專利名稱：混合型碳纖維板及其制作方法
混合型碳纖維板及其制作方法技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制作方法，特別是一種混合型碳纖維板及 其制作方法。背景技術(shù)：
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP)因為具有 極好的耐腐蝕性及抗疲勞性、比強(qiáng)度高、施工便捷等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)。其加固修復(fù) 混凝土結(jié)構(gòu)已成為我國土木工程界的研究熱點。碳纖維復(fù)合材料形式有很多種，目前在長纖維的復(fù)合材料中，用于結(jié)構(gòu)加固修復(fù) 最多的材料形式是碳纖維片材，包括碳纖維布與碳纖維板。隨著對碳纖維片材加固修復(fù)工 程認(rèn)識的加深，人們的普遍共識是直接粘貼碳纖維片材的加固方式對材料的利用率偏低， 若在應(yīng)用碳纖維片材加固修復(fù)結(jié)構(gòu)時給片材施加合適的預(yù)應(yīng)力，加固修復(fù)效果會明顯增 強(qiáng)，材料的利用率會明顯增大。與碳纖維布相比較而言，碳纖維板具有均質(zhì)性及整體性好， 截面面積大，彈性模量低、施工更為方便等優(yōu)點。隨著預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu) 技術(shù)的推廣與普及，碳纖維板的應(yīng)用前景會越來越廣闊。但由于碳纖維復(fù)合材料是線彈性材料，其破壞過程中沒有屈服，破壞形式為脆性 破壞，在使用過程中破壞沒有預(yù)兆，這降低了材料使用的安全性。在一定程度上制約了其在 土木工程中的應(yīng)用；同時由于碳纖維板材間的層間剪切力偏低，普通的錨夾具很難有效夾 持使之施加預(yù)應(yīng)力；另外，由于現(xiàn)階段生產(chǎn)碳纖維板的原材料，特別是高性能碳纖維原紗主 要依靠進(jìn)口，成本偏高，制作出來的碳纖維板價格也偏高，不利于材料的推廣應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種混合型碳纖維板及其制作方法，這種板材既具有有極 好的耐腐蝕性及抗疲勞性、比強(qiáng)度高、施工便捷等特點，又具有較高的延伸率和較高的層間 剪切力，更便于有效錨固后施加預(yù)應(yīng)力。其制作方法在提高板材綜合性能的同時合理降低 了板材制作成本，更便于材料的推廣應(yīng)用；以解決已有技術(shù)存在的上述問題。解決上述問題的技術(shù)方案是一種混合型碳纖維板，是由包括碳纖維材料及軸向 填充在碳纖維材料中間的高強(qiáng)細(xì)鋼絲構(gòu)成的帶狀板材，所述的碳纖維材料由碳纖維原紗及 基體樹脂組成，所述的基體樹脂是環(huán)氧樹脂或乙烯基酯樹脂。所述軸向填充在碳纖維材料內(nèi)部的高強(qiáng)細(xì)鋼絲的拉伸強(qiáng)度不小于lOOOMPa，根數(shù) 為mXn根，m代表混合型碳纖維板內(nèi)高強(qiáng)細(xì)鋼絲的排數(shù)，η代表混合型碳纖維板內(nèi)每一排高 強(qiáng)細(xì)鋼絲的根數(shù)，m、η的取值范圍是1彡m彡5的整數(shù)、1 ^ η ^ 500的整數(shù)。其另一技術(shù)方案是一種混合型碳纖維板的制作方法，它是在制備混合型碳纖維 板時，通過預(yù)成型模具及鋼絲定位裝置在板材內(nèi)部設(shè)置高強(qiáng)細(xì)鋼絲，在高強(qiáng)細(xì)鋼絲的周邊 包裹碳纖維材料；根據(jù)制成后混合型碳纖維板所應(yīng)達(dá)到的力學(xué)性能指標(biāo)及碳纖維板的寬度 與厚度確定板材內(nèi)部所需鑲嵌高強(qiáng)細(xì)鋼絲的規(guī)格及數(shù)量，由預(yù)成型模具及鋼絲定位裝置確定高強(qiáng)細(xì)鋼絲在混合型碳纖維板材中的具體位置及布置形式。