本發(fā)明涉及具有高電導(dǎo)率的碳纖維復(fù)合材料和用于制備其的方法。具體地,碳纖維復(fù)合材料可以包含碳纖維和導(dǎo)電的鍍金屬碳纖維。由此,通過應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)材料,當(dāng)閃電出現(xiàn)時(shí),碳纖維復(fù)合材料由于它的高電導(dǎo)率可以減少風(fēng)險(xiǎn),并且通過使用還可以實(shí)現(xiàn)碳纖維重量減少。
背景技術(shù):
用于車輛的頂蓬需要金屬水平的電導(dǎo)率以便保護(hù)乘客和車輛,例如免于閃電天氣條件。然而,當(dāng)電導(dǎo)率不足時(shí),閃電電流可以不離開車殼,并且部分車身通過由電阻值引起的發(fā)熱而燒毀或毀壞。為了防止此類損壞,在相關(guān)技術(shù)中,已經(jīng)報(bào)道了如下方法,例如1)添加金屬網(wǎng)層的方法,2)覆蓋金屬薄板的方法,3)用金屬纖維、諸如復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維纏繞并編織的方法,4)通過將導(dǎo)電填料添加到復(fù)合樹脂中等形成導(dǎo)電路徑的方法。
例如,在上面的方法1)中,金屬網(wǎng)可以具有優(yōu)異的效果,但是在通過插入異種材料的模塑之后可能具有增加殘余內(nèi)應(yīng)力和潛在腐蝕(鋁網(wǎng))的問題。對于方法2),鋁薄板可能降低美觀和潛在腐蝕,并且對于方法3),存在纏繞有金屬纖維的纖維難于編織、厚度不均勻和損壞編織圖案的美觀的問題。另外,在上面的方法4)中,當(dāng)將導(dǎo)電纖維添加到復(fù)合樹脂中時(shí),金屬填料可以具有的問題是重量增加、增強(qiáng)墊的樹脂浸漬困難,并且當(dāng)添加CNT(SWNT、MWNT、VGCNF)時(shí),與電導(dǎo)率的提高相比價(jià)格顯著增加。
另一方面,因?yàn)榛剂虾慕吆铜h(huán)境問題已成為重要問題,所以需要車輛重量的減少。因此,當(dāng)復(fù)合材料含有近來作為減少重量的材料受到關(guān)注的碳纖維時(shí),交通工具可能暴露于危險(xiǎn),特別是在閃電條件下,因?yàn)樵搹?fù)合材料的電導(dǎo)率為常規(guī)鋼材料的1000分之一或更小。
在某些實(shí)例中,日本專利公開公布號2002-256153公開了包含具有1μm至50μm的平均單絲直徑的導(dǎo)電纖維和樹脂的輕質(zhì)導(dǎo)電模制體。然而,該模制體具有的缺點(diǎn)在于,模塑條件的設(shè)置可能難于表達(dá)最佳性能,并且可再現(xiàn)性可能是困難的,因?yàn)閮煞N樹脂被用于形成導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電路徑。
另外,韓國專利公開第1286970號公開了用于屏蔽電磁干擾的聚丙烯樹脂組合物,該組合物包含聚丙烯樹脂、含有涂覆有金屬的玻璃纖維的纖維填料和熱塑性彈性體。然而,該組合物具有的缺點(diǎn)在于,它的機(jī)械性能太差不能用作車殼部件,諸如頂蓬。
另外,美國專利公開公布第2003-0092824號公開了包含聚苯醚共聚物、聚酰胺和導(dǎo)電填料的導(dǎo)電熱塑性組合物。然而,該組合物的缺點(diǎn)在于具有低于導(dǎo)電填料數(shù)千倍的電導(dǎo)率,該電導(dǎo)率防止了通過閃電的發(fā)熱。
因此,新型材料的開發(fā),其滿足了用于保護(hù)在閃電環(huán)境下暴露的風(fēng)險(xiǎn)的金屬水平的電導(dǎo)率,并且同時(shí),需要體現(xiàn)輕質(zhì)。
