TWI701213B

TWI701213B - 碳纖維芯材表面以合金膜層熔接成型製作複合材之方法及其製品。

Info

Publication number: TWI701213B
Application number: TW107117210A
Authority: TW
Inventors: 陳冠維; 鄭憲清; 陳冠宇
Original assignee: 態金材料科技股份有限公司
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2020-08-11
Also published as: TW202003376A

Abstract

一種方法，係令碳纖維芯材表面以合金膜層熔接成型以製作成高強度、輕量化、抗腐蝕、可導電之複合材產品。

Description

碳纖維芯材表面以合金膜層熔接成型製作複合材之方法及其製品。

本發明係關於一種碳纖維芯材表面以合金膜層熔接成型製作複合材之方法及其製品。

已知有將碳纖維以補強材加以強化以製作成碳纖維補強複合材。

例如美國專利第2002/0180095號(摘要如附)即揭示一碳纖維芯材以一聚合物套護擠製成一導熱性複合材，可以射出成型製作成散熱器(heat sink)，該前案雖具導熱性，但卻乏導電性，使其在現代工程及工業中之應用受到極大的限制。而到目前為止，未見有以玻璃纖維芯材鍍以合金膜層製作成複合材之揭示，本案發明人有鑒於此，乃加創新研究，揭示出本發明碳纖維芯材表面以合金膜層熔接成型製作複合材之方法及其製品。

本發明之目的旨在提供一種方法及製品，係令碳纖維芯材表面以合金膜層熔接成型以製作成高強度、輕量化、抗腐蝕、可導電之複合材產品。

本發明之可取實例，可由以下說明書配合所附諸圖式而得以明晰之。

1‧‧‧碳纖維鍍膜線

T1‧‧‧上靶材

2‧‧‧電熱器

T2‧‧‧下靶材

21‧‧‧熱電極壓板

R1‧‧‧第一滾輪

22‧‧‧電源

R2‧‧‧第二滾輪

3‧‧‧模具

31‧‧‧上模

32‧‧‧下模

P‧‧‧壓力

11‧‧‧碳纖維芯材

12‧‧‧合金膜層

H‧‧‧加熱

圖1係本發明製作以碳纖維芯材鍍以合金膜層之示意圖。

圖2係本發明疊合數層碳纖維鍍膜線層之立體示意圖。

圖3係本發明疊合數層碳纖維鍍膜線層之加熱加壓模製示意圖。

圖4係本發明之部份放大示意圖。

圖5係本發明之另一可取實施例。

參閱圖1，本發明係先製作碳纖維芯材鍍以合金膜層以形成碳纖維鍍膜線(1)含有碳纖維芯材(11)與套護、包覆、鍍著於該芯材(11)外層之合金膜層(12)者。

該合金膜層(12)可包括：金屬玻璃膜層、液態合金膜層、非晶質合金膜層、以及傳統合金膜層。當然，亦可修飾為金屬膜層，唯仍以上述之合金及金屬玻璃膜層為宜。

該合金膜層(12)可為金屬玻璃膜層，可選自下列之金屬玻璃，包括：以鐵為基之金屬玻璃，以鎳為基之金屬玻璃，以鈦為基之金屬玻璃，以鋁為基之金屬玻璃，以鎂為基之金屬玻璃，以鈷為基之金屬玻璃，以及其他金屬玻璃；包括以多元素為基之金屬玻璃，本發明並未加以限制。

上述之合金或金屬玻璃則作為一靶材(target)以進行如圖1所示之滾輪對滾輪(roll-to-roll)濺鍍裝置之濺鍍製程。

於上濺鍍器裝以一上靶材(T1)，下濺鍍器則裝有下靶材 (T2)。碳纖維芯材(11)自第一滾輪(R1)拉出後即飼入該濺鍍裝置之進料端，藉第二滾輪(R2)自相對端捲收該第一滾輪(R1)所拉出之碳纖維芯材(11)，而於通經上、下濺鍍器(T1，T2)時，將鍍著有合金膜層(12)之碳纖維鍍膜線(1)捲收入該二滾輪(R2)上備用。

於濺鍍過程中，各濺鍍器維持以高壓電場並通入惰性氣體(如氬)，氬氣在高壓電場中離子化乃加速衝向各靶材(T1，T2)，遂衝撞靶材使靶材上的合金或金屬玻璃的原子被撞出，而向著基層[亦即碳纖維芯材(11)]前進而沈積於芯材(11)上，使芯材(11)表面鍍著一層合金膜層或金屬玻璃膜層(12)，形成一碳纖維鍍膜線(1)，俾作為本發明後續之成型製程。

在上述濺鍍過程中，合金或金屬玻璃的原子於沈積於碳纖維芯材後，會牢固地鍵結在一起，而大增碳纖維與合金膜層之結合強度，不會產生剝離(debonding)現象。

經此一「前置作業」將碳纖維芯材(11)鍍以合金膜層(12)形成碳纖維鍍膜線(1)，其實可直接用來捻成纜索；或切成粒狀(pellet)，可供射出成型或押出成型(extrusion)成較小型複合材產品。唯本發明宜繼續以下所述之成型製程，以製成片材、板材、塊材、鑄塊(ingot)，最終製成大型化之結構物、工件或工程產品。

