CN104723631B - 一种碳纤维复合材料制品及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种碳纤维复合材料制品及制造方法，该碳纤维复合材料制品从上到下依次包括碳纤维布上层、热塑性树脂微发泡板层和碳纤维布下层，其中碳纤维布上、下层分别含有1‑2层碳纤维预浸布。本发明采用碳纤维布作为表面层，提高了复合材料的力学性能；其制备工艺简单，相对成本较低，容易工业化生产；可用于高端电子电器领域。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种碳纤维复合材料制品及制造方法。
背景技术
碳纤维质量轻，强度高、模量高、且耐高温、耐腐蚀以及抗疲劳性能等特点。其优异的力学性能使其作为塑料的增强材料被广泛使用。碳纤维复合材料如玻璃钢制品广泛应用于航空航天、交通运输、运动器材、建筑工程、消防等领域。
中国专利CN101532253介绍了碳纤维复合材料制品及其制造方法，该碳纤维复合材料制品包括层压在一起的多层碳纤维布，这种多层碳纤维布通过固化的热固性树脂而结合成一体，多层碳纤维布的纹路方向也是相互错开的。这种方法制备的碳纤维复合材料制品初坯的表面不容易出现小凹坑，因此无需补土和打磨过程，减少工序，降低成本。但是这种方法使用的是多层碳纤维布叠加，单层碳纤维布的厚度很薄，要达到笔记本或手机外壳的厚度需要N层这种碳纤维布（N＞6），碳纤维布的成本相对较高，这使得该复合材料制备的成品成本较高。
中国专利CN1241085C介绍了笔记本电脑铝镁合金外壳碳纤维的补强制法，将原先以铝镁合金借高温压铸成型的电脑外壳不良品，再进行下列过程：第一，将该电脑外壳不良品表面进行化学前置处理；第二，碳纤维（或玻璃纤维）浸润树脂，以构成碳纤维（或玻璃纤维）材料；第三，将该碳纤维（或玻璃纤维）材料表面上胶贴合于该电脑外壳不良品上；第四，将贴有碳纤维（或玻璃纤维）材料的该电脑外壳不良品进行加温、加压的硬化处理，形成铝镁合金补强有碳纤维结构的电脑外壳，提高电脑外壳的强度。该方法存在几个缺点：第一，工序较多，碳纤维和铝镁合金的粘结，中间需要另外加一层胶进行贴合，无疑增加了设备投入，提高了成本。第二，镁是一种高分子材料，在高温压铸过程中会流窜而产生针孔，针孔分布少的地方强度高一些，针孔密集的地方强度相对弱一些，导致材料会有强度不均的缺陷。第三，补强后的铝镁合金外壳的重量相对较重。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种高强轻质的碳纤维复合材料制品及制造方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种碳纤维复合材料制品，该碳纤维复合材料制品从上到下依次包括碳纤维布上层、热塑性树脂微发泡板层和碳纤维布下层，其中碳纤维布上、下层分别含有1-2层碳纤维预浸布。
所述的热塑性树脂微发泡板为聚丙烯微发泡板、聚乙烯微发泡板或聚氯乙烯微发泡板。
所述的热塑性树脂微发泡材料的密度为0.1g/cm3-0.8g/cm3，优选0.5g/cm3-0.8g/cm3，厚度为0.5-1.0mm。
所述的碳纤维预浸布为碳纤维浸渍环氧树脂得到的预浸布。
所述的碳纤维预浸布可以为碳纤维单向预浸布、碳纤维编织平纹预浸布或碳纤维编织斜纹预浸布；其中所述的编织斜纹预浸布可以为1K或者3K的斜纹预浸布。
所述的碳纤维单向预浸布的厚度为0.1-0.25mm，所述碳纤维编织平纹或碳纤维编织斜纹预浸布厚度均为0.2-0.35mm。
一种上述碳纤维复合材料制品的制备方法，该方法包括如下步骤：
（1）将热塑性树脂微发泡板和碳纤维预浸布裁剪成需要的尺寸，备用；
（2）将模具清理干净，并涂上脱模剂，便于脱模；
（3）将步骤（1）的热塑性树脂微发泡板和碳纤维预浸布叠合在一起；
（4）将步骤（3）中叠合的材料放入模具中，先将模具置于一定温度下保持一段时间后，加压并升高温度，保温保压一段时间；
（5）将上述步骤（4）中的模具取出放入冷却设备中，在一定压力下冷却一段时间，脱模取出复合材料制品，将其裁剪成需要的尺寸。
所述的步骤（2）中，所述的脱模剂为德国Mikon FK-03/02或德国Mikon F-57。
