TWI622615B - Carbon fiber composite material and its use - Google Patents

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Abstract

一種碳纖維複合材料，包含連續長碳纖維及樹脂基質，該樹脂基質分布於碳纖維表面且由一種樹脂組成物所形成，該樹脂組成物包含樹脂、導熱碳黑及導熱短纖維，以該樹脂的重量為100重量份，該導熱碳黑的含量範圍為1重量份以下及該導熱短纖維的含量範圍為1~5重量份，及該導熱短纖維的長度範圍為1/4英吋以下。本發明碳纖維複合材料具備高導熱及散熱能力，適合應用於輪圈、碟剎盤等產品，可用於解決碳纖複材輪圈、碟剎盤因剎車產生高溫所導致的爆框、變形、損壞等問題。

Description

碳纖維複合材料及其用途
本發明是有關於一種碳纖維複合材料及其用途，特別是指一種含有可導熱樹脂基質的碳纖維複合材料及其用途。
自行車碳纖維輪圈主要由纖維複合材料所組成，該纖維複合材料是透過將碳纖維浸漬於樹脂基質中所製成。雖然纖維複合材料具有高機械強度、質輕等優點，但在剎車過程中，輪圈會與剎車塊長時間接觸摩擦，致使輪圈會因為剎車所引起的溫度上升而產生熱磨耗、使用壽命縮短等問題。
針對上述問題，目前的解決方案是於環氧樹脂中加入耐磨性、導熱或散熱材料，例如TW M459131U1新型專利公告案。此新型專利公告案提及一種耐磨性自行車碳纖維輪框，包含一個由碳纖維複合材料製成的碳纖維輪框，以及至少一層設置於該碳纖維輪框上與剎車塊接觸位置的薄膜層，該薄膜層是由高硬度礦石粉末及環氧樹脂所組成。該薄膜層所含的高硬度礦石粉末具備高硬度及耐磨耗特性，而能增加碳纖維輪框的結構強度及耐磨耗性。
除了礦石粉末外，本案發明人於TW 201601947專利公開案中也提到一種纖維增強複合材料輪圈，該輪圈是由包括樹脂基質及纖維層的纖維複合材所製成，該樹脂基質是由含有石墨烯及樹脂的樹脂組成物所製成。然而，上述礦石粉末及石墨烯等材料雖具備導熱及散熱能力，但仍存在成本高、分散性不佳等問題。
由上述說明可知，碳纖維複合材料的樹脂基質還需再進一步地尋求成本低、可提供導熱及散熱能力的材料，以有效增加輪圈的使用壽命，同時解決碳纖複材輪圈、碟剎盤因剎車產生高溫所導致的爆框、變形、損壞等問題。
因此，本發明之目的，即在提供一種具備高導熱及散熱能力的碳纖維複合材料。
於是，本發明碳纖維複合材料包含連續長碳纖維及分布於該碳纖維表面且由一種樹脂組成物所形成的樹脂基質。該樹脂組成物包含樹脂、導熱碳黑及導熱短纖維，以該樹脂的重量為100重量份，該導熱碳黑的含量範圍為1重量份以下及該導熱短纖維的含量範圍為1~5重量份，及該導熱短纖維的長度範圍為1/4英吋以下。
本發明的另一目的是在提供一種可降低因剎車高溫所導致的爆框、變形、損壞等問題且具備較佳使用壽命的輪圈。
於是，本發明輪圈包含一個輪圈主體，該輪圈主體含有一個如前述的碳纖維複合材料所製成的剎車塊接觸部。
本發明的又另一目的是在提供一種具備較佳使用壽命的碟剎盤。
於是，本發明碟剎盤包含一個碟剎盤主體，該碟剎盤主體含有一個如前述碳纖維複合材料所製成的碟剎塊接觸部。
本發明之功效在於：該碳纖維複合材料的樹脂基質是由含有碳黑及導熱短纖維的樹脂組成物所形成，透過特定組成比例的碳黑與導熱短纖維的組合，同時控制導熱短纖維的長度範圍，使得本發明碳纖維複合材料具備高導熱及散熱能力，並適合應用在輪圈、碟剎盤等產品中，可同時解決碳纖複材輪圈、碟剎盤因剎車產生高溫所導致的爆框、變形、損壞等問題。
以下就本發明內容進行詳細說明：
本發明碳纖維複合材料包含連續長碳纖維及樹脂基質。
較佳地，該連續長碳纖維為適用於製作輪圈、碟剎盤或剎車塊接觸部等產品的碳纖維。
