TW202334458A - 金屬基碳纖維複合材料及其製造方法與成品 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種金屬基碳纖維複合材料的製造方法，其步驟包含：將一改質材料電鍍於未經含浸的一連續碳纖維材料表面，產生一改質碳纖維材料；將一金屬粉體均勻的被覆於該改質碳纖維材料表面；以及給予一加熱溫度以及一加壓力，使得該金屬粉體經由該加熱溫度熔融並對應該加壓力形成一金屬基碳纖維複合材料。
Description
一種複合材料，特別是一種金屬基碳纖維複合材料及其製造方法與成品。
碳纖維製品不僅具備體積小重量輕之特性，更因為具有耐高溫性、高拉伸強度、耐腐蝕性、導電導熱性等優異性能，使得該碳纖維材料在各領域的應用中成為熱門首選。為了提升一碳纖維製品的剛性強度，現行製程中大多是將該碳纖維材料含浸於一樹脂中，給予的一加壓力以及一加熱溫度，使得該碳纖維材料固化成型。
然而，透過上述以該樹脂固化該碳纖維材料的方式僅能有限的提升該碳纖維製品的剛性強度，且當該碳纖維製品面臨強大撞擊時往往會破碎成碎片，也因為其可塑性差不如金屬材料具有延展性，使得製作成本高的該碳纖維製品不僅不易回收，大量棄置也容易造成環境以及資源浪費，導致碳纖維製品之應用受到侷限。為此，發展一種可以提升該碳纖維製品剛性強度以及耐衝擊性的碳纖維複合材料是相關產業亟欲開發之目標。
為了發展一種可以提升一碳纖維製品的一剛性強度以及一耐衝擊性之材料，本發明提供一種金屬基碳纖維複合材料的製造方法，其步驟包含：
備置未經含浸的一連續碳纖維材料；
將一改質材料電鍍於該連續碳纖維材料之表面形成一薄膜種層，產生一改質碳纖維材料；
將一金屬粉體均勻的被覆於該改質碳纖維材料表面；以及
給予一加熱溫度以及一加壓力，使得該金屬粉體經由該加熱溫度熔融並對應該加壓力與該薄膜種層緊密結合，並於冷卻後形成一金屬基碳纖維複合材料。
其中，進行一預處理於形成該薄膜種層之前， 將該連續碳纖維材料放置於維持有攝氏溫度介於550至650度之間的一高溫環境中。
其中，電鍍該改質材料的步驟包含：
將該改質材料以及該連續碳纖維材料放置於密閉之一反應空間中；
提供該改質材料一反應溫度，使得該改質材料蒸發並散佈於該反應空間中；以及
將該反應空間進行抽真空，於冷卻後該改質材料沈積於該連續碳纖維材料形成該薄膜種層。
其中，電鍍該改質材料的步驟包含：
在真空狀態的一反應空間中以該改質材料作為一陰極，而該連續碳纖維材料作為陽極；以及
於一反應空間中注入一惰性氣體，並且將一直流電導入該改質材料，使得該改質材料將一原子擊出並且濺射沉積於該連續碳纖維材料形成一層該薄膜種層。
其中，電鍍該改質材料的步驟包含：
備有一電鍍槽；
將配置好的一電鍍液放置於該電鍍槽內，其中該電鍍液包含有該改質材料之離子成分；
該連續碳纖維材料並作為一陰極放入該電鍍槽中；
包含有該改質材料之離子成分的一改質材料板作為陽極放置於該電鍍槽中；以及
導入一直流電形使得該連續碳纖維材料、該電鍍液以及該改質材料板成一連通電路並進行電鍍。
一種金屬基碳纖維複合材料，該金屬基碳纖維複合材料包含位置於內層的一連續碳纖維材料，以及位置於外層的一金屬面材，其中，該金屬面材包含與一薄膜種層結合並經由該加熱溫度及該加壓力處理後定型的一金屬粉體。
其中，該連續碳纖維材料為一連續碳纖維紗線、一連續纖維絲束、一連續碳纖維絲管或是連續碳纖維帶。
其中，該金屬粉體之原料與該薄膜種層選用相同或是不同之金屬或合金
其中，該薄膜種層之厚度介於0.1微米~5微米之間。
其中，該薄膜種層可選自由鋼、鐵、鋁、銅、銀、鉛、錫、釩、鉻、錳、鎳、鈷、鈦、鋯等金屬以及上述材料合金所組成的群組。
一種金屬碳纖維成品，經由複數個金屬基碳纖維複合材料編織形成具可撓性的一網材。
其中，給予該網材一加熱溫度以及一成形壓力，使得該金屬面材於接受該加熱溫度時形成融熔狀，並且對應該成形壓力定型成的具剛性的一硬材。