所述的步骤（3）中热塑性树脂微发泡板和碳纤维预浸布的叠合顺序为：以热塑性树脂微发泡板为最中间层，依次在其上下表面各贴合1-2层碳纤维预浸布，其中热塑性树脂微发泡板上下表面的碳纤维预浸布对称铺放，即热塑性树脂微发泡板上下表面的碳纤维预浸布铺放方式一样；
所述的步骤（4）中，先将模具置于80～90℃下保持40～60min，加压至30-60bar，并将温度升至100～120℃，保温保压时间为10～30min；
所述的步骤（5）中，冷却压力为30-60bar，冷却时间为10-30min。
本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
（1）本发明采用碳纤维布作为表面层，提高了复合材料的力学性能；
（2）碳纤维的克重小，密度低，且中间夹层为微发泡材料，密度小于0.8g/cm3，使得复合材料的整体密度小，达到减重的效果；
（3）中间层采用微发泡的热塑性树脂，增加复合材料刚性的同时降低了成本；
（4）中间层的热熔融温度不能太高，最好在碳纤维预浸布固化温度偏上一点，这样热塑性微发泡板与碳纤维预浸布便可以通过预浸带固化直接粘结在一起，而无需额外的涂胶工序，简化了工艺；
（5）本发明中所需的设备操作简单，相对成本较低，容易工业化生产；
（6）本发明可用于高端电子电器领域。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
以下实施例所采用的碳纤维预浸布的生产厂家为厦门复晟复合材料有限公司。
实施例1
（1）将PVC微发泡板和碳纤维编织平纹预浸布裁剪成需要的尺寸，备用；
（2）将模具清理干净，并涂上脱模剂德国Mikon F-57，便于脱模；
（3）将步骤（1）的PVC微发泡板和碳纤维编织平纹预浸布按照一定的顺序叠合在一起。以0.5mm厚的PVC微发泡板为最中间层，PVC微发泡板的密度为0.5g/cm3。依次在其上下表面各贴合1层碳纤维平纹编织预浸布，其中PVC微发泡板上下表面的碳纤维平纹编织预浸布对称铺放，即PVC微发泡板上下表面的碳纤维平纹编织预浸布的铺放方式一样；碳纤维平纹编织预浸布厚度均为0.35mm；
（4）将步骤（3）中贴合好的3层复合材料放入模具中，先将模具置于80℃下保持60min，加压至30bar，并将温度升至100℃下，保温保压30min；
（5）将上述步骤（4）中的模具取出放入冷却设备中冷却，在30bar的压力为下冷却20min，脱模取出复合材料制品，制品厚度为1.2mm，可将其裁剪成需要的尺寸。
实施例2
（1）将PP微发泡板和碳纤维单向预浸布裁剪成需要的尺寸，备用；
（2）将模具清理干净，并涂上脱模剂德国Mikon FK-03/02，便于脱模；
（3）将步骤（1）的PP微发泡板和碳纤维预浸布按照一定的顺序叠合在一起。以0.7mm厚的PP微发泡板为最中间层，PP微发泡板的密度为0.8g/cm3。依次在其上下表面各贴合2层碳纤维单向预浸布，其中上表面的2层碳纤维单向预浸布的铺层方式从上至下依次为0°/90°铺放，且PP微发泡板上下表面的碳纤维单向预浸布对称铺放，即PP微发泡板上下表面的碳纤维单向预浸布铺放方式一样；碳纤维单向预浸布厚度均为0.15mm；
（4）将步骤（3）中贴合好的5层复合材料放入模具中，先将模具置于85℃下保持50min，加压至45bar，并将温度升至100℃下，保温保压30min；
（5）将上述步骤（4）中的模具取出放入冷却设备中冷却，在45bar的压力下冷却25min，脱模取出复合材料制品，制品厚度为1.3mm，可将其裁剪成需要的尺寸。
实施例3
（1）将PVC微发泡板和碳纤维3k斜纹编织预浸布裁剪成需要的尺寸，备用；
（2）将模具清理干净，并涂上脱模剂德国Mikon F-57，便于脱模；
（3）将步骤（1）的PVC微发泡板和碳纤维3k斜纹编织预浸布按照一定的顺序叠合在一起。以0.6mm厚的PVC微发泡板为最中间层，PVC微发泡板的密度为0.6g/cm3。依次在其上下表面各贴合1层碳纤维3k斜纹编织预浸布，其中PVC微发泡板上下表面的碳纤维3k斜纹编织预浸布对称铺放，即PVC微发泡板上下表面的碳纤维3k斜纹编织预浸布层的铺放方式一样；碳纤维3k斜纹编织预浸布厚度均为0.2mm；