該樹脂基質是由一種樹脂組成物所形成，該樹脂組成物包含樹脂、導熱碳黑及導熱短纖維。較佳地，該樹脂組成物可選擇地包含填料、硬化劑、促進劑、稀釋劑、著色劑、熱穩定劑、抗衝擊改質劑等。該填料例如但不限於金屬粉、石墨、硫酸鋇或前述的一種組合等。該硬化劑及促進劑可選用與樹脂搭配使用的硬化劑及促進劑，硬化劑例如但不限於適合與環氧樹脂併用的硬化劑，如二氰二胺(dicyandiamide，DICY)等；促進劑例如但不限於3-(3,4-二氯苯)-1,1-二甲基脲[3-(3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethyl urea，DCMU]。
於本發明的碳纖維複合材料中，以該樹脂的重量為100重量份，該導熱碳黑的含量範圍為1重量份以下，及該導熱短纖維的含量範圍為1~5重量份。於本發明的具體例中，該導熱碳黑的含量為1重量份，及該導熱短纖維的含量為1重量份。
較佳地，該樹脂是選自於熱塑性樹脂、熱固性樹脂或前述兩者的組合。該熱塑性樹脂例如但不限於聚碳酸酯(PC)、聚醯胺(polyamide，如耐綸)、聚丙烯酸酯(polyacrylate)、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)、聚醚碸[poly(ether sulfones)]、聚醚醚酮(PEEK)等；該熱固性樹脂例如但不限於環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯、不飽和聚酯樹脂(unsaturated polyester resin)、雙馬來醯亞胺樹脂(bismaleimide，BMI)、聚醯亞胺(polyimide，PI)、聚呋喃(furan)等。
該導熱短纖維的材質選用及尺寸範圍須至少滿足以下兩條件：(1)可良好分散於樹脂；及(2)能發揮導熱及散熱能力。在本發明的碳纖維複合材料中，該導熱短纖維的長度範圍為1/4英吋以下，較佳地，該導熱短纖維的長度範圍為1/32英吋~1/4英吋。當該導熱短纖維的長度大於1/4英吋，可能會產生導熱短纖維無法均勻分散於樹脂中；當該導熱短纖維的長度小於1/32英吋，可能會導致該導熱短纖維無法發揮導熱及散熱能力。
該導熱短纖維的材質例如但不限於碳、銅、鋁、鎳、碳化矽、不銹鋼、銀、金、鬚晶(Whisker)。較佳地，該導熱短纖維的熱傳導係數為300 W/mK以上，又更佳地，該導熱短纖維的熱傳導係數為900 W/mK以上。於本發明的一具體例中，該導熱短纖維的材質為碳。
本發明碳纖維複合材的製作方式與已知碳複合纖維材相同，例如先將樹脂、導熱碳黑及導熱短纖維予以混合得到樹脂組成物(例如利用三滾輪進行混合步驟，再利用超音波進行分散)，接著再將碳纖維浸漬於該樹脂組成物中，最後將含浸有該樹脂組成物的碳纖維(即預浸料，prepreg)予以加熱固化。
本發明的原理為利用顆粒狀的導熱材料(如碳黑)分布於樹脂組成物中，再利用導熱短纖維(如導熱短碳纖維)起到橋接作用，使熱的傳導形成網狀，均勻分布於連續長碳纖維製成預浸料(prepreg)，最後於模壓成型時因壓力與材料流動，將導熱材料(導熱短纖維與顆粒狀的導熱材料)與長碳纖維形成3次元的熱傳導網狀結構，有效率地起到熱傳導與熱消散作用。
本發明碳纖維複合材料可運用於製備輪圈(特別是自行車輪圈)、碟剎盤、輪圈的剎車塊接觸部、碟剎盤的碟剎塊接觸部等。當應用於製作剎車塊接觸部時，可選擇地將本發明碳纖維複合材料裁剪多數個片材 (每一個片材的尺寸為可覆蓋剎車塊的接觸面，此接觸面是與輪圈相接觸)，接著將此片材固定至該輪圈的剎車塊接觸位置；或者也可選擇地，將此片材固定至剎車塊上的接觸面。
本發明輪圈包含一個含有一個剎車塊接觸部的輪圈主體，該剎車塊接觸部是由碳纖維複合材料所製成。該碳纖維複合材料的組成及各種變化態樣如上所述。較佳地，該輪圈主體是由碳纖維複合材料所製成。
本發明碟剎盤包含一個含有一個碟剎塊接觸部的碟剎盤主體，該碟剎塊接觸部是由碳纖維複合材料所製成。該碳纖維複合材料的組成及各種變化態樣如上所述。較佳地，該碟剎盤主體是由碳纖維複合材料所製成。
本發明將就以下實施例作進一步說明，但應瞭解的是，該實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
