碳纖維板材及碳纖維板材的制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及復(fù)合高分子材料領(lǐng)域，尤其是碳纖維板材及碳纖維板材的制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 自新中國誕生以來，我國電力工業(yè)建設(shè)發(fā)展迅速。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國電力工 業(yè)發(fā)展穩(wěn)居世界第二，隨之帶來各電壓等級的維護(hù)作業(yè)工作大大增加，而現(xiàn)階段的作業(yè)工 器具，尤其是卡具類大多為鋼鐵、鋁合金等金屬材料制成，與我國建設(shè)環(huán)境友好型和資源節(jié) 約型社會(huì)的需求相悖。
[0003] 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型材料不斷被研發(fā)生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料是材 料領(lǐng)域的奇葩，目前發(fā)展最快的是碳纖維復(fù)合材料，其特點(diǎn)是⑴比強(qiáng)度高，比模量大；⑵材 料性能具有可設(shè)計(jì)性；⑶抗腐蝕性能和耐久性能好；⑷熱膨脹系數(shù)??；生產(chǎn)成本低。
[0004] 碳纖維復(fù)合材料的深入應(yīng)用，對材料性能的要求也越來越高，具有優(yōu)異的綜合性 能的纖維復(fù)合材料更加符合各行各業(yè)的需求。
[0005] 目前公知的碳纖維板材成型工藝是使用單向纖維板材浸漬樹脂后層壓固化成型， 成品厚度多為0. 15_-10_，主要用途為建筑加固補(bǔ)強(qiáng)方面。其特點(diǎn)是軸向抗拉強(qiáng)度高、耐 腐蝕性和抗震性。但其弱點(diǎn)是對于抗壓構(gòu)件、剪切構(gòu)件和受力復(fù)雜的構(gòu)件其性能較低。
[0006] 碳纖維單向布如圖2所示，雖然它的縱向和橫向都有碳纖維，不過一個(gè)方向（通常 是縱向）有大量的無捻粗紗，還有一個(gè)方向只有少量的細(xì)紗，起得是固定作用，使碳纖維布 不會(huì)散開。整塊碳纖維布的強(qiáng)度，都集中在無捻粗紗的那一個(gè)方向，它的強(qiáng)度，與自身的克 重沒有關(guān)系，只與碳絲有關(guān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服以上問題，本發(fā)明研宄了用以代替輸電線路作業(yè)用金屬材料工具的具有 多向、多層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料板材。在保證其抗拉強(qiáng)度高的特性外，提高其抗壓、抗彎、 剪切強(qiáng)度和其它使用性能。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0009] 一種碳纖維板材，其特殊之處在于：包括碳纖維布層和碳纖維絲層，所述碳纖維布 層是縱向碳纖維和橫向碳纖維一上一下交織，所述碳纖維絲層用碳纖維進(jìn)行一上一下雙向 交織，碳纖維布層和碳纖維絲層浸漬有膠結(jié)劑，相鄰的碳纖維布層之間間隔有碳纖維絲層， 碳纖維布層n層，碳纖維絲層為n-1層，其中n大于或等于2。
[0010] 上述縱向碳纖維和橫向碳纖維寬度相同。
[0011] 上述碳纖維絲層用碳纖維進(jìn)行左右45° -上一下雙向交織。
[0012] 上述碳纖維絲層的各層交織角度可以相同。
[0013] 優(yōu)化的碳纖維絲層各層的交織角度均為45°。
[0014] 碳纖維絲層的各層交織角度也可以不同。
[0015] 制備上述碳纖維板材的工藝，其特別之處在于：包括以下步驟：
[0016] 1)碳纖維布層的制備，采用傳統(tǒng)的機(jī)織平紋布方法，縱向碳纖維和橫向碳纖維呈 一上一下的規(guī)律交織；
[0017] 2)碳纖維絲層采用碳纖維進(jìn)行一上一下雙向交織；
[0018] 3)將步驟1)和步驟2)獲得的碳纖維布層和碳纖維絲層浸漬環(huán)氧樹脂膠；
[0019] 4)用定位裝置將浸漬環(huán)氧樹脂膠后的碳纖維布層分層，浸漬環(huán)氧樹脂膠后的碳纖 維絲層定位于相鄰碳纖維布層的間隔間；
[0020] 5)將步驟4)獲得的板材放入預(yù)熱箱預(yù)熱；
[0021] 6)將步驟5)獲得的板材放入模具恒溫加壓、冷卻定型后脫模。
[0022] 上述步驟2)的碳纖維絲層用碳纖維進(jìn)行左右45° -上一下雙向交織。