本發明中，可以依據所需備置該金屬粉體的量，進而調控該金屬基碳纖維複合材料製成後其表面一金屬面材之厚度。透過位於中間的該薄膜種層，使得該金屬粉體可以穩固且不易脫落的形成於該連續碳纖維材料表面，該薄膜種層不僅可以作為一界面结合薄膜達到連接異材質之功能，還可以克服傳統該碳纖維材料電鍍金屬時容易產生不均勻以及電鍍厚度受到限制之問題。
本發明所提供之該金屬基碳纖維複合材料保留了碳纖維材料耐高溫性、高拉伸強度、耐腐蝕性、導電導熱性等優異性能，更具備了所選之該改質材料及/或該金屬粉體所具備之剛性強度以及耐衝擊性，配合該金屬面材之熔點低於該連續碳纖維材料以及該金屬面材所具備良好的延展性，該金屬基碳纖維複合材料還可以達到二次加工之效用。
該金屬碳纖維成品經由二次加工可以展現有不同的材料特性（可撓性的網材以及具剛性的一硬材），且當位置於該金屬碳纖維成品及/或該金屬基碳纖維複合材料內部的該連續碳纖維材料於使用不慎破裂時，其外表之該金屬面材可以初步的維持，避面該金屬基碳纖維成品及/或該金屬基碳纖維複合材料整體結構直接破碎變形，該達到即時保護之效果，當用於航空、交通以及大型機具設備時有以大幅的提升安全性。
請參考圖1，其為本發明所提供之金屬基碳纖維複合材料的製造方法較佳實施利，其步驟包含：
步驟S1，備至一連續碳纖維材料：該連續碳纖維材料為尚未經由一固化材料含浸之碳纖維材料，其中，該連續碳纖維材料可以是連續碳纖維紗線、連續纖維絲束、連續碳纖維絲管或是連續碳纖維帶，本實施例中，該連續碳纖維材料採用該連續碳纖維紗線。
步驟S2，於一無氧環境中對連續碳纖維材料進行表面改質，形成一改質碳纖維材料：將一改質材料披覆於該連續碳纖維材料之表面，使得該連續碳纖維材料之表面產生一薄膜種層，形成該改質碳纖維材料。其中該薄膜種層之厚度介於0.1~5微米（um）之間，較佳的，該改質材料可以為一金屬材料、一金屬氧化物或是一金屬合金。
其中，所述該金屬材料可選自由鋼、鐵、鋁、銅、銀、鉛、錫、釩、鉻、錳、鎳、鈷、鈦以及鋯所組成之群組；所述該金屬氧化物可選自由上述金屬材料之氧化物的一種或任一兩種以上之組合；以及所述該金屬合金可選自由上述金屬材料與其他非金屬材料所形成合金的一種或任一兩種以上之組合。
進一步的，產生該薄膜種層之方法可以利用電鍍、蒸鍍或是濺鍍等方式，使得該改質材料得以形成於該連續碳纖維材料之表面。其中，所述蒸鍍該改質材料較佳第一實施例中，將該改質材料以及該連續碳纖維材料放置於密閉之一反應空間中，並提供該改質材料一反應溫度，使得該改質材料蒸發並散佈於該反應空間中，同時的將該反應空間進行抽真空，於冷卻後該改質材料沈積於該連續碳纖維材料形成該薄膜種層。
本發明提供之濺鍍該改質材料較佳第二實施例中，與前述不同之處在於，在真空狀態的該反應空間中以該改質材料作為一陰極，而該連續碳纖維材料作為陽極。於該反應空間中注入一惰性氣體，並且將一直流電導入該改質材料，該惰性氣體經由該陰極導電後產生放電作用形成產生一高能量離子（電漿體），該高能量離子撞擊該改質材料（陰極）表面產生能量轉移，使得該改質材料將一原子擊出並且濺射沉積於該連續碳纖維材料形成一層均勻光滑的該薄膜種層。
本發明電鍍該改質材料較佳第三實施例中，備有一電鍍槽，並將配置好的一電鍍液放置於該電鍍槽內，其中該電鍍液包含有該改質材料之離子成分，將所述的該連續碳纖維材料並作為一陰極放入該電鍍槽中，而包含有該改質材料之離子成分的一改質材料板作為陽極放置於該電鍍槽中，接著將該連續碳纖維材料、該電鍍液以及該改質材料板導入一直流電形成一連通電路並進行電鍍，此時，該改質材料以離子彙聚在陰極，並且在得到電子後變為該改質材料附著於該連續碳纖維材料表面，形成該薄膜種層。
步驟S3，被覆一金屬粉體：將該金屬粉體均勻的被覆於該改質碳纖維材料表面，且該金屬粉體之一熔點低於該碳纖維材料之熔點，其中，該金屬粉體之原料可選用該金屬材料或是該金屬材料所製成之合金，進一步的，該金屬粉體與該改質材料可為相同或是不同之金屬或合金。