[ 實施例 1] 碳纖維複合材料將100重量份的環氧樹脂(大格化學公司製造)、1重量份的碳黑、1重量份的高導熱碳短纖維(長度為1/32英吋，熱傳導係數為900 W/mK)、8重量份的硬化劑(DICY)及1重量份的促進劑(DCMU)進行混合而獲得樹脂組成物。 將樹脂組成物塗佈於94個強化纖維(bobbins)並排的連續長碳纖維層(台塑TC36碳砂)的外表面而形成經塗佈的纖維薄片。將該經塗布的纖維薄片經90~120°C的熱壓(熨燙)浸潤，待0.1~0.5分鐘後形成碳纖預浸布。將碳纖預浸布經裁切成20cm×20cm大小及厚度為1mm的試片，之後再於150°C經模壓加熱1小時後硬化成碳纖維複合材料。
[ 比較例 1] 碳纖維複合材料除了未添加高導熱碳短纖維外，其餘成分、用量及製備過程皆與實施例1相同。
[ 熱導率 K 值測試 ] ：利用K值檢測儀分別測試實施例1及比較例1的碳纖維複合材料，結果整理於下表1中。
[表1] <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 實施例1 </td><td> 比較例1 </td></tr><tr><td> K值(<b>W/mK</b>) </td><td> 1.001 </td><td> 0.658 </td></tr></TBODY></TABLE>
由表1結果可知，實施例1碳纖維複合材料的熱導率高於比較例1碳纖維複合材料的熱導率，顯示本發明碳纖維複合材料具備良好的導熱及散熱能力。
[ 應用例 1] 輪圈將實施例1的碳纖維複合材料裁剪為略大於剎車塊大小的尺寸(寬1.5公分)並貼至輪圈(700C)最外緣的剎車塊接觸位置(模具溫度為50°C)，以形成剎車塊接觸部。
[ 比較應用例 1] 輪圈除了將實施例1的碳纖維複合材料置換為比較例1的碳纖維複合材料外，其餘製程都與應用例1相同。
[ 測試 ]分別將應用例1的輪圈與比較應用例1的輪圈的輪軸荷重65 kg，並進行3、4、5或6次的剎車溫度測試： 1. 3 次剎車溫度測試：使比較應用例1的輪圈進行以下測試： 第1次：使輪圈進行轉動，直至輪圈速度達50 km/hr後，於電扇(頻率60Hz，功率170W)吹拂下，首先利用紅外線測溫計(測試範圍為-32°C~375°C)，對輪圈的剎車塊接觸部進行溫度測量(起始溫度)並記錄於表1中。接著，同樣於電扇吹拂下，使一剎車塊接觸該輪圈並維持5秒後，將剎車塊移開並等待5秒，再重複進行前述步驟，直到測試時間達30分鐘即停止測試。最後，再對輪圈進行溫度測量(最終溫度)並記錄於下表2中。 第2次：使經第1次測試的輪圈進行轉動，直至輪圈速度達20~23 km/hr後，於電扇吹拂下，首先對輪圈進行溫度測量(起始溫度)並記錄於表2中。接著，同樣於電扇吹拂下，使一剎車塊接觸該輪圈並維持5秒後，將剎車塊移開並等待5秒，再重複進行前述步驟，直到測試距離達3公里，再進行輪圈的溫度測量(最終溫度)並記錄於下表2中。 第3次：使經第2次測試的輪圈進行轉動，直至輪圈速度達20~23 km/hr後，首先對輪圈進行溫度測量(起始溫度)並記錄於表2中。接著，使一剎車塊接觸該輪圈並維持5秒後，將剎車塊移開並等待5秒，再重複進行前述步驟，直到測試距離達5公里，再進行輪圈的溫度測量(最終溫度)並記錄於下表2中。另利用標準游標卡尺方法量測裝胎剎車面的最大變形量(mm)。目前業界可接受的最終溫度為150°C以下，以及最大變形量為0.5 mm。當最大變形量高於0.5 mm，表示剎車接觸部的導熱效果不佳。 2. 4 次剎車溫度測試：使應用例1及比較應用例1的輪圈分別4次剎車溫度測試，其中應用例1是重複進行兩次的4次剎車溫度測試。4次剎車溫度測試中的前3次是依據上述3次剎車溫度測試步驟，第4次是依據3次剎車溫度測試中的第3次進行測試，同樣測量及記錄起始溫度、最後溫度及最大變形量於表2中。 3. 5 次剎車溫度測試：使應用例1的輪圈進行下述第1至5次測試，每次的測試步驟如下：使輪圈進行轉動，直至輪圈速度達50 km/hr後，首先對輪圈進行溫度測量(起始溫度)並記錄於表3中。接著，使一剎車塊接觸該輪圈並維持5秒後，將剎車塊移開並等待5秒，再重複進行前述步驟，直到測試距離達5公里，再進行輪圈的溫度測量(最終溫度)並記錄於下表3中。最後同樣量測裝胎剎車面的最大變形量(mm)。 4. 6 次剎車溫度測試：使應用例1的輪圈進行6次剎車溫度測試。6次剎車溫度測試中的前4次是依據4次剎車溫度測試步驟，第5及6次是依據4次剎車溫度測試中的第3次進行測試，同樣測量及記錄起始溫度、最後溫度及最大變形量於表3中。
