高性能碳纖維納米復(fù)合材料及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高性能碳纖維納米復(fù)合材料及其應(yīng)用，其用獨(dú)特的展纖、整經(jīng)工藝在軸向立體織機(jī)上制造織物和立體復(fù)合材料，顯著提高復(fù)合材料厚度方向的力學(xué)性能，由于他們的結(jié)構(gòu)的整體性，在厚度方向的拉力和厚度方向垂直的剪切力作用下，有很好的機(jī)械彈度，解決了產(chǎn)生裂縫等問題，為碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。
【專利說明】高性能碳纖維納米復(fù)合材料及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高性能碳纖維納米復(fù)合材料及其應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 人類發(fā)展的歷史證明，材料是人類生存和發(fā)展、征服自然的物質(zhì)基礎(chǔ)。也是人類社 會(huì)現(xiàn)代文明的重要支柱。人類經(jīng)歷了以石器、青銅器、鐵器時(shí)代為代表的石器時(shí)代、青銅器 時(shí)代、鐵器時(shí)代之后，已經(jīng)跨進(jìn)以新材料為代表的網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代。每一種重要的新材料的發(fā) 現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高一個(gè)新的水平。材料科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破， 都會(huì)引起生產(chǎn)技術(shù)的革命，大大加速社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程，并給社會(huì)生產(chǎn)和人的生活帶來巨大 的變化。
[0003] 材料一般可分為無機(jī)材料(包括水泥、磚瓦、陶瓷、玻璃等)、金屬材料、高分子材料 (包括纖維、橡膠、塑料等）及復(fù)合材料四大類。復(fù)合材料是有有機(jī)高分級(jí)、無機(jī)非金屬或金 屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝而成的新型材料，它既能保留原組成材料的重要特點(diǎn)，又 能通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能。還可以通過材料改進(jìn)使得各組分的性能互相 補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能。
[0004] 復(fù)合材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展而涌現(xiàn)出的具有強(qiáng)大生命力的材料，它是由兩種或 者兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料用物理和化學(xué)的方法經(jīng)人工復(fù)合形成的新材料，一般由 基體組元與增強(qiáng)體或功能組元所組成。復(fù)合材料可經(jīng)改進(jìn)，即通過對(duì)原材料的選擇，各組分 分布設(shè)計(jì)和工藝條件的保證等，使原組分材料有點(diǎn)互補(bǔ)，從而顯現(xiàn)了出色的綜合性。
[0005] 復(fù)合材料可按用途不同，分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類。未來將出現(xiàn) 結(jié)構(gòu)復(fù)合與功能復(fù)合材料并重的局面，而且功能復(fù)合材料更具有與其它功能材料競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu) 勢(shì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種高性能碳纖維納米復(fù)合材料及其 應(yīng)用，該材料具有高模量、高強(qiáng)度的特點(diǎn)。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 將納米增強(qiáng)材料加入到含粘合劑（adhesive)或纖維上楽料（fiber sizing,纖維浸 潤(rùn)劑）或其組合的液體溶液中，然后傾倒到被制得的纖維(碳纖維）上，包含納米增強(qiáng)材料的 碳纖維絲束可以進(jìn)行加工，以便用熱固性樹脂浸漬，從而形成復(fù)合結(jié)構(gòu)材料；
[0009] 上漿料（sizing)是中性整理劑，本發(fā)明選用環(huán)氧樹脂(其在壓合板材時(shí)使用到)， 其在進(jìn)一步加工過程中保護(hù)纖維并用作復(fù)合材料樹脂體系的界面；
[0010] 上漿材料（上漿料）：碳纖維易碎，因此，本發(fā)明在其進(jìn)行處理時(shí)加入一些保護(hù)或 潤(rùn)滑劑，其不在加工設(shè)備上形成任何殘留；
[0011] 考慮相容性，本發(fā)明使用環(huán)氧制劑（epoxy formulation)與環(huán)氧樹脂一起使用，優(yōu) 選漿料在上漿纖維的處理過程中化學(xué)或物理性質(zhì)不改變；
[0012] 將納米增強(qiáng)材料混合到液體中，所述液體在溶劑中包含粘合劑、上漿料或其組合 的溶液，可以將納米增強(qiáng)材料以無規(guī)取向或有序取向來施用，當(dāng)將納米增強(qiáng)材料以有序方 式施用時(shí)，可以用多種方式來實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明用移動(dòng)絲束法（moving tow),碳纖維絲束經(jīng)過噴 嘴，用有槽的進(jìn)料器和壓板來梳理；