由於習知的一金屬與一碳纖維材料之間的一表面能差距甚大，使得該金屬並不容易結合於該碳纖維材料之表面，使得該金屬也無法有效的調控其形成於該碳纖維材料表面之厚度，更容易於製作完成後產生該金屬剝落脫離的情事發生，使得於傳統的技術中該金屬結合該碳纖維的複合材料不僅製作效率不佳且使用壽命甚低。
透過本發明所提供之該改質材料的披覆，可以大幅的改變該金屬粉體與該連續碳纖維材料表面之間的該表面能差距，使得該金屬粉體可以有效的附著於該薄膜種層，並且可以有效的控制該金屬粉體附著於該改質碳纖維材料表面的含量多寡，進一步的調控後續該金屬基碳纖維複合材料製成後一金屬面材之厚度。
步驟S4，形成一金屬基碳纖維複合材料：將表面被覆有該金屬粉體之該改質碳纖維材料給予一加熱溫度以及一加壓力，使得該金屬粉體依據該加熱溫度融熔並對應該加壓力與該薄膜種層緊密結合形成該金屬面材，並且於冷卻後製成該金屬基碳纖維複合材料。
進一步的，本發明於步驟S2該連續碳纖維材料表面形成該薄膜種層之前，可以先進行一預處理之步驟，其目的為去除該連續碳纖維材料表面原先帶有的一上漿劑以及其他雜質，有助於增加後續電鍍該改質材料的結合力。該預處理方式可以是將該連續碳纖維材料放置於一高溫環境中，通過高溫使得該上漿劑可於該連續碳纖維材料表面脫離，其中，且該高溫環境內維持有一高溫溫度，且該高溫溫度介於攝氏550至650度(°C)之間。
進一步地，該預處理於一加熱爐中進行，該加熱爐內界定有該高溫環境。較佳的，於該高溫環境中充滿有該惰性氣體，使得該連續碳纖維材料在惰性氣體的環境下不易氧化。
該預處理方式也可以是將該連續碳纖維材料通過一高溫浴池，使得該上漿劑於脫離該連續碳纖維材料的同時，該高溫浴池可以一併的清潔該連續碳纖維材料表面。
本發明中，可以依據所需備置該金屬粉體的量，進而調控該金屬基碳纖維複合材料製成後其表面一金屬面材之厚度。透過位於中間的該薄膜種層，使得該金屬粉體可以穩固且不易脫落的形成於該連續碳纖維材料表面，該薄膜種層不僅可以作為一界面结合薄膜達到連接異材質之功能，還可以克服傳統該碳纖維材料電鍍金屬時容易產生不均勻以及電鍍厚度受到限制之問題。
本發明所提供之該金屬基碳纖維複合材料保留了碳纖維材料耐高溫性、高拉伸強度、耐腐蝕性、導電導熱性等優異性能，更具備了所選之該金數面材所具備之剛性強度以及耐衝擊性，配合該金屬面材之熔點低於該連續碳纖維材料以及該金屬面材所具備良好的延展性，該金屬基碳纖維複合材料還可以達到二次加工之效用。
本發明進一步地提供之該金屬基碳纖維複合材料二次加工後形成一金屬基碳纖維成品之較佳實施例，該金屬基碳纖維複合材料可以依據所需進行編織成網，使得該金屬基碳纖維成品形成具可撓性的一網材。
進一步地，該金屬基碳纖維複合材料編織成網後，可以再經由該加熱溫度以及一成形壓力加工，使得該金屬基碳纖維複合材料之該金屬面材於接受該加熱溫度時形成融熔狀，並且對應該成形壓力定型。例如，將網狀的該金屬基碳纖維成品放置於一模具中，並且給予該加熱溫度，於冷卻後該金屬基碳纖維成品便可以對應該模具所提供之該成形壓力形成的具剛性的一硬材。
該金屬基碳纖維成品經由二次加工可以展現有不同的材料特性（可撓性的網材以及具剛性的一硬材），且當位置於該金屬基碳纖維成品及/或該金屬基碳纖維複合材料內部的該連續碳纖維材料於使用不慎破裂時，其外表之該金屬面材可以初步的維持，避面該金屬基碳纖維成品及/或該金屬基碳纖維複合材料整體結構直接破碎變形，該達到即時保護之效果，當用於航空、交通以及大型機具設備時有以大幅的提升安全性。
無
圖1為本發明較佳實施例製作流程圖
Claims (15)
- 一種金屬基碳纖維複合材料的製造方法，其步驟包含： 備置未經含浸的一連續碳纖維材料； 將一改質材料形成於該連續碳纖維材料之表面作為一薄膜種層，並產生一改質碳纖維材料； 以及 將一金屬粉體均勻的被覆於該改質碳纖維材料表面並且於該金屬粉體與該薄膜種層融合後形成具有一金屬面材的一金屬基碳纖維複合材料。