其具體方法是將張力紗架上的高強(qiáng)細(xì)鋼絲與碳纖維原紗同時穿過分紗裝置，并 在前處理裝置中進(jìn)行溫度濕度調(diào)節(jié)的前處理；前處理后的高強(qiáng)細(xì)鋼絲與碳纖維原紗在樹脂 浸漬槽中充分浸漬基體樹脂；經(jīng)基體樹脂浸漬過的高強(qiáng)細(xì)鋼絲與碳纖維原紗在預(yù)成型模具 內(nèi)預(yù)成型，預(yù)成型后的高強(qiáng)細(xì)鋼絲、碳纖維原紗及樹脂在成型模具內(nèi)成型并固化；成型模具 后面設(shè)置有鋼絲定位裝置，用于確定混合型碳纖維板成型初期高強(qiáng)細(xì)鋼絲在混合型碳纖維 板中的位置及排布形式；成型固化后的混合型碳纖維板在后處理裝置中完全固化，在牽引 機(jī)的作用下完成連續(xù)制作；通過調(diào)節(jié)張力紗架上高強(qiáng)細(xì)鋼絲及碳纖維原紗的張緊力，使高強(qiáng)細(xì)鋼絲與碳纖維 原紗在進(jìn)入成型模具前始終處于有張緊力的狀態(tài)。由于采取上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明之混合型碳纖維板除具有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所具有 的有極好的耐腐蝕性及抗疲勞性、比強(qiáng)度高、施工便捷等優(yōu)點，還具有以下有益效果1、提高了碳纖維板延伸率，改善其破壞形式，提高在使用過程中的安全性。2、提高了碳纖維板的層間剪切力，使之更容易有效夾持、利于錨固后施加預(yù)應(yīng)力。3、降低了碳纖維板的制作成本，提高應(yīng)用碳纖維板的性價比，擴(kuò)大碳纖維板材的 應(yīng)用范圍，不僅可用于結(jié)構(gòu)加固修復(fù)，也可用于其他結(jié)構(gòu)需要加固的場合。
圖1-圖2 本發(fā)明之混合型碳纖維板的結(jié)構(gòu)示意圖圖1 混合型碳纖維板內(nèi)鑲嵌有一排高強(qiáng)細(xì)鋼絲，圖2 混合型碳纖維板內(nèi)鑲嵌有多排高強(qiáng)細(xì)鋼絲；圖3 混合型碳纖維板的制作方法及設(shè)備示意簡圖；圖4 預(yù)成型模具上的碳纖維原紗通道及高強(qiáng)細(xì)鋼絲定位槽I位置示意圖；圖5 鋼絲定位裝置上的高強(qiáng)細(xì)鋼絲定位槽II位置示意圖。圖中I-CFRP材料，2-高強(qiáng)細(xì)鋼絲，3_張力紗架，4_碳纖維原紗，5_分紗裝置，6_前處理 裝置，7-樹脂浸漬槽，8-基體樹脂，9-預(yù)成型模具，10-成型模具，11-鋼絲定位裝置，12-后 處理裝置，13-牽引機(jī)，91-預(yù)成型模具上的碳纖維原紗通道，92-預(yù)成型模具上的細(xì)鋼絲定 位槽I，111-鋼絲定位裝置的上半部，112-鋼絲定位裝置的上半部，113-鋼絲定位裝置上的 細(xì)鋼絲定位槽II。