[表2] <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td><b>3</b><b>次剎車溫度測試</b></td></tr><tr><td> 編號 </td><td> 短纖維用量(重量份) </td><td> 測試次數 </td><td> 是否開電扇 </td><td> 起始溫度(°C) </td><td> 最終溫度(°C) </td><td> 最大變形量(mm) </td><td> 剎車塊接觸部外觀 </td></tr><tr><td> 比較 應用例1 </td><td> 0 </td><td> 1 </td><td> 是 </td><td> 29.4 </td><td> 103.9 </td><td> - </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td> 2 </td><td> 是 </td><td> 29.6 </td><td> 102.3 </td><td> - </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td> 3 </td><td> 否 </td><td> 29.4 </td><td> 136.8 </td><td> 1.6 </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td><b>4</b><b>次剎車溫度測試</b></td></tr><tr><td> 編號 </td><td> 短纖維用量(wt%) </td><td> 測試次數 </td><td> 是否開電扇 </td><td> 起始溫度(°C) </td><td> 最終溫度(°C) </td><td> 最大變形量(mm) </td><td> 剎車塊接觸部外觀 </td></tr><tr><td> 應用例1 (第一次測試) </td><td> 1 </td><td> 1 </td><td> 是 </td><td> 18.1 </td><td> 112.2 </td><td> - </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td> 2 </td><td> 是 </td><td> 19.7 </td><td> 116.8 </td><td> - </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td> 3 </td><td> 否 </td><td> 19.5 </td><td> 142.4 </td><td> 0.24 </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td> 4 </td><td> 否 </td><td> 19.2 </td><td> 144.2 </td><td> 0.26 </td><td> 有乾紗、 顆粒 </td></tr><tr><td> 應用例1 (第二次測試) </td><td> 1 </td><td> 1 </td><td> 是 </td><td> 17.4 </td><td> 99.5 </td><td> - </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td> 2 </td><td> 是 </td><td> 20.9 </td><td> 107 </td><td> - </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td> 3 </td><td> 否 </td><td> 