[0013] 將絲束卷軸展開，成為展開絲束，將納米增強(qiáng)材料進(jìn)料器置于絲束展開器的上方， 以將納米增強(qiáng)材料俱應(yīng)到展開絲束上，在將納米增強(qiáng)材料施用至展開絲束上之后，使已涂 覆的纖維通過加熱器，該加熱器可以是紅外加熱器、烤箱式加熱輥，然后可以使已涂覆并加 熱的纖維通過一組壓輥，并使用小孔裝置將其重新變?yōu)榻z束，然后可以將合并后的絲束重 新繞在卷軸上；
[0014] 本發(fā)明將制成的納米增強(qiáng)纖維絲束模塑為高強(qiáng)度復(fù)合材料以用于結(jié)構(gòu)用途。
[0015] 如本文所述，環(huán)氧樹脂，一般是指至少含有兩個(gè)環(huán)氧基的高分子化合物，環(huán)氧樹脂 熱固性樹脂，它可與固化劑進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)生成不同性能的固化物，并以各種商品形式(如增 強(qiáng)塑料、涂料、模壓材料、膠接材料、密封劑等）供應(yīng)市場(chǎng)。環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中具有極的脂 肪族羥基、醚鍵以及極為活波的環(huán)氧基，因此對(duì)極性材料具有高效的粘接力，并且還具有良 好的耐化學(xué)藥品性、電絕緣性及收縮率刁等優(yōu)點(diǎn)。因此，在合成膠黏劑的基料中，無論是在 性能和品種方面，還是產(chǎn)量和用途方面，環(huán)氧樹脂都占有舉足輕重的地位。
[0016] 環(huán)氧樹脂的優(yōu)點(diǎn)：環(huán)氧樹脂大分子末端為環(huán)氧基，鏈中間有羥基和醚鍵，并在固化 過程中還會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生羥基和醚鍵，結(jié)構(gòu)中含苯環(huán)或雜環(huán)，這些結(jié)構(gòu)決定T環(huán)氧樹脂具有如 下一些優(yōu)點(diǎn)。四粘結(jié)力大，膠黏強(qiáng)脂子能與相鄰界面產(chǎn)生引力。環(huán)氧基能與介質(zhì)衷面的游離 鍵起反應(yīng)，成化學(xué)鍵，所以環(huán)氧樹脂的毅合力特別強(qiáng)。環(huán)氧樹脂固化后內(nèi)聚力大。同時(shí)環(huán)氧 基在一定條件下還能與金屈表面形成化學(xué)鍵結(jié)合，因衷現(xiàn)出很高的膠黏強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度可 達(dá)65MPa，剝離強(qiáng)度為5KN/m，它對(duì)大部分材料，如木材、金屬、玻璃、塑料、橡膠、皮革、陶瓷、 纖維等都有良好的黏合性能。
[0017] 本發(fā)明涉及公開軸向經(jīng)編立體織物及其制造方法。
[0018] 本發(fā)明涉及使用納米增強(qiáng)材料對(duì)用于復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維并特殊的軸向經(jīng)編立 體織物制成復(fù)合材料。顯著提高復(fù)合材料厚度方向的力學(xué)性能，由于它們的結(jié)構(gòu)的整體性， 在厚度方向的拉力和厚度方向垂直的剪切力作用下，有很好的機(jī)械彈度，解決了產(chǎn)生裂縫 等問題，為碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。
[0019] 軸向經(jīng)編織物是由緯紗襯入系統(tǒng)的經(jīng)編機(jī)生產(chǎn)的一類獨(dú)特的編織物，這類織物 一個(gè)主要特點(diǎn)是：在織物的縱向和橫向以及斜向可以襯入紗線，并且這些紗線能夠按照 使用要求平行伸直地襯在需要的方向上，因此這類織物成為取向結(jié)構(gòu)（dinectionnally orientated structure,簡(jiǎn)稱D. 0. S)。縱向的襯入紗線稱為襯經(jīng)紗，橫向襯入紗線稱為襯 緯紗，與襯經(jīng)成一定角度的襯入紗線稱為斜向襯紗，這些襯紗的使用，改善了織物的結(jié)構(gòu)性 能，擴(kuò)大了織物原料的使用范圍。
[0020] 本發(fā)明制成獨(dú)特的軸線織物（multiaxial warp knitting,簡(jiǎn)稱MWK)。通過選擇適 當(dāng)?shù)臋C(jī)號(hào)和設(shè)計(jì)一定的組織和穿紗規(guī)律，可以形成致密結(jié)構(gòu)，本發(fā)明涉及用格柵結(jié)構(gòu)的織 物。這種取向結(jié)構(gòu)還可以同時(shí)與非織造膠片和纖維網(wǎng)等織在一起，形成復(fù)合經(jīng)編復(fù)合立體 織物。
[0021] 本發(fā)明的織造方法：
[0022] 設(shè)備：邁科斯簇尼克多軸向經(jīng)編機(jī)；
[0023] 機(jī)號(hào)：E5 ;E6 ;
[0024] 工作幅寬：170英寸；
[0025] 梳櫛/成圈機(jī)件；
[0026] 復(fù)合針針床、針芯床、脫圈沉降片床、擋布針針床、工把地梳(成圈)，擋板針/襯經(jīng) 梳。
[0027] 經(jīng)軸支架
[0028] 2個(gè)經(jīng)軸位置，最大可用邊盤直徑為813mm的分段經(jīng)軸；
[0029] KAMCOS (卡爾邁耶控制系統(tǒng)）