具體實施方式實施例一一種混合型碳纖維板。如圖1、圖2所示，所述的混合型碳纖維板是由包括碳纖維材料1及軸向填充在碳 纖維材料1中間的高強(qiáng)細(xì)鋼絲2構(gòu)成的帶狀板材、板材厚度為Imm 3mm，所述的碳纖維材 料1由碳纖維原紗及基體樹脂組成，所述的基體樹脂是環(huán)氧樹脂或乙烯基酯樹脂。所述的 高強(qiáng)細(xì)鋼絲的拉伸強(qiáng)度不小于lOOOMPa。所述軸向填充在碳纖維材料1內(nèi)部的高強(qiáng)細(xì)鋼絲2可以是如圖1所示的7根高強(qiáng)細(xì)鋼絲單排排列在碳纖維材料1內(nèi)部，也可以是分成2排或2排以上排列在碳纖維材 料1內(nèi)部，圖2所示的是由40根高強(qiáng)細(xì)鋼絲2分成3排排列；一般，高強(qiáng)細(xì)鋼絲的直徑為 Φ 0. 5mm Φ 1. 0mm,根據(jù)需要，高強(qiáng)細(xì)鋼絲的直徑也還可以增加或減少，高強(qiáng)細(xì)鋼絲2的直 徑也可以為Φ 0.1mm Φ 3. 0mm。所述填充在CFRP材料1內(nèi)部的高強(qiáng)細(xì)鋼絲2的根數(shù)mXn還可以增加或減少，m代 表混合型碳纖維板內(nèi)高強(qiáng)細(xì)鋼絲的排數(shù)，η代表混合型碳纖維板內(nèi)每一排高強(qiáng)細(xì)鋼絲的根 數(shù)，m、η的取值范圍是1 < m < 5的整數(shù)，1 ^ η ^ 500的整數(shù)，具體數(shù)量及排列方式根據(jù) 需要而定。實施例二一種混合型碳纖維板的制作方法。在制備混合型碳纖維板時，通過預(yù)成型模具9及鋼絲定位裝置11在碳纖維板材內(nèi) 部設(shè)置高強(qiáng)細(xì)鋼絲2，在高強(qiáng)細(xì)鋼絲2的周邊包裹碳纖維材料1 ；其具體制作方法如下如圖3所示將張力紗架3上的高強(qiáng)細(xì)鋼絲2與碳纖維原紗4同時穿過分紗裝置 5，并在前處理裝置6中進(jìn)行溫度濕度調(diào)節(jié)的前處理；前處理后的高強(qiáng)細(xì)鋼絲2與碳纖維原 紗4在樹脂浸漬槽7中充分浸漬基體樹脂8 ；經(jīng)基體樹脂8浸漬過的高強(qiáng)細(xì)鋼絲2與碳纖 維原紗4在預(yù)成型模具9內(nèi)預(yù)成型，預(yù)成型后的高強(qiáng)細(xì)鋼絲2、碳纖維原紗4及基體樹脂8 在成型模具10內(nèi)成型并固化成混合型碳纖維板；成型模具后面設(shè)置有鋼絲定位裝置11，用 于確定混合型碳纖維板成型初期高強(qiáng)細(xì)鋼絲2在混合型碳纖維板中的位置及排布形式；成 型固化后的混合型碳纖維板在后處理裝置12中完全固化，在牽引機(jī)13的作用下完成混合 型碳纖維板材連續(xù)制作；通過調(diào)節(jié)張力紗架上高強(qiáng)細(xì)鋼絲2及碳纖維原紗4的張緊力，使高強(qiáng)細(xì)鋼絲2與 碳纖維原紗4在進(jìn)入成型模具9前始終處于有張緊力的狀態(tài)，從而優(yōu)化制成后板材的力學(xué) 性能。通過預(yù)成型模具9使碳纖維原紗4及高強(qiáng)細(xì)鋼絲2在進(jìn)入成型模具10前初步成 型，根據(jù)制成后混合型碳纖維板所應(yīng)達(dá)到的力學(xué)性能指標(biāo)及板材的寬度與厚度，按FRP材 料混雜理論確定板材內(nèi)部所需鑲嵌高強(qiáng)細(xì)鋼絲2的規(guī)格、數(shù)量及碳纖維原紗4的用量；本發(fā) 明帶狀混合型碳纖維板的厚度為Imm 3mm，構(gòu)成混合型碳纖維板之基體樹脂是環(huán)氧樹脂 或乙烯基酯樹脂；鑲嵌在混合型碳纖維板內(nèi)的高強(qiáng)細(xì)鋼絲2的規(guī)格為Φ 0. Imm Φ 3. 0mm, 數(shù)量為mXn根，m代表混合型碳纖維板內(nèi)高強(qiáng)細(xì)鋼絲的排數(shù)，η代表混合型碳纖維板內(nèi)每一 排高強(qiáng)細(xì)鋼絲的根數(shù)，m、η的取值范圍是1 < m < 5的整數(shù)，1 ^ η ^ 500的整數(shù)。