在背景部分公開的上述信息只用于加強(qiáng)對本發(fā)明背景的理解,因此它可能包含不構(gòu)成本國本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明已經(jīng)致力于解決與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)聯(lián)的上述問題。
在優(yōu)選的方面,本發(fā)明提供了包含碳纖維和鍍導(dǎo)電金屬碳纖維的碳纖維增強(qiáng)材料。碳纖維增強(qiáng)材料可以增加電導(dǎo)率、減少當(dāng)閃電出現(xiàn)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn),并且實(shí)現(xiàn)重量減少。另外,碳纖維復(fù)合材料可以具有高電導(dǎo)率。
如本文所用,“鍍導(dǎo)電金屬碳纖維”是指被進(jìn)一步改性或處理以包含金屬或金屬化合物的碳纖維。例如,金屬組分可以在碳纖維表面上涂覆或鍍覆,例如通過化學(xué)鍍覆工藝,使得碳纖維的表面可以被部分或完全涂覆或鍍覆。金屬組分可以適當(dāng)?shù)匕ㄈ魏螇A金屬、堿土金屬、過渡金屬、鑭系元素等,而沒有特定限制。在本發(fā)明中的示例性金屬組分包括(Cu)、鋅(Zn)、銀(Ag)、金(Au)、鉑(Pt)、銻(Sb)、錳(Mn)、鎳(Ni)、釩(V)、銦(In)、錫(Sn)等。
而且,本發(fā)明提供了用于制備碳纖維復(fù)合材料以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)的方法。
進(jìn)一步提供的是包含碳纖維復(fù)合材料的模制體。
進(jìn)一步還提供的是包括含有碳纖維復(fù)合材料的模制體的車輛。
在一個(gè)方面,本發(fā)明提供了具有高電導(dǎo)率的碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料可以包括含有碳纖維和鍍導(dǎo)電金屬碳纖維的碳纖維增強(qiáng)材料和浸漬在碳纖維增強(qiáng)材料上的基體樹脂。
碳纖維的平均纖維長度可以為約1mm至70mm。
鍍導(dǎo)電金屬碳纖維的金屬可以是選自由銅(Cu)、鋅(Zn)、銀(Ag)、金(Au)、鉑(Pt)、銻(Sb)、錳(Mn)、鎳(Ni)、釩(V)、銦(In)和錫(Sn)中的至少一種。
導(dǎo)電金屬的平均厚度可為約0.1μm至0.5μm。
碳纖維增強(qiáng)材料可以是三維無紡織物的形式。
基體樹脂可以是選自環(huán)氧樹脂、聚氨酯、乙烯基酯樹脂、不飽和聚酯和聚氨酯丙烯酸酯中的至少一種熱固性樹脂?;蛘吡磉x地,基體可以是由尼龍、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或它們的混合物組成的熱塑性樹脂。
碳纖維復(fù)合材料還可以包含約10體積%至30體積%的量的碳纖維、10體積%至50體積%的量的鍍導(dǎo)電金屬碳纖維和40體積%至60體積%的量的基體樹脂,所有體積%均基于碳纖維復(fù)合材料的總體積。
在另一個(gè)方面,本發(fā)明提供了用于制備具有高電導(dǎo)率的碳纖維復(fù)合材料的方法。該方法可以包括以下步驟:通過包括將碳纖維和鍍導(dǎo)電金屬碳纖維混合的步驟制備碳纖維增強(qiáng)材料;以及通過包括將基體樹脂浸漬在碳纖維增強(qiáng)材料上然后將其模塑的步驟制備碳纖維復(fù)合材料。
碳纖維復(fù)合材料可以包含約10體積%至30體積%的量的碳纖維、約10體積%至50體積%的量的鍍導(dǎo)電金屬碳纖維和約40體積%至60體積%的量的基體樹脂,所有體積%均基于碳纖維復(fù)合材料的總體積。
模塑可以通過濕壓成型或片材成型復(fù)合(Sheet Molding Compound)(SMC)工藝進(jìn)行。
在又一個(gè)方面,本發(fā)明提供了包含碳纖維復(fù)合材料的模制體。示例性模制體可以包括用于車輛的輕之質(zhì)頂蓬。