[0030] 觸摸屏/操作界面，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于控制主電機(jī)、紗線喂入裝置和織物牽拉，并 且連續(xù)到模塊化功能單元，鋪緯系統(tǒng)（SES)，緯紗傳送鏈條（STK)，其它原料的喂入單元，實(shí) 現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)工作的以太網(wǎng)接口，車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0031] 送經(jīng)裝置
[0032] 每個(gè)經(jīng)軸位置配備一套電子送經(jīng)裝置；
[0033] 襯經(jīng)紗喂入裝置
[0034] 2根傳送羅拉；
[0035] 花型驅(qū)動(dòng)裝置
[0036] 采用花盤的N型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
[0037] 鋪緯系統(tǒng)
[0038] 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)：2層45°，緯紗層之間可進(jìn)行平行或者交叉鋪緯，一個(gè)緯紗層位于90° 位置，最多可鋪設(shè)4層緯紗。
[0039] 織物牽拉裝置
[0040] 電子控制，3羅拉牽拉裝置。
[0041] 電子設(shè)備
[0042] 調(diào)速主電機(jī)、斷電保護(hù)、慢速傳動(dòng)功能可進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，及其總連接負(fù)載為35千 伏安。
[0043] 卷取裝置
[0044] 標(biāo)準(zhǔn)：氣動(dòng)壓力羅拉的卷取裝置，最大卷取直徑1200mm，轉(zhuǎn)矩和/或同步控制，最 大卷取重量4噸，其它卷取裝置可根據(jù)植物結(jié)構(gòu)和特殊要求配置。
[0045] 供油：通過地泵和過濾器實(shí)現(xiàn)循環(huán)。
[0046] 本發(fā)明工藝流程：
[0047] 原紗一展纖一整經(jīng)一織造一整理
[0048] 原紗：前體制成的納米增強(qiáng)復(fù)合碳纖維，簡(jiǎn)稱"前纖"；
[0049] 展纖：前纖的繞卷方式制成統(tǒng)一的符合織造工藝要求的筒紗；
[0050] 整經(jīng)：按編織工藝所需要的根數(shù)和長(zhǎng)度，將筒子紗線以均勻的張力平行卷繞在經(jīng) 軸上，供軸向編織使用，屬經(jīng)編生產(chǎn)的準(zhǔn)備工序，與經(jīng)編產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)；
[0051] 織造的任務(wù)是經(jīng)經(jīng)過準(zhǔn)備工序加工處理的經(jīng)紗通過經(jīng)編機(jī)根據(jù)織物規(guī)格要求，按 照一定的工藝設(shè)計(jì)編織成織物，織造工序的產(chǎn)量、質(zhì)量和小號(hào)直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
[0052] 整理：對(duì)于軸向立體織物而言，后整理可提高實(shí)用性和性能指標(biāo)，利潤(rùn)和高附加 值往往通過后整理來實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)際上功能性材料日益發(fā)展，功能性后整理技術(shù)正越來越 多地應(yīng)用到織物整理中。
[0053] 發(fā)明實(shí)施：
[0054] 1、成品縱密度是21cpc ;
[0055] 2、橫密是：15即。；
[0056] 3、坯布門幅規(guī)格153cm ;
[0057] 4、及其轉(zhuǎn)速是 1600r/min;
[0058] 5、工作效率是：95%;
[0059] 6、CBI和CB2使用原料規(guī)格均為83. 3dtex36f碳纖維；
[0060] 7、計(jì)算兩把梳櫛的送經(jīng)量、向密度及整經(jīng)工藝。
[0061] 7. 1送經(jīng)量：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該織物上機(jī)牽拉密度為20cpc，根據(jù)計(jì)算公式：
[0062] GBl 的送經(jīng)量：Rl= (I. 43d+2s+2T) X48=1696mm/rack
[0063] GB2 的送經(jīng)量：R2= (I. 43d+2s+T) X480=1259mm/rack
[0064] 7. 2織物向密度

【權(quán)利要求】
1. 高性能碳纖維納米復(fù)合材料，其特征在于，該復(fù)合材料通過如下方法制得： 將納米增強(qiáng)材料混合到液體中，所述液體在溶劑中包含粘合劑、上漿料或其組合的溶 液； 將碳纖維絲束卷軸展開，成為展開絲束，將納米增強(qiáng)材料進(jìn)料器置于絲束展開器的上 方，以將包含納米增強(qiáng)材料的液體俱應(yīng)到展開絲束上，在將納米增強(qiáng)材料施用至展開絲束 上之后，使已涂覆的碳纖維通過加熱器，然后使已涂覆并加熱的碳纖維通過一組壓輥，并使 用小孔裝置將其重新變?yōu)榻z束，然后將合并后的絲束重新繞在卷軸上； 將制成的納米增強(qiáng)纖維絲束模塑為高強(qiáng)度復(fù)合材料以用于結(jié)構(gòu)用途。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高模量碳纖維納米復(fù)合材料，其特征在于，所述纖維上漿料 米用環(huán)氧樹脂。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高模量碳纖維納米復(fù)合材料，其特征在于，加熱器為紅外加 熱器或烤箱式加熱輥。
【文檔編號(hào)】D06M101/40GK104342934SQ201310340593
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月6日
【發(fā)明者】楊軍 申請(qǐng)人:楊軍