參閱圖2~4，本發明可將前述之碳纖維鍍膜(1)製作「疊層材」，其步驟如下：

1.將多數碳纖維鍍膜線(1)加以平行、並列、匯集成一鍍膜線層，例如經由一模口(die)將多數鍍膜線(1)匯集成一平面狀之鍍膜線層。

2.將多數層鍍膜線層(1)疊置，相鄰兩層鍍膜線層(1)分別互呈投影地正交(如圖2所示)或斜交，亦即上片各鍍膜線(平行並列)如呈某一走向，其下片必呈另一走向，使上、下投影地正交或斜交。

3.於相對兩端跨接電熱器(或加熱器，2)，並於上、下分別以模具(3，如成型模具)壓制，包括：上模(31)與下模(32)夾壓諸疊置之鍍膜線層(1)，尤如圖中之壓力(P)所夾壓、顯示者。

4.通以電流，加熱該鍍膜線層，電熱(超過金屬玻璃之〝玻璃轉化溫度〞Tg或熔點)使表層的合金膜層或金屬玻璃膜層(12)熔化，並傳熱給裡層的碳纖維芯材(11)，因碳纖維既導電又導熱，使整層中各膜層(12)與芯材(11)均勻受熱，而外層之合金膜層或金屬玻璃膜層(12)加熱熔化後，上、下擠壓內層之芯材(11)，而因上、下模具(31，32)之壓力(P)夾壓，遂使疊置之鍍膜線層變成一「疊置層」或「積層」，但上、下層間之界面(interface)或交界(boundary)已因外層合金或金屬玻璃膜層之熔化，而「你儂我儂」，不再呈現明顯的分離界面，此更深化了諸疊層之熔合，而強化其間之結合，但此時各芯材(11)仍被層層包覆於諸合金膜層(或金屬玻璃膜層)之核心(core)，不致外露，亦即碳纖芯材受到外面合金或金屬玻璃膜層之包圍或保護，統合複合材之協同效果或優點，例如：高硬度、耐刮擦、高強度、抗腐蝕、輕量化、富彈性、可撓性、可導電性、可導熱性、可加工性，結合了碳纖維與合金或金屬玻璃之雙重優異特性。

所製成之「疊層材」可為：板材、片材、塊材、鑄塊或其他複合材。亦可再予加工製成各種結構物、工件、建築材、大型構架等等工程或工業產品。

本發明主要以控制電流來加熱碳纖維芯材與合金膜層之熔接成型，具有以下諸優/特點：

1.由於碳纖維導熱導電性良好，受電流加熱反應速度快，溫度可超過攝氏1200度，於加熱表面合金膜層使其達到玻璃轉化溫度Tg，或是熔化溫度Tm，皆能迅速且均勻地熔接合金膜層。

2.電流可加以精準有效地控制。利用電流加熱可以精準地使特定層的碳纖維加熱，也可加熱單層或多層，甚至可加熱特定層數或是特定碳纖維絲，使成型製程的彈性極大化。

3.利用直流、交流、脈衝電流可以得到不同的加熱模式，使鍍有合金膜層的碳纖維在熔合時能獲得其所意欲之品質與良率。

4.電流加熱更容易瞬間升溫或降溫，可避免液態合金升溫熔合後因降溫速度太慢而產生結晶，致造成液態合金的性質弱化。

5.成型時模具不需預熱至Tg附近，故模具與成型精度容易維持，不因持續高溫操作而熱變形。

本發明電熱之方式如圖3所示者，該加熱器(2)係包括：兩對電極熱壓板(21，21)分別跨接各鍍膜線層之相對兩端，以及一電源供應器(22)電氣連接該兩對熱電極壓板(21，21)，以供電、加熱各該熱電極壓板(21)者。該電源供應器(22)可控制輸出電流之高、低者。各對熱電極壓板(21)猶可施加壓力(P)以夾壓各鍍膜線層之邊端。

如圖5所示者，則可令該模具(3)與電熱器(2)結合，亦即該電熱器之兩熱電極壓板(21，21)分別連接或貼合於各該上模(31)或下模(32)與所欲夾壓加熱之「疊層材」接觸者，由是通電後，電流進入各該熱電極壓板(21，21)隨即導電、加熱各芯材(11)外層之合金膜層(12)，予以整體加熱，藉上、下模具(31，32)之夾壓，遂熔接、壓合成本發明之「疊層材」產品者。

當然，各模具(31，32)亦可自接電源線，內裝電熱器，以加熱所夾壓之碳纖維芯材與合金膜層所形成之疊層者。圖2之H表示加熱。

本發明可於不違本發明之精神及範疇下作適當之修飾或改變。本發明猶包括以此方法製成之複合材產品。