進(jìn)一步提供的是包括含有碳纖維復(fù)合材料的模制體的車輛。
以下討論了本發(fā)明的其它方面和優(yōu)選的實(shí)施方式。
附圖說明
現(xiàn)在將參考附圖中所示的某些示例性實(shí)施方式詳細(xì)描述本發(fā)明的以上和其他的特征,其僅以示例的方式提供,因此不限制本發(fā)明,其中:
圖1示出示例性碳纖維復(fù)合材料,其包含(a)示例性碳纖維、(b)示例性鍍導(dǎo)電金屬碳纖維和(c)根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的示例性碳纖維復(fù)合材料。
應(yīng)該理解,附圖不一定是按照尺寸比例繪制的,只是說明本發(fā)明的基本原理的各種優(yōu)選特征的簡化表示。如本文所公開的本發(fā)明的具體設(shè)計(jì)特征,其包括,例如具體尺寸、取向、位置和形狀,部分由具體的既定應(yīng)用和使用環(huán)境所確定。
在圖中,貫穿附圖的若干圖,附圖標(biāo)號是指本發(fā)明的相同或等價(jià)部分。
具體實(shí)施方式
本文所用術(shù)語只是為了說明具體的示例性實(shí)施方式而不旨在限制性本發(fā)明。除非上下文明確指出,否則如本文所用,單數(shù)形式的“一”、“一個(gè)”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解,當(dāng)術(shù)語“包含”、“包括的”用于本說明書中時(shí),其指定所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件存在,但并不排除一種或多種其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其組群的存在或加入。如本文所使用,術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)聯(lián)的列出術(shù)語的任何或全部組合。
除非特別規(guī)定或從上下文中顯而易見,否則術(shù)語“大約”理解為在本領(lǐng)域中的正常公差范圍內(nèi),例如,在平均值的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)?!按蠹s”可理解為在規(guī)定值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%以內(nèi)。除非上下文中另外清楚表明,否則在此提供的所有數(shù)值均由術(shù)語“約”修飾。
應(yīng)當(dāng)理解,如本文使用的,術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其他類似的術(shù)語通常包括機(jī)動車輛,諸如包括運(yùn)動型多功能車(SUV)、公共汽車、貨車、各種商用車的客車,包括各種小船和輪船的船只,飛機(jī)等等,并且包括混合動力車輛、電動車輛、插電式混合動力車輛、氫動力車輛和其他替代燃料車輛(例如,源自除石油之外的資源的燃料)。如本文所提到的,混合動力車輛是具有兩種或多種動力源的車輛,例如汽油動力和電動力的車輛。
在下文中,現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的各種實(shí)施方式,它的實(shí)例在附圖中示出并且在下面描述。雖然本發(fā)明將結(jié)合各種示例性實(shí)施方式描述,但是將理解本說明書不旨在將本發(fā)明限制于那些示例性實(shí)施方式。相反,本發(fā)明旨在不僅覆蓋示例性實(shí)施方式,而且還覆蓋可以包括在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種替換方式、修改方式、等效方式和其他實(shí)施方式。
