚絲纖維。
- 如申請專利範圍第9項所述之纖維複合材料之製法，其中，該夾角為0度至40度。
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