一種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法，先把PAN基炭纖維炭布?環(huán)氧樹脂預(yù)浸料、瀝青基炭纖維氈體和熱塑性樹脂薄膜/薄板交疊放置，然后進(jìn)行熱壓成型，制得炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料。本發(fā)明所制備的復(fù)合材料主要采用低成本的瀝青基炭纖維氈體作為增強(qiáng)體，降低了復(fù)合材料的原料成本，預(yù)制體中瀝青基炭纖維呈隨機(jī)排布性，各向同性度較大，和熱塑性樹脂復(fù)合之后，改善了復(fù)合材料的斷裂韌性和可修復(fù)性。復(fù)合材料內(nèi)部中添加了一定量的PAN基炭纖維預(yù)浸料夾層，固化后復(fù)合材料整體的強(qiáng)度和剛度更好。
【專利說明】
一種炭纖維増強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于樹脂基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種汽車車身用的炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法。
技術(shù)背景
[0002]在全球節(jié)能和環(huán)保趨勢的推動下，汽車產(chǎn)業(yè)朝著綠色環(huán)保、輕量化、智能化的方向發(fā)展。使用輕質(zhì)高強(qiáng)炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑之一。目前炭纖維強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的主要問題有兩點(diǎn):一方面，PAN基炭纖維的生產(chǎn)成本和纖維預(yù)制體的編織成本較高，導(dǎo)致最終復(fù)合材料的成本居高不下，很難完全滿足汽車工業(yè)的需求。另一方面，復(fù)合材料的性能有待進(jìn)一步改善。炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料通常使用熱固性樹脂作為基體，其制備的熱固性樹脂基復(fù)合材料斷裂韌性差、損傷容限低，成型加工周期較長。而新興的熱塑性樹脂基復(fù)合材料雖然具有韌性較好、成型加工周期較短、可修復(fù)性好等特點(diǎn)，但材料的剛度和強(qiáng)度較差。因此同時(shí)改善復(fù)合材料的機(jī)械性能和使用性能對其在汽車上的應(yīng)用至為重要。
[0003]本發(fā)明旨在克服已有技術(shù)不足，目的是提供一種可用于汽車車身的炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制備方法，用該方法制備的復(fù)合材料不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且明顯改善了車身用復(fù)合材料的機(jī)械性能和使用性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料存在的成本高、機(jī)械性能和使用性能差的特點(diǎn)，選取高強(qiáng)度的PAN基炭纖維炭布和低成本的瀝青基炭纖維租體(或無紡布)共同作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，采用多層交疊放置熱壓工藝，通過調(diào)節(jié)預(yù)熱溫度、成型壓力和樹脂含量得到炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。
[0005]具體方法是:把PAN基炭纖維炭布-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料、瀝青基炭纖維氈體(或無紡布)和熱塑性樹脂薄膜或薄板按照交疊放置，通過熱壓成型，使樹脂基體在一定溫度下潤濕預(yù)制體，冷卻后制備成本較低、綜合性能好的炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料。
[0006]—種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟方法:
[0007]步驟I)纖維預(yù)制體的選擇:PAN基炭纖維預(yù)浸料通過PAN基炭纖維炭布預(yù)浸環(huán)氧樹脂得到，炭纖維呈規(guī)則排布，各向異性度較大;瀝青基炭纖維選取低成本的瀝青基炭纖維氈體(或無紡布)，炭纖維呈隨機(jī)分布，因此纖維預(yù)制體的各向異性度更小;炭纖維的體積填充率為25-60%，PAN基炭纖維和瀝青基炭纖維的含量比根據(jù)復(fù)合材料的性能要求合理設(shè)計(jì)。
[0008]步驟2)熱塑性樹脂的選擇:為了改善復(fù)合材料的可修復(fù)性和斷裂韌性，選取聚丙烯樹脂(PP)或ABS樹脂作為瀝青基炭纖維氈體(無紡布)的基體;為了改善復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度，在上述材料中復(fù)合預(yù)浸環(huán)氧樹脂的PAN基炭纖維炭布。
[0009]步驟3)熱壓成型過程:把PAN基炭纖維炭布-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料、瀝青基炭纖維氈體(或無紡布)和熱塑性樹脂薄膜/薄板按照一定次序進(jìn)行交疊放置，然后進(jìn)行熱壓成型，制得低成本、綜合性能好的炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料。