本發(fā)明提供了具有高電導(dǎo)率的碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料可以包括含有碳纖維和鍍導(dǎo)電金屬碳纖維的碳纖維增強(qiáng)材料和可以浸漬在碳纖維增強(qiáng)材料上的基體樹脂。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式,圖1示出(a)示例性碳纖維、(b)示例性鍍導(dǎo)電金屬碳纖維和(c)根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式的示例性碳纖維復(fù)合材料。圖1示出(c)碳纖維復(fù)合材料可以通過將(a)碳纖維和(b)導(dǎo)電的鍍金屬碳纖維混合、制備三維無紡織物形式的碳纖維增強(qiáng)材料,然后將基體樹脂浸漬在其上來制備。
優(yōu)選地,碳纖維的平均纖維長度為可為約1mm至70mm。具體地,當(dāng)纖維長度小于1mm時(shí),增強(qiáng)效果可顯著降低,當(dāng)長度大于70mm時(shí),因?yàn)槔w維發(fā)生纏結(jié),所以可加工性可降低。
鍍導(dǎo)電金屬碳纖維的金屬可以是選自由銅(Cu)、鋅(Zn)、銀(Ag)、金(Au)、鉑(Pt)、銻(Sb)、錳(Mn)、鎳(Ni)、釩(V)、銦(In)和錫(Sn)中的至少一種。上述金屬的電導(dǎo)率可以優(yōu)選與鋼一樣高或更高。因此,當(dāng)閃電出現(xiàn)時(shí)閃電電流可以離開車殼,從而增加穩(wěn)定性。
導(dǎo)電金屬的平均厚度約可為約0.1μm至0.5μm。當(dāng)厚度小于約0.1μm時(shí),成型部件可能不具有足夠的電導(dǎo)率以防止閃電,并且當(dāng)閃 電出現(xiàn)時(shí)由于增加的電阻可能存在發(fā)熱的危險(xiǎn)。當(dāng)厚度大于約0.5μm時(shí),因?yàn)橹亓吭黾?,所以加工和重量減少可能不充分,并且通過由線性膨脹系數(shù)的不同引起的外部溫度改變可以產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。
碳纖維增強(qiáng)材料可以是三維無紡織物的形式。
基體樹脂可以是可以選自環(huán)氧樹脂、聚氨酯、乙烯基酯樹脂、不飽和聚酯和聚氨酯丙烯酸酯中的至少一種熱固性樹脂。另外,基體樹脂可以是包括尼龍、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或它們的混合物的熱塑性樹脂。
碳纖維復(fù)合材料可以包含約10體積%至30體積%的量的碳纖維、約10體積%至50體積%的量的鍍導(dǎo)電金屬碳纖維和約40體積%至60體積%的量的基體樹脂,所有體積%均基于碳纖維復(fù)合材料的總體積。
具體地,在鍍導(dǎo)電金屬碳纖維中,金屬表面一般可以通過化學(xué)鍍覆工藝形成,并且導(dǎo)電金屬可以通過連續(xù)穿過含陽極的鍍槽鍍覆在碳纖維的表面上,因?yàn)樘祭w維具有導(dǎo)體性質(zhì)。
當(dāng)鍍導(dǎo)電金屬碳纖維含量低于約10體積%時(shí),因?yàn)閷?dǎo)電路徑?jīng)]有形成,所以電導(dǎo)率可能下降,當(dāng)含量高于約50體積%時(shí),因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料的重量增加,所以重量減少可能不充分。具體地,含量可以為20體積%至35體積%。
用于制備本發(fā)明的具有高電導(dǎo)率的碳纖維復(fù)合材料的方法可以包括以下步驟:通過包括將碳纖維和鍍導(dǎo)電金屬碳纖維混合的步驟從而制備碳纖維增強(qiáng)材料;以及通過包括將基體樹脂浸漬在碳纖維增強(qiáng)材料上然后將其模塑的步驟制備碳纖維復(fù)合材料。