[0023] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0024]1、縱向和橫向交織碳纖維布，它的縱向和橫向都有大量的無捻粗紗，這樣布的受 力方向有兩個(gè)，交織點(diǎn)多，質(zhì)地堅(jiān)牢、表面平整，耐磨性好，其綜合受力的性能要明顯優(yōu)于單 向碳纖維布；
[0025] 2、采用縱、橫雙向碳纖維布雖然增強(qiáng)了橫向的受力強(qiáng)度，卻也損失了縱向的受力 強(qiáng)度，增加左、右45°雙向交叉碳纖維絲層彌補(bǔ)了損失掉的縱向受力強(qiáng)度；
[0026] 3、經(jīng)浸漬環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑后，采用技術(shù)先進(jìn)的擠拉熱固一次成型工藝，可最大限 度的排除成品中的氣隙，保證了多層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；
[0027] 4、采用擠拉、纏繞、編織一次熱固成型工藝的多向多層碳纖維板，能夠很好的滿足 并優(yōu)于鋼鐵、鋁合金材料所具有的力學(xué)性能?？朔四壳笆忻娈a(chǎn)品只突出抗拉強(qiáng)度的問題， 既有抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，又大大提高了抗壓、抗彎、抗扭、抗剪切強(qiáng)度，生產(chǎn)加工成本降低且 便于機(jī)械加工，是綜合性能更好的碳纖維纖維復(fù)合材料板材。
【附圖說明】
[0028] 圖1本發(fā)明縱向和橫向交織碳纖維布；
[0029] 圖2單向碳纖維布；
[0030] 圖3本發(fā)明縱向、橫向交織示意圖；
[0031] 圖4本發(fā)明碳纖維板制作工藝路線框圖；
[0032] 圖5本發(fā)明碳纖維板制作工藝流程示意圖；
[0033] 圖6本發(fā)明碳纖維板材結(jié)構(gòu)示意圖，圖中：1，縱向碳纖維和橫向碳纖維編織布層； 2,左、右雙向交叉碳纖維絲層。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 如圖6所示是本發(fā)明碳纖維板材的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明碳纖維板材結(jié)構(gòu)采用縱、 橫向交織碳纖維布1間隔雙向交織碳纖維絲層2的多層結(jié)構(gòu)。
[0035] 如圖1所示，使用縱向碳纖維和橫向碳纖維編織成的碳纖維布作為基材，可根據(jù) 產(chǎn)品要求確定板材所需碳纖維布的幅寬及層數(shù)。
[0036] 如圖2所示是碳纖維單向布，碳纖維單向布它的縱向和橫向都有碳纖維，不過一 個(gè)方向（通常是縱向）有大量無捻粗紗，還有一個(gè)方向只有少量細(xì)紗，起固定作用，使碳纖 維布不會(huì)散開。整塊碳纖維布的強(qiáng)度，都集中在無捻粗紗的那一個(gè)方向，它的強(qiáng)度，與自身 的克重沒有關(guān)系，只與碳絲有關(guān)。而縱向和橫向交織碳纖維雙向布，它的縱向和橫向都有 大量的無捻粗紗，這樣布的受力方向有兩個(gè)，特點(diǎn)是交織點(diǎn)多，質(zhì)地堅(jiān)牢、表面平整，耐磨性 好，其綜合受力的性能要明顯優(yōu)于單向碳纖維布。
[0037] 縱向和橫向交織碳纖維雙向布采用傳統(tǒng)的機(jī)織平紋布方法，即縱向碳纖維和橫 向碳纖維呈一上一下的規(guī)律交織?？v向、橫向碳纖維每隔一根碳纖維就呈十字形交叉，如圖 3所示，縱向碳纖維為1、3、5、7在上，2、4、6、8在下，橫向碳纖維為1、3、5、7在上，2、4、6、8在 下。
[0038] 在相鄰的碳纖維雙向布的隔層間用碳纖維絲進(jìn)行左右雙向交織。因?yàn)椴捎每v橫向 雙向碳纖維布雖然增強(qiáng)了橫向的受力強(qiáng)度，卻也損失了縱向的受力強(qiáng)度。增加左右雙向交 叉碳纖維絲層是為了彌補(bǔ)損失掉的縱向受力強(qiáng)度，各碳纖維絲層交織角度可以相同也可以 不同，優(yōu)選的碳纖維絲的交織角度為45°。
[0039] 圖4是本發(fā)明碳纖維板材的制備工藝流程框圖，圖5是碳纖維板制作工藝流程示 意圖，如圖4和圖5所示，首先是碳纖維布層的制備，采用傳統(tǒng)的機(jī)織平紋布方法，縱向碳纖 維和橫向碳纖維呈一上一下的規(guī)律交織；碳纖維絲層采用一上一下向雙相交織；將獲得的 碳纖維布層和碳纖維絲層浸漬環(huán)氧樹脂膠；用定位裝置將浸漬環(huán)氧樹脂膠后的碳纖維布層 分層，浸漬環(huán)氧樹脂膠后的碳纖維絲層定位于碳纖維布層的隔層間；將獲得的板材放入預(yù) 熱箱預(yù)熱后放入模具恒溫加壓、冷卻后脫模。