[0010]上述步驟I)中，炭纖維的體積填充率為12-60%，根據(jù)所需車身零部件的力學(xué)強(qiáng)度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0011]上述步驟I)中，瀝青基炭纖維預(yù)制體的形式包括但不限于炭纖維無紡布和炭纖維氈體，瀝青基炭纖維在X-Y平面或三維上呈隨機(jī)排布。
[0012]上述步驟I)中，瀝青基炭纖維和PAN基炭纖維的體積含量比為1: (0.25-2)，根據(jù)所需車身零部件的性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0013]上述步驟2)中，瀝青基炭纖維預(yù)制體的樹脂基體選取聚丙稀腈或ABS等熱塑性樹月旨；為了提高復(fù)合材料的成型效率，樹脂原料選取不同厚度的樹脂薄膜(或薄板)，厚度在0.lmm-2mm0
[0014]上述步驟2)中，PAN基炭纖維預(yù)浸料選取熱固性樹脂作為基體，包括但不限于環(huán)氧樹脂。
[00?5]上述步驟3)中，根據(jù)所需復(fù)合材料力學(xué)性能的改變?yōu)r青基炭纖維租體(或無紡布)的厚度。
[0016]上述步驟3)中，根據(jù)所需復(fù)合材料的力學(xué)性能和形狀尺寸設(shè)計(jì)合適的鋪層數(shù)目和鋪層形式。鋪層形式包括PAN基炭纖維炭布-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料、瀝青基炭纖維氈體(或無紡布)和熱塑性樹脂薄膜/薄板疊加時(shí)的不同次序。
[0017]上述步驟3)中，可以通過調(diào)節(jié)熱壓工藝參數(shù)，包括溫度、壓力和時(shí)間等工藝參數(shù)，來控制炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能、顯微結(jié)構(gòu)和尺寸大小。熱壓溫度為160-220°(:，壓力為0.1-4010^，時(shí)間為5-6011^11。
[0018]根據(jù)本發(fā)明方法所制備的復(fù)合材料采用低成本的瀝青基炭纖維氈體或無紡布作為增強(qiáng)體，降低了復(fù)合材料的原料成本，纖維隨機(jī)排布性更強(qiáng)，預(yù)制體的各向異性度更小；瀝青基炭纖維氈體或無紡布和熱塑性樹脂復(fù)合之后，改善了復(fù)合材料的斷裂韌性和可修復(fù)性，復(fù)合材料受力變形后，更容易進(jìn)行修補(bǔ)。所制備的復(fù)合材料中添加了 PAN基炭纖維預(yù)浸料夾層，固化后復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度更好。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比具有以下積極效果:
[0020]1、本具體實(shí)例采用低成本瀝青基炭纖維氈體或無紡布作為主要的預(yù)制體，各向同性度大，采用熱塑性樹脂增強(qiáng)后可修復(fù)性和韌性較好，復(fù)合材料的整體成本較低。
[0021]2、本具體實(shí)例制備的復(fù)合材料克服了單一炭纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂的強(qiáng)度和剛度較差的缺點(diǎn)，通過復(fù)合PAN基炭纖維炭布預(yù)浸料增強(qiáng)復(fù)合材料的剛度。
[0022]3、本具體實(shí)例采用的瀝青基炭纖維氈體PAN基炭纖維炭布-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料和聚丙烯樹脂薄膜多層交疊放置熱壓工藝相對簡單，重復(fù)性好，有利于其在汽車車身部件上的規(guī)?；a(chǎn)。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1交疊放置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步描述，并非對其保護(hù)范圍的限制。
[0025]本【具體實(shí)施方式】:所述的瀝青基炭纖維預(yù)制體中，瀝青基炭纖維通過噴紡工藝成纖，經(jīng)過預(yù)氧化和炭化后制得。實(shí)施例中不再贅述。
[0026]實(shí)施例1:參見圖1
[0027]—種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法。選取低成本的瀝青基炭纖維氈體作為復(fù)合材料的其中一種增強(qiáng)體，成本低廉;預(yù)制體中瀝青基炭纖維呈隨機(jī)分布，各向同性度更小;體積分?jǐn)?shù)為30%。選取PAN基炭纖維炭布-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料作為復(fù)合材料的另一種增強(qiáng)體，纖維的體積分?jǐn)?shù)為10%。選取厚度為0.5_的熱塑性聚丙烯薄膜作為瀝青基炭纖維氈體的樹脂基體。
[0028]把上述瀝青基炭纖維氈體(圖1中2處)、PAN基炭纖維炭布-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料(圖1中3處)、和聚丙烯樹脂薄膜(圖1中I處)按照1213121次序進(jìn)行交疊放置后熱壓，熱壓溫度為1800C，壓力為5MPa，時(shí)間為lOmin，制得密度為1.18g/cm_3炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料。經(jīng)超聲波探傷檢測無分層，層間剪切強(qiáng)度大于8MPa/(g.cm-3)，比抗彎強(qiáng)度大于150MPa/(g.cm-3)。復(fù)合材料的外層變形后，可在230°C時(shí)通過聚丙烯樹脂進(jìn)行表面修復(fù)，克服了一般PAN基炭纖維增強(qiáng)熱固性樹脂難修復(fù)的問題。