18.8 </td><td> 145.9 </td><td> 0.04 </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td> 4 </td><td> 否 </td><td> 20.1 </td><td> 148.2 </td><td> 0.06 </td><td> 無變化 </td></tr></TBODY></TABLE>(續表2) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 編號 </td><td> 短纖維用量(wt%) </td><td> 測試次數 </td><td> 是否開電扇 </td><td> 起始溫度(°C) </td><td> 最終溫度(°C) </td><td> 最大變形量(mm) </td><td> 剎車塊接觸部外觀 </td></tr><tr><td> 比較 應用例1 </td><td> 0 </td><td> 1 </td><td> 是 </td><td> 21.3 </td><td> 139.1 </td><td> - </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td> 2 </td><td> 是 </td><td> 21.6 </td><td> 141.2 </td><td> - </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td> 3 </td><td> 是 </td><td> 23.1 </td><td> 148.6 </td><td> - </td><td> 無變化 </td></tr><tr><td> 4 </td><td> 否 </td><td> 18.7 </td><td> 173.9 </td><td> 0.92 </td><td> 無變化 </td></tr></TBODY></TABLE>
由表2結果可知，應用例1的輪圈於兩次的4次剎車溫度測試後所測得的最終溫度皆低於150°C，且最大變形量皆小於0.5 mm，由此顯示本發明碳纖維複合材料形成剎車塊接觸部確實可有效導熱及散熱，同時證明本發明輪圈能符合目前市場規範。
反觀比較應用例1的3次剎車溫度測試結果，最終溫度雖低於150°C，但最大變形量為1.6 mm，高於0.5 mm，顯示比較應用例1的碳纖維複合材料所形成的剎車塊接觸部無法有效導熱及散熱，也無法符合市場規範。於比較應用例1的4次剎車溫度測試結果中，最終溫度為173.9°C，最大變形量為0.92 mm，同樣也證實比較應用例1的碳纖維複合材料所形成的剎車塊接觸部無法符合市場規範。
[表3] <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td><b>應用例</b><b>1</b><b>的</b><b>5</b><b>次剎車溫度測試</b></td></tr><tr><td> 測試次數 </td><td> 是否開電扇 </td><td> 起始溫度(°C) </td><td> 最終溫度(°C) </td><td> 最大變形量(mm) </td></tr><tr><td> 1 </td><td> 否 </td><td> 16.2 </td><td> 104.6 </td><td> 0.14 </td></tr><tr><td> 2 </td><td> 否 </td><td> 21.5 </td><td> 136.8 </td><td> 0.14 </td></tr><tr><td> 3 </td><td> 否 </td><td> 21.3 </td><td> 140.2 </td><td> 0.14 </td></tr><tr><td> 4 </td><td> 否 </td><td> 16.6 </td><td> 135.5 </td><td> 0.14 </td></tr><tr><td> 5 </td><td> 否 </td><td> 20.2 </td><td> 