所述的鋼絲定位裝置11由兩個可拆卸的部分111、112組成，由于制作板材時高 強(qiáng)細(xì)鋼絲與碳纖維原絲在進(jìn)入成型模具后始終處于水平拉擠狀態(tài)，成型后的板材中高強(qiáng)細(xì) 鋼絲的位置無需定位裝置也能得到保持，因此，鋼絲定位裝置11在板材正式成型后即可拆 除。高強(qiáng)細(xì)鋼絲2在混合型碳纖維板中的位置由預(yù)成型模具9上的高強(qiáng)細(xì)鋼絲定位槽 1(92)及鋼絲定位裝置11上的高強(qiáng)細(xì)鋼絲定位槽II (113)確定(參見圖4、圖5)。本發(fā)明實施例中，所述將張力紗架3上的高強(qiáng)細(xì)鋼絲2與碳纖維原紗4同時穿過 分紗裝置5，并在前處理裝置6中進(jìn)行溫度濕度調(diào)節(jié)的前處理是當(dāng)環(huán)境溫度太低或濕度太 高時進(jìn)行，當(dāng)溫度高于10°C、濕度小于70%的情況下，該步驟可以省略，其調(diào)節(jié)溫度濕度的方法是公知的加熱法，此處不再贅述。本發(fā)明一種混合型碳纖維板的制作方法中，按FRP材料混雜理論確定混合型碳纖 維板內(nèi)部所需鑲嵌高強(qiáng)細(xì)鋼絲2的規(guī)格、數(shù)量及碳纖維原紗的用量中所述的混雜理論主要 是指在混合型碳纖維板制作成型后，混合型碳纖維板內(nèi)的各組分的力學(xué)性能與制作前保持 一致，特別是彈性模量，只要能確定各組分在混合型碳纖維板中的體積比，即可計算出制成 后的混合型碳纖維板的彈性模量，也即是平時所說的混合型碳纖維板材的力學(xué)性能是可設(shè) 計的。若知道制成后混合型碳纖維板的力學(xué)性能也就不難推出各組分在混合型碳纖維板中 的用量，由于這種算法是公知的，在此，不再贅述。由于本發(fā)明一種混合型碳纖維板的制作方法中的關(guān)鍵設(shè)備預(yù)成型模具9、鋼絲 定位裝置11設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)是機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員利用的公知技術(shù)所能夠制作的， 因而，其具體結(jié)構(gòu)也不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種混合型碳纖維板，其特征在于所述的混合型碳纖維板是由包括碳纖維材料及 軸向填充在碳纖維材料中間的高強(qiáng)細(xì)鋼絲組成的帶狀板材，所述的碳纖維材料由碳纖維原 紗及基體樹脂組成，所述的基體樹脂是環(huán)氧樹脂或乙烯基酯樹脂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合型碳纖維板，其特征在于所述軸向填充在碳纖維材料 內(nèi)部的高強(qiáng)細(xì)鋼絲的直徑為Φ0. Imm Φ 3. 0mm，根數(shù)為mXn根，m代表混合型碳纖維板 內(nèi)高強(qiáng)細(xì)鋼絲的排數(shù)，η代表混合型碳纖維板內(nèi)每一排高強(qiáng)細(xì)鋼絲的根數(shù)，m、n的取值范圍 是1彡m彡5的整數(shù)，1 ^ η ^ 500的整數(shù)。
3.—種權(quán)利要求1所述的混合型碳纖維板的制作方法，其特征在于它是在制備混合 型碳纖維板時，通過預(yù)成型模具及鋼絲定位裝置在碳纖維板材內(nèi)部設(shè)置高強(qiáng)細(xì)鋼絲，在高 強(qiáng)細(xì)鋼絲的周邊包裹碳纖維材料；其具體方法是將張力紗架C3)上的高強(qiáng)細(xì)鋼絲(2)與 碳纖維原紗同時穿過分紗裝置(5)，并在前處理裝置(6)中進(jìn)行溫度濕度調(diào)節(jié)的前處 理；前處理后的高強(qiáng)細(xì)鋼絲O)與碳纖維原紗(4)在樹脂浸漬槽(7)中充分浸漬基體樹脂 (8)；經(jīng)基體樹脂(8)浸漬過的高強(qiáng)細(xì)鋼絲( 與碳纖維原紗(4)在預(yù)成型模具(9)內(nèi)預(yù)成 型，經(jīng)預(yù)成型后的高強(qiáng)細(xì)鋼絲O)、碳纖維原紗(4)及基體樹脂(8)在成型模具(10)內(nèi)成型 并固化成混合型碳纖維板；成型模具后面設(shè)置有用于確定混合型碳纖維板成型初期高強(qiáng)細(xì) 鋼絲( 在混合型碳纖維板中的位置及排布形式的鋼絲定位裝置(11)，成型固化后的混合 型碳纖維板在后處理裝置(1 中完全固化，在牽引機(jī)(1 的作用下完成混合型碳纖維板 的連續(xù)制作；通過調(diào)節(jié)張力紗架上高強(qiáng)細(xì)鋼絲(2)及碳纖維原紗(4)的張緊力，使高強(qiáng)細(xì)鋼 絲O)與碳纖維原紗(4)在進(jìn)入成型模具前始終處于有張緊力的狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混合型碳纖維板的制作方法，其特征在于通過預(yù)成型模具 使碳纖維原紗及高強(qiáng)細(xì)鋼絲在進(jìn)入成型模具前初步成型，根據(jù)制成后混合型碳纖維板所應(yīng) 達(dá)到的力學(xué)性能指標(biāo)及板材的寬度與厚度，按FRP材料混雜理論確定板材內(nèi)部所需鑲嵌高 強(qiáng)細(xì)鋼絲的規(guī)格、數(shù)量及碳纖維原紗的用量；鑲嵌在混合型碳纖維板內(nèi)的高強(qiáng)細(xì)鋼絲的規(guī) 格為Φ0. Imm Φ 3. 0mm，數(shù)量為mXη根，m代表混合型碳纖維板內(nèi)高強(qiáng)細(xì)鋼絲的排數(shù)，η 代表混合型碳纖維板內(nèi)每一排高強(qiáng)細(xì)鋼絲的根數(shù)，m、η的取值范圍是1 < m < 5的整數(shù)， 1彡η彡500的整數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的混合型碳纖維板的制作方法，其特征在于所述的鋼絲 定位裝置(11)由兩個可拆卸的部分組成，板材正式成型后拆除，高強(qiáng)細(xì)鋼絲在混合型碳纖 維板中的位置由預(yù)成型模具上的高強(qiáng)細(xì)鋼絲定位槽I及鋼絲定位裝置上的高強(qiáng)細(xì)鋼絲定 位槽II確定。
全文摘要
一種混合型碳纖維板，是由包括碳纖維材料及軸向填充在碳纖維材料中間的高強(qiáng)細(xì)鋼絲組成的帶狀板材，所述的碳纖維材料由碳纖維原紗及基體樹脂組成，所述的基體樹脂是環(huán)氧樹脂或乙烯基酯樹脂；軸向填充在碳纖維材料內(nèi)部的高強(qiáng)細(xì)鋼絲的拉伸強(qiáng)度不低于1000MPa，根數(shù)為m×n根，1≤m≤5、1≤n≤500；其制備方法是通過預(yù)成型模具及鋼絲定位裝置在板材內(nèi)部設(shè)置高強(qiáng)細(xì)鋼絲，在高強(qiáng)細(xì)鋼絲的周邊包裹碳纖維材料。本發(fā)明之混合型碳纖維板既具有有極好的耐腐蝕性及抗疲勞性、比強(qiáng)度高、施工便捷等特點又具有較高的延伸率和較高的層間剪切力，更便于有效錨固后施加預(yù)應(yīng)力。在提高板材綜合性能的同時合理降低了板材制作成本，更便于材料的推廣應(yīng)用。
文檔編號B29K305/12GK102041870SQ20091020981
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者區(qū)錫祥, 朱萬旭, 楊帆, 高宇, 黃穎 申請人:柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司