碳纖維復(fù)合材料可以包含約10體積%至30體積%的量的碳纖維、約10體積%至50體積%的量的導(dǎo)電的鍍金屬碳纖維和約40體積%至60體積%的量的基體樹脂,所有體積%均基于碳纖維復(fù)合材料的總體積。
模塑可以通過濕法壓緊成型工藝進(jìn)行,例如,基體樹脂可以涂覆在沉積在模具上的碳纖維增強(qiáng)材料上,接著將用于模塑的模具壓緊進(jìn)行,或者可以通過片材成型復(fù)合(SMC)工藝進(jìn)行。。
本發(fā)明提供了通過使用碳纖維復(fù)合材料制備的模制體。例如,模制體可以是用于車輛的輕質(zhì)頂蓬。
另外,本發(fā)明提供了包括包含碳纖維復(fù)合材料的模制體的車輛。
因此,本發(fā)明可以通過應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)材料由于其高電導(dǎo)率防止閃電的危險(xiǎn),該增強(qiáng)材料是碳纖維和鍍導(dǎo)電金屬碳纖維的混合物。另外,其可以通過使用碳纖維實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)。另外,當(dāng)將其應(yīng)用到車殼、例如頂時(shí),可以通過車輛的重量減少提高燃料效率并通過降低重心提高駕駛性能。
實(shí)施例
以下實(shí)施例說明了本發(fā)明而不旨在在對其進(jìn)行限制。
實(shí)施例1
包含20體積%的碳纖維和30體積%鍍鎳碳纖維的碳纖維復(fù)合材料無紡織物以用于頂蓬形狀的三維無紡織物的形式制備。平均厚度為0.22μm的鍍鎳碳纖維被用于鍍鎳碳纖維,并且碳纖維的平均纖維長度為50mm。
根據(jù)情況,當(dāng)制造無紡織物時(shí),在使用針刺法或噴水法的情況下,無紡織物的尺寸穩(wěn)定性可以通過混合基于總的碳纖維總量3體積%的量的環(huán)氧樹脂,以防止碳纖維損壞來提供。作為基體樹脂的50體積%的環(huán)氧樹脂浸漬在碳纖維無紡織物(墊)上,然后閉合模具用于模塑。
此時(shí),模具溫度設(shè)置成120℃,并且在環(huán)氧樹脂硬化之后,卸載模具。在卸載完成之后,當(dāng)存在溢出的環(huán)氧樹脂時(shí),其以比零件大小過量的量涂覆。溢出的樹脂可以被剪切并修剪。最后,制備大小為1220mm×1280mm×1.8mm的車輛碳纖維復(fù)合材料頂蓬。
實(shí)施例2
重復(fù)實(shí)施例1的過程,不同的是將作為基體樹脂的60體積%的環(huán)氧樹脂與包含20體積%的碳纖維和20體積%的鍍鎳碳纖維的碳纖維增強(qiáng)材料混合,以制備用于車輛的碳纖維復(fù)合材料頂蓬。
實(shí)施例3
重復(fù)實(shí)施例1的過程,不同的是混合30體積%的鍍銅碳纖維替代鍍鎳碳纖維以制備用于車輛的碳纖維復(fù)合材料頂蓬。
實(shí)施例4
重復(fù)實(shí)施1的過程,不同的是混合具有0.1μm的鍍鎳平均厚度的鍍鎳碳纖維以制備用于車輛的碳纖維復(fù)合材料頂蓬。
實(shí)施例5
重復(fù)實(shí)施例1的過程,不同的是混合具有0.5μm的鍍鎳平均厚度的鍍鎳碳纖維以制備用于車輛的碳纖維復(fù)合材料頂蓬。
比較例1
重復(fù)實(shí)施例1的過程,不同的是使用1220mm×1280mm×1.8mm的相同大小和約0.7mm厚度的鋼板以制備用于車輛的頂蓬。
比較例2
選擇織造碳纖維增強(qiáng)材料的經(jīng)線(或緯線)作為主方向,并且基于此,分別將50體積%的碳纖維預(yù)成型為以0°、90°、45°、-45°、-45°、45°、90°、0°[0°/90°/45°/-45°]s形式的模具形狀,然后在模具中沉降。然后將55體積%的環(huán)氧樹脂注射到沉降有碳纖維的模具,并且在120℃的溫度下閉合模具,然后模塑并將其卸載。在卸載完成之后,當(dāng)存在溢出的環(huán)氧樹脂時(shí),其以比零件大小過量的量涂覆,溢出的樹脂可以被剪切并修剪。最后,制備大小為1220mm×1280mm×1.8mm的車輛的碳纖維復(fù)合材料頂蓬。