（4）将步骤（3）中贴合好的3层复合材料放入模具中，先将模具置于80℃下保持50min，加压至40bar，并将温度升至100℃下，保温保压20min；
（5）将上述步骤（4）中的模具取出放入冷却设备中冷却，在40bar的压力下冷却15min，脱模取出复合材料制品，制品厚度为1.0mm，可将其裁剪成需要的尺寸。
实施例4
（1）将PP微发泡板和碳纤维单向预浸布裁剪成需要的尺寸，备用；
（2）将模具清理干净，并涂上脱模剂，脱模剂为德国Mikon FK-03/02，便于脱模；
（3）将步骤（1）的PP微发泡板和碳纤维单向预浸布按照一定的顺序叠合在一起。的为厚度以1.0mm厚的PP微发泡板为最中间层，PP微发泡板的密度为0.7g/cm3。依次在其上下表面各贴合2层碳纤维单向预浸布，其中上表面的2层碳纤维单向预浸布的铺层方式从上至下依次为0°/90°铺放，PP微发泡板上下表面的碳纤维单向预浸布对称铺放，即PP微发泡板上下表面的碳纤维单向预浸布铺放方式一样；碳纤维单向预浸布厚度均为0.25mm；
（4）将步骤（3）中贴合好的5层复合材料放入模具中，先将模具置于90℃下保持60min，加压至60bar，并将温度升至120℃下，保温保压30min；
（5）将上述步骤（4）中的模具取出放入冷却设备中冷却，在60bar的压力下冷却30min，脱模取出复合材料制品，制品厚度为2.0mm，可将其裁剪成需要的尺寸。
实施例5
（1）将PP微发泡板和碳纤维单向预浸布裁剪成需要的尺寸，备用；
（2）将模具清理干净，并涂上脱模剂德国Mikon FK-03/02，便于脱模；
（3）将步骤（1）的PP微发泡板和碳纤维单向预浸布按照一定的顺序叠合在一起。以0.5mm厚的PP微发泡板为最中间层，PP微发泡板的密度为0.5g/cm3。依次在其上下表面各贴合2层碳纤维单向预浸布，其中上表面的2层碳纤维单向预浸布的铺层方式从上至下依次为0°/90°铺放，PP微发泡板上下表面的碳纤维单向预浸布对称铺放，即PP微发泡板上下表面的碳纤维单向预浸布铺放方式一样；碳纤维单向预浸布厚度均为0.1mm；
（4）将步骤（3）中贴合好的5层复合材料放入模具中，先将模具置于80℃下保持40min，加压至55bar，并将温度升至100℃下，保温保压10min；
（5）将上述步骤（4）中的模具取出放入冷却设备中冷却，在55bar的压力下冷却10min，脱模取出复合材料制品，制品厚度为0.9mm，可将其裁剪成需要的尺寸。
实施例6
（1）将PVC微发泡板和碳纤维平纹编织预浸布裁剪成需要的尺寸，备用；
（2）将模具清理干净，并涂上脱模剂，脱模剂为德国Mikon F-57，便于脱模；
（3）将步骤（1）的PVC微发泡板和碳纤维平纹编织预浸布按照一定的顺序叠合在一起。以1.0mm的PVC微发泡板为最中间层，PVC微发泡板的密度为0.8g/cm3。依次在其上下表面各贴合1层碳纤维平纹编织预浸布，其中PVC微发泡板上下表面的碳纤维平纹编织预浸布对称铺放，即PVC微发泡板上下表面的碳纤维平纹编织预浸布层的铺放方式一样；碳纤维平纹编织预浸布厚度均为0.35mm；
（4）将步骤（3）中贴合好的3层复合材料放入模具中，再将模具置于90℃下保持50min，加压至50bar，并将温度升至120℃下，保温保压20min；
（5）将上述步骤（4）中的模具取出放入冷却设备中冷却，在50bar的压力下冷却25min，脱模取出复合材料制品，制品厚度为1.7mm，可将其裁剪成需要的尺寸。
实施例7
（1）将PVC微发泡板和碳纤维1k斜纹编织预浸布裁剪成需要的尺寸，备用；
（2）将模具清理干净，并涂上脱模剂，脱模剂为德国Mikon F-57，便于脱模；
（3）将步骤（1）的PVC微发泡板和碳纤维编织1k斜纹编织预浸布按照一定的顺序叠合在一起。以0.8mm厚的PVC微发泡板为最中间层，PVC微发泡板的密度为0.6g/cm3。依次在其上下表面各贴合1层碳纤维1k斜纹编织预浸布，其中PVC微发泡板上下表面的碳纤维1k斜纹编织预浸布对称铺放，即PVC微发泡板上下表面的碳纤维1k斜纹编织预浸布层的铺放方式一样；碳纤维1k斜纹编织预浸布厚度均为0.3mm；
（4）将步骤（3）中贴合好的3层复合材料放入模具中，先将模具置于90℃下保持40min，加压至60bar，并将温度升至100℃下，保温保压10min；