- 如請求項1所述之金屬基碳纖維複合材料的製造方法，該改質材料可以為一金屬材料、一金屬氧化物或是一金屬合金，且該改質材料可以利用電鍍、蒸鍍或是濺鍍等方式形成於該連續碳纖維材料之表面。
- 如請求項2所述之金屬基碳纖維複合材料的製造方法，於形成該薄膜種層之前， 將該連續碳纖維材料放置於維持有攝氏溫度介於550至650度之間的一高溫環境中進行一預處理。
- 如請求項1至3任一項所述之金屬基碳纖維複合材料的製造方法，該改質材料形成於該連續碳纖維材料之表面的步驟包含： 將該改質材料以及該連續碳纖維材料放置於密閉之一反應空間中； 提供該改質材料一反應溫度，使得該改質材料蒸發並散佈於該反應空間中；以及 將該反應空間進行抽真空，於冷卻後該改質材料沈積於該連續碳纖維材料形成該薄膜種層。
- 如請求項1至3任一項所述之金屬基碳纖維複合材料的製造方法，該改質材料形成於該連續碳纖維材料之表面的步驟包含： 在真空狀態的一反應空間中以該改質材料作為一陰極，而該連續碳纖維材料作為陽極；以及 於一反應空間中注入一惰性氣體，並且將一直流電導入該改質材料，該改質材料將一原子擊出並且濺射沉積於該連續碳纖維材料形成該薄膜種層。
- 如請求項1至3任一項所述之金屬基碳纖維複合材料的製造方法，該改質材料形成於該連續碳纖維材料之表面的步驟包含： 備有一電鍍槽； 將配置好的一電鍍液放置於該電鍍槽內，其中該電鍍液包含有該改質材料之離子成分； 該連續碳纖維材料並作為一陰極放入該電鍍槽中； 包含有該改質材料之離子成分的一改質材料板作為陽極放置於該電鍍槽中；以及 導入一直流電形使得該連續碳纖維材料、該電鍍液以及該改質材料板成一連通電路並進行電鍍。
- 一種金屬基碳纖維複合材料，該金屬基碳纖維複合材料包含： 位置於內層的一連續碳纖維材料，該連續碳纖維材料表面形成有一薄膜種層；以及 位置於外層的一金屬面材，其中，該金屬面材之一熔點低於該連續碳纖維材料，且該金屬面材係經由一金屬粉體披覆於該薄膜種層並融合後所定型。
- 如請求項6所述之金屬基碳纖維複合材料，該連續碳纖維材料為一連續碳纖維紗線、一連續纖維絲束、一連續碳纖維絲管或是連續碳纖維帶。
- 如請求項7所述之金屬基碳纖維複合材料，其中： 該金屬粉體之原料與該薄膜種層選用相同或是不同之金屬或合金；以及 該薄膜種層之厚度介於0.1微米~5微米之間。
- 如請求項4所述之金屬基碳纖維複合材料，該薄膜種層可選為一金屬材料、一金屬氧化物或是一金屬合金。
- 如請求項10所述之金屬基碳纖維複合材料，該金屬材料可選自由鋼、鐵、鋁、銅、銀、鉛、錫、釩、鉻、錳、鎳、鈷、鈦以及鋯所組成之群組。
- 如請求項10所述之金屬基碳纖維複合材料，該金屬氧化物可選自由鋼、鐵、鋁、銅、銀、鉛、錫、釩、鉻、錳、鎳、鈷、鈦以及鋯之上述金屬氧化物的一種或任一兩種以上之組合。
- 如請求項10所述之金屬基碳纖維複合材料，該金屬合金可選自由鋼、鐵、鋁、銅、銀、鉛、錫、釩、鉻、錳、鎳、鈷、鈦以及鋯之上述金屬與其他非金屬材料所形成合金的一種或任一兩種以上之組合。
- 如請求項7至13所述之金屬基碳纖維複合材料，複數個該金屬基碳纖維複合材料經由編織形成具可撓性的一網材。
- 如請求項14所述之金屬基碳纖維複合材料，給予該網材一加熱溫度以及一成形壓力，使得該金屬面材於接受該加熱溫度時融熔，並且對應該成形壓力定型成的具剛性的一硬材。
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| TW111106000A TW202334458A (zh) | 2022-02-18 | 2022-02-18 | 金屬基碳纖維複合材料及其製造方法與成品 |
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