[0040] 經(jīng)浸漬環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑后，采用技術(shù)先進(jìn)的擠拉熱固一次成型工藝，可最大限度 的排除成品中的氣隙，保證了多層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
[0041] 表1到表6列出了本發(fā)明碳纖維板材的基本性能試驗(yàn)結(jié)果。
[0042] 表7到表12列出了外購碳纖維板材的基本性能試驗(yàn)結(jié)果。
[0043] 表13列出了幾種材料力學(xué)基本性能對比。
[0044] 表1本發(fā)明碳纖維板材的抗拉試件強(qiáng)度表
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種碳纖維板材，其特征在于：包括碳纖維布層和碳纖維絲層，所述碳纖維布層是 縱向碳纖維和橫向碳纖維一上一下交織，所述碳纖維絲層用碳纖維進(jìn)行一上一下雙向交 織，碳纖維布層和碳纖維絲層浸漬有膠結(jié)劑，相鄰的碳纖維布層之間間隔有碳纖維絲層，碳 纖維布層n層，碳纖維絲層為n-1層，其中n大于或等于2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維板材，其特征在于：縱向碳纖維和橫向碳纖維寬度相 同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維板材，其特征在于：碳纖維絲層用碳纖維進(jìn)行左右 45° -上一下雙向交織。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維板材，其特征在于：碳纖維絲層的各層交織角度相同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳纖維板材，其特征在于：碳纖維絲層各層的交織角度均為 45。。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維板材，其特征在于：碳纖維絲層的各層交織角度不同。
7. -種制備權(quán)利要求1中碳纖維板材的工藝，其特征在于：包括以下步驟： 1) 碳纖維布層的制備，采用傳統(tǒng)的機(jī)織平紋布方法，縱向碳纖維和橫向碳纖維呈一上 一下的規(guī)律交織； 2) 碳纖維絲層采用碳纖維進(jìn)行一上一下雙向交織； 3) 將步驟1)和步驟2)獲得的碳纖維布層和碳纖維絲層浸漬環(huán)氧樹脂膠； 4) 用定位裝置將浸漬環(huán)氧樹脂膠后的碳纖維布層分層，浸漬環(huán)氧樹脂膠后的碳纖維絲 層定位于相鄰碳纖維布層的間隔間； 5) 將步驟4)獲得的板材放入預(yù)熱箱預(yù)熱； 6) 將步驟5)獲得的板材放入模具恒溫加壓、冷卻定型后脫模。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備權(quán)利要求1中碳纖維板材的工藝，其特征在于：所述步 驟2)的碳纖維絲層用碳纖維進(jìn)行左右45° -上一下雙向交織。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種碳纖維板材，包括碳纖維布層和碳纖維絲層，碳纖維布層是縱向碳纖維和橫向碳纖維一上一下交織，碳纖維絲層用碳纖維進(jìn)行一上一下雙向交織，碳纖維布層和碳纖維絲層浸漬有膠結(jié)劑，相鄰的碳纖維布層之間間隔有碳纖維絲層。制備該碳纖維板材的工藝包括：碳纖維布的交織；碳纖維絲向雙相交織；碳纖維布層和碳纖維絲層浸漬環(huán)氧樹脂膠；碳纖維絲層定位于碳纖維布層的隔層間；將獲得的板材放入預(yù)熱箱預(yù)熱后放入模具恒溫加壓、冷卻后脫模。本發(fā)明的碳纖維板材克服了目前市面產(chǎn)品只突出抗拉強(qiáng)度的問題，既有抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，又大大提高了抗壓、抗彎、抗扭、抗剪切強(qiáng)度，是綜合性能更好的碳纖維復(fù)合材料板材。
【IPC分類】B32B5-28, B32B37-06, B32B37-12, B32B37-08, B32B38-08, B32B27-04, B32B9-04, B32B27-38
【公開號】CN104691041
【申請?zhí)枴緾N201510125053
【發(fā)明人】楊福獎(jiǎng)
【申請人】陜西斯福特電力科技有限公司, 陜西秦川電力器材實(shí)業(yè)有限公司
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月20日