比較例3
重復(fù)比較例2的過程,不同的是通過將具有面權(quán)重為317g/m2的網(wǎng)層插入到比較例2的50體積%的碳纖維中制造頂蓬,所述網(wǎng)層用具有55μm直徑鋼絲織造。
比較例4
重復(fù)比較例3的過程,不同的是通過將具有面權(quán)重為364g/m2的銅網(wǎng)層插入制造頂蓬。
比較例5
重復(fù)比較例2的過程,不同的是通過將0.5體積%的多壁碳納米管(MWNT)分散到環(huán)氧樹脂中制造頂蓬。
比較例6
重復(fù)比較例2的過程,不同的是通過將具有30μm的厚度的鋁薄板粘附到通過使用玻璃纖維制造的2.5mm厚的復(fù)合材料頂蓬來制造頂蓬。
測試?yán)?/u>
對于在實(shí)施例1至5和比較例1至6中制造的車輛頂蓬,測量物 理性能,并且結(jié)果在下面的表1和表2中示出。
表1
表2
根據(jù)表1和表2的結(jié)果,可以確定實(shí)施例1至5雖然與包含常規(guī)組分的比較例1相比重量降低約52%,但是其具有比鋼規(guī)格更強(qiáng)的抗扭剛度。而且,通過電阻值,可以通過使用具有比常規(guī)鋼組分電導(dǎo)率更好的導(dǎo)電材料諸如鎳和銅形成導(dǎo)電路徑來獲得高電導(dǎo)率。線性膨脹系數(shù)意指根據(jù)固體的熱膨脹(溫度變化)長度變化的百分比,并且示出類似于鋼的百分比。通過這樣,可以看出在界面處的應(yīng)力可以最小化。
相反,可以看出與實(shí)施例1至5相比,比較例1具有不適宜的燃料效率和駕駛性能,因?yàn)樗哂袃杀吨亓?,并且比較例2具有較大的重量和較強(qiáng)的抗扭剛度,但是具有現(xiàn)有鋼規(guī)格數(shù)千倍或更大的電阻,從而當(dāng)閃電時(shí)具有發(fā)熱的危險(xiǎn)。
而且,比較例3和比較例4具有高電導(dǎo)率和強(qiáng)抗扭剛度,但是線 性膨脹系數(shù)不同于鋼車體。因此,可以確定通過外部溫度改變形成可以應(yīng)力,并且通過在中間插入的金屬網(wǎng)的重復(fù)裝載可以出現(xiàn)分層和疲勞斷裂。
比較例5具有低電導(dǎo)率和不適宜的可再現(xiàn)性,因?yàn)镃NT的分散控制不容易,并且比較例6通過使用玻璃纖維以避免鋁和碳纖維的潛在腐蝕呈現(xiàn)了與現(xiàn)有鋼類似的抗扭剛度。然而,可以看出與實(shí)施例1和實(shí)施例2相比重量減少效果不大,并且可能存在當(dāng)厚度大大增加時(shí)可以從鄰近部分產(chǎn)生含量差的問題。
因此,可以確定與現(xiàn)有鋼相比,由碳纖維復(fù)合材料制造的車頂,例如在實(shí)施例1至5中制備的車頂重量輕并且具有較高的電導(dǎo)率。
因此,根據(jù)本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料可以通過應(yīng)用包含碳纖維和鍍導(dǎo)電金屬碳纖維的碳纖維增強(qiáng)材料由于其高電導(dǎo)率防止閃電的危險(xiǎn)。
另外,通過使用碳纖維可以實(shí)現(xiàn)重量減少,并且當(dāng)它應(yīng)用到車體,尤其是頂蓬時(shí),其可以通過交通工具的重量減少提高燃料效率并通過降低重心提高駕駛性能。
已經(jīng)參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式詳細(xì)地描述了本發(fā)明。然而,本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,在不脫離本發(fā)明的主旨和精神的前提下,可以在這些實(shí)施方式中做出改變,其范圍在所附權(quán)利要求及其等同方式中限定。