[0029]實(shí)施例2
[0030]—種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法。選取低成本的瀝青基炭纖維無紡布作為復(fù)合材料的其中一種增強(qiáng)體(預(yù)制體)；預(yù)制體中瀝青基炭纖維呈隨機(jī)分布，各向同性度更小;體積分?jǐn)?shù)為20%。選取PAN基炭纖維炭布-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料作為復(fù)合材料的另一種增強(qiáng)體(預(yù)制體)，纖維的體積分?jǐn)?shù)為15%。選取厚度為0.2mm的熱塑性聚丙烯(PP)薄膜作為瀝青基炭纖維氈體的樹脂基體。
[0031 ] 把上述瀝青基炭纖維無紡布(圖1中2處)、PAN基炭纖維炭布-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料(圖1中3處)、和聚丙烯樹脂薄膜(圖1中I處)按照12121213121212121次序進(jìn)行交疊放置后熱壓，熱壓溫度為200°C，壓力為lOMPa，時(shí)間為6min，制得密度為1.13g/cm-3的炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料。經(jīng)超聲波探傷檢測無分層，層間剪切強(qiáng)度大于7MPa/(g.cm-3)，比抗彎強(qiáng)度大于135MPa/(g.cm-3)。復(fù)合材料的外層變形后，可在230°C時(shí)通過聚丙烯樹脂進(jìn)行表面修復(fù)，克服了一般PAN基炭纖維增強(qiáng)熱固性樹脂難修復(fù)的問題。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)纖維預(yù)制體的選擇:同時(shí)使用PAN基炭纖維預(yù)浸料和瀝青基炭纖維氈體，或者PAN基炭纖維預(yù)浸料和瀝青基炭纖維無紡布作為復(fù)合材料的纖維預(yù)制體，其中PAN基炭纖維預(yù)浸料通過PAN基炭纖維炭布預(yù)浸環(huán)氧樹脂得到;瀝青基炭纖維租體和瀝青基炭纖維無紡布由瀝青基炭纖維構(gòu)成;PAN基炭纖維和瀝青基炭纖維租體，或者PAN基炭纖維預(yù)浸料和瀝青基炭纖維無紡布的總體積填充率為10-60% ；瀝青基炭纖維和PAN基炭纖維的體積含量比為1:(0.25-2)； 2)熱塑性樹脂的選擇:選取聚丙烯樹脂或ABS樹脂作為瀝青基炭纖維氈體的基體，PAN基炭纖維炭布預(yù)浸料選取環(huán)氧樹脂作為基體； 3)熱壓成型過程:把PAN基炭纖維炭布-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料、瀝青基炭纖維氈體和熱塑性樹脂薄膜或薄板交疊放置，然后進(jìn)行熱壓成型，制得炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料，所述的熱塑性樹脂薄膜或薄板的厚度為0.lmm-2mm，熱壓溫度為160-220°C，壓力為0.l-40MPa，時(shí)間為5_60mino2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟I)中，PAN基炭纖維和瀝青基炭纖維的總體積填充率為25-60%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟1)中，瀝青基炭纖維無紡布和瀝青基炭纖維氈體在X-Y平面或三維上呈隨機(jī)排布。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟2)中，瀝青基炭纖維預(yù)制體的樹脂基體選取聚丙烯腈或ABS熱塑性樹脂，樹脂原料選取不同厚度的樹脂薄膜或薄板，厚度為0.lmm-lmm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟2)中，PAN基炭纖維炭布預(yù)浸料通過PAN基炭纖維炭布預(yù)浸環(huán)氧樹脂制得。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟2)中，根據(jù)所需復(fù)合材料力學(xué)性能的改變?yōu)r青基炭纖維氈體或無紡布的厚度，瀝青基炭纖維租體的厚度為5mm-20mm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟3)中，所述的交疊放置是指:PAN基炭纖維炭布-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料、瀝青基炭纖維氈體或無紡布，熱塑性樹脂薄膜/薄板疊加時(shí)的不同次序，PAN基炭纖維炭布-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料位于復(fù)合材料的中間或者兩側(cè)，起到增強(qiáng)材料強(qiáng)度和剛度的作用。
【文檔編號】B32B37/10GK105965989SQ201610298600
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】李軒科, 黃東, 葉崇, 唐春紅
【申請人】湖南大學(xué)