（5）将上述步骤（4）中的模具取出放入冷却设备中冷却，在60bar的压力下冷却15min，脱模取出复合材料制品，制品厚度为1.0mm，可将其裁剪成需要的尺寸。
得到的性能如下表1所示。
表1
由上述表1可以看出，本发明制备的碳纤维复合材料制品具有优异的力学性能，强度高、抗冲击性好，可用于高端电子电器领域。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种碳纤维复合材料制品，其特征在于：该碳纤维复合材料制品从上到下依次由碳纤维布上层、热塑性树脂微发泡板和碳纤维布下层制成，其中碳纤维布上、下层分别含有1层碳纤维预浸布；
所述的碳纤维预浸布为碳纤维编织平纹预浸布或碳纤维编织斜纹预浸布；其中所述的碳纤维编织斜纹预浸布为1K或者3K的斜纹预浸布；所述的碳纤维预浸布为碳纤维浸渍环氧树脂得到的预浸布；
所述碳纤维编织平纹预浸布或碳纤维编织斜纹预浸布厚度均为0.2-0.35mm；
所述的碳纤维复合材料制品的制备方法由如下步骤组成：
(1)将热塑性树脂微发泡板和碳纤维预浸布裁剪成需要的尺寸，备用；
(2)将模具清理干净，涂上脱模剂；
(3)将步骤(1)的热塑性树脂微发泡板和碳纤维预浸布叠合；
(4)将步骤(3)中叠合的材料放入模具中，先将模具置于一定温度下保持一段时间后，加压并升高温度，保温保压一段时间；
(5)将上述步骤(4)中的模具取出放入冷却设备中，在一定压力下冷却一段时间，脱模取出复合材料制品，将其裁剪成需要的尺寸；
所述的步骤(4)中，先将模具置于80～90℃下保持40～60min，加压至30-60bar，并将温度升至100～120℃，保温保压时间为10～30min；
所述的步骤(5)中，冷却压力为30-60bar，冷却时间为10-30min；
所述的步骤(3)中热塑性树脂微发泡板和碳纤维预浸布的叠合顺序为：以热塑性树脂微发泡板为最中间层，依次在其上下表面各贴合1层碳纤维预浸布，其中热塑性树脂微发泡板上下表面的碳纤维预浸布对称铺放。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于：所述的热塑性树脂微发泡板为聚丙烯微发泡板、聚乙烯微发泡板或聚氯乙烯微发泡板。
3.根据权利要求1或2所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于：所述的热塑性树脂微发泡板的密度为0.1g/cm3-0.8g/cm3，厚度为0.5-1.0mm。
4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料制品，其特征在于：所述的热塑性树脂微发泡板的密度为0.5g/cm3-0.8g/cm3。
5.一种权利要求1-4任一项所述的碳纤维复合材料制品的制备方法，其特征在于：该方法由如下步骤组成：
(1)将热塑性树脂微发泡板和碳纤维预浸布裁剪成需要的尺寸，备用；
(2)将模具清理干净，涂上脱模剂；
(3)将步骤(1)的热塑性树脂微发泡板和碳纤维预浸布叠合；
(4)将步骤(3)中叠合的材料放入模具中，先将模具置于一定温度下保持一段时间后，加压并升高温度，保温保压一段时间；
(5)将上述步骤(4)中的模具取出放入冷却设备中，在一定压力下冷却一段时间，脱模取出复合材料制品，将其裁剪成需要的尺寸；
所述的步骤(4)中，先将模具置于80～90℃下保持40～60min，加压至30-60bar，并将温度升至100～120℃，保温保压时间为10～30min；
所述的步骤(5)中，冷却压力为30-60bar，冷却时间为10-30min；
所述的步骤(3)中热塑性树脂微发泡板和碳纤维预浸布的叠合顺序为：以热塑性树脂微发泡板为最中间层，依次在其上下表面各贴合1层碳纤维预浸布，其中热塑性树脂微发泡板上下表面的碳纤维预浸布对称铺放。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，所述的脱模剂为德国Mikon FK-03/02或德国Mikon F-57。
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