140.0 </td><td> 0.14 </td></tr><tr><td><b>應用例</b><b>1</b><b>的</b><b>6</b><b>次剎車溫度測試</b></td></tr><tr><td> 測試次數 </td><td> 是否開電扇 </td><td> 起始溫度(°C) </td><td> 最終溫度(°C) </td><td> 最大變形量(mm) </td></tr><tr><td> 1 </td><td> 是 </td><td> 21.1 </td><td> 104.1 </td><td> - </td></tr><tr><td> 2 </td><td> 是 </td><td> 17.8 </td><td> 103.3 </td><td> - </td></tr><tr><td> 3 </td><td> 否 </td><td> 19.2 </td><td> 133.8 </td><td> 0.12 </td></tr><tr><td> 4 </td><td> 否 </td><td> 21.9 </td><td> 137.7 </td><td> 0.12 </td></tr><tr><td> 5 </td><td> 否 </td><td> 19.1 </td><td> 138.5 </td><td> 0.12 </td></tr><tr><td> 6 </td><td> 否 </td><td> 21.9 </td><td> 145.5 </td><td> 0.12 </td></tr></TBODY></TABLE>
由表3的5次剎車溫度測試結果可知，應用例1在經過5次未使用電扇的測試後，最終溫度只有140.0°C，遠低於表2中經4次測試的比較應用例1的最終溫度173.9°C，證明利用本發明碳纖維複合材料形成剎車塊接觸部確實可有效導熱及散熱。於6次剎車溫度測試的結果，最終溫度也只有145.5°C，同樣驗證本發明碳纖維複合材料具備導熱及散熱效果。
綜上所述，本發明碳纖維複合材料的樹脂基質是由含有碳黑及導熱短纖維的樹脂組成物所形成，透過特定組成比例的碳黑與導熱短纖維的組合，同時適當控制該導熱短纖維的長度範圍，使得本發明碳纖維複合材料具備高導熱及散熱能力，更讓本發明輪圈及碟剎盤具備較佳的使用壽命，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (10)

  1. 一種碳纖維複合材料，包含： 連續長碳纖維；及 樹脂基質，分佈於該碳纖維表面且由一種樹脂組成物所形成， 其中，該樹脂組成物包含樹脂、導熱碳黑及導熱短纖維，以該樹脂的重量為100重量份，該導熱碳黑的含量範圍為1重量份以下及該導熱短纖維的含量範圍為1~5重量份，及該導熱短纖維的長度範圍為1/4英吋以下。
  2. 如請求項1所述的碳纖維複合材料，其中，該導熱短纖維的長度範圍為1/32英吋~1/4英吋。
  3. 如請求項1所述的碳纖維複合材料，其中，該樹脂是選自於熱塑性樹脂、熱固性樹脂或前述兩者的組合。
  4. 如請求項1所述的碳纖維複合材料，其中，該導熱短纖維的材質是碳。
  5. 如請求項1所述的碳纖維複合材料，其中，該導熱短纖維的熱傳導係數為500 W/mK以上。
  6. 如請求項1所述的碳纖維複合材料，其中，該樹脂組成物還包含填料，該填料是選自於金屬粉、石墨、硫酸鋇、或前述的一個組合。
  7. 一種輪圈，包含： 一個輪圈主體，該輪圈主體含有一個剎車塊接觸部，該剎車塊接觸部是如請求項1至6中任一項所述的碳纖維複合材料所製成。
  8. 如請求項7所述的輪圈，其中，該輪圈主體是如請求項1至6中任一項所述的碳纖維複合材料所製成。
  9. 一種碟剎盤，包含： 一個碟剎盤主體，該碟剎盤主體含有一個碟剎塊接觸部，該碟剎塊接觸部是如請求項1至6中任一項所述的碳纖維複合材料所製成。
  10. 如請求項9所述的碟剎盤，其中，該碟剎盤主體是如請求項1至6中任一項所述的碳纖維複合材料所製成。
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