[發(fā)明專利]一種改善碳纖維結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010926979.0
• 申請(qǐng)日: 2020-09-07
• 公開（公告）號(hào): CN112140584A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何亮;劉棟材;郭早陽;陳良斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳市碳創(chuàng)新材料有限公司;哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）
• 主分類號(hào): B29C70/34
• 分類號(hào): B29C70/34;B29C70/54;B29C70/02
• 代理公司: 合肥華利知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34170
• 代理人: 蔣玉嬌

本申請(qǐng)公開了一種改善碳纖維結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的方法，包括選取二維非晶薄片；二維非晶薄片可以根據(jù)產(chǎn)品的形狀、服役狀態(tài)等實(shí)際條件，以適當(dāng)?shù)男问郊尤耄患搬槍?duì)一些形狀較小或者曲率變化較大的產(chǎn)品，使用精密沖床在二維非晶薄片上預(yù)先沖壓出合適的微小圓孔。由此大幅提升碳纖維結(jié)構(gòu)件的抗彎等力學(xué)性能，顯著改善抗沖擊特性，采用的非晶薄片為二維材料，添加在碳纖維夾層內(nèi)，不存在之前一些專利采取的非晶絲、非晶帶等形態(tài)增強(qiáng)體在入模具固化過程中的位移導(dǎo)致的品質(zhì)不可控等隱患，同時(shí)所需的人工耗時(shí)也非常低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明實(shí)施例涉及碳纖維結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能改善技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改善碳纖維結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的方法。

背景技術(shù)

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的特種纖維，其密度只有1.8g/cm3，而其模量超過200GPa，抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，因此具有非常高的比模量及比強(qiáng)度，在航空航天、汽車輕量化等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。

但是，碳纖維是絲束狀一維材料，具有非常明顯的單向性，因此為了兼顧多個(gè)方向的負(fù)載工況，在制作碳纖維結(jié)構(gòu)件的時(shí)候，鋪層需要以不同的角度進(jìn)行交替疊層。然而，在同一鋪層內(nèi)，碳纖維絲之間呈現(xiàn)平行分布，彼此間僅靠基體樹脂連接，因此相互的協(xié)調(diào)效應(yīng)較弱，導(dǎo)致無法將碳纖維自身的高強(qiáng)度及高模量等力學(xué)性能形成高效的利用。此外，碳纖維是共價(jià)鍵的石墨結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度及模量都非常高，但脆性較大，因此在一些外界沖擊風(fēng)險(xiǎn)較高的領(lǐng)域，其應(yīng)用受到了一定的局限。

非晶合金又稱為液體金屬，是有別于傳統(tǒng)金屬的新材料，具有長(zhǎng)程無序、短程有序的結(jié)構(gòu)特征，其拉伸強(qiáng)度是傳統(tǒng)金屬的4-8倍，可以達(dá)到1800-4000MPa甚至更高，而其彈性模量只有大約70-100GPa左右；更重要的是，其彈性儲(chǔ)能(彈性比功)超過2.3*107J/m3，而且彈性極限可達(dá)2％，斷裂韌性超過50MPa.m1/2，因此具有極佳的彈性及韌性。除此以外，非晶合金還具有非常好的耐疲勞性、對(duì)應(yīng)力切口不敏感這一特殊的優(yōu)點(diǎn)。

利用非晶合金的性能特點(diǎn)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的不足進(jìn)行改性、優(yōu)化，是一種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的全新設(shè)計(jì)方法。中國發(fā)明CN201710305688.8以及CN201710305687.3均嘗試了在碳纖維碳紗層內(nèi)加入非晶絲或者非晶帶材，可以有效的改善碳纖維羽毛球拍的脆性及提升其反彈性能。但是，這兩個(gè)方案均是采用了絲狀或者條帶狀的非晶作為增強(qiáng)體，這與碳纖維自身一樣屬于一維單向增強(qiáng)體，無法通過協(xié)同效應(yīng)將層間的碳纖維增強(qiáng)體形成有效的整體，無法充分發(fā)揮碳纖維的力學(xué)性能；同時(shí)對(duì)沖擊的改善效果也只是針對(duì)特定的方向，具有明顯的局限性。同時(shí)，條帶狀或者絲狀，必須采用手工粘貼的模式，這需要大量的人力資源，一方面造成生產(chǎn)效率低、成本高等經(jīng)濟(jì)效益的問題，另一方面也進(jìn)一步加劇了品質(zhì)的可控性差。由于碳纖維在高溫固化階段，需要通過模壓或者內(nèi)膨脹等工藝方式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行塑性，而且碳纖維預(yù)浸布內(nèi)的樹脂粘度會(huì)隨著溫度的逐漸升高而快速下降；而絲狀、條帶狀增強(qiáng)體在碳纖維夾層中各自分散，相互間沒有約束而位移自由度高。這些都導(dǎo)致了絲狀或者條帶狀的增強(qiáng)體在成型階段的位置偏移、錯(cuò)位，一致性較差。

發(fā)明內(nèi)容

為此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種改善碳纖維結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的方法，通過在碳纖維不同鋪層間加入二維的非晶薄片的方法，大幅提升碳纖維結(jié)構(gòu)件的抗彎等力學(xué)性能，顯著改善抗沖擊特性，采用的非晶薄片為二維材料，添加在碳纖維夾層內(nèi)，不存在之前一些專利采取的非晶絲、非晶帶等形態(tài)增強(qiáng)體在入模具固化過程中的位移導(dǎo)致的品質(zhì)不可控等隱患，同時(shí)所需的人工耗時(shí)也非常低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供如下技術(shù)方案：一種改善碳纖維結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的方法，包括：

選取二維非晶薄片；

二維非晶薄片根據(jù)產(chǎn)品的形狀、服役狀態(tài)實(shí)際條件，以適當(dāng)?shù)男问郊尤耄?/p>

對(duì)于規(guī)則性的管材、板材等產(chǎn)品，在制作碳纖維預(yù)浸布階段將非晶薄片加入，制備成雙層或者多層的非晶片/碳纖維復(fù)合預(yù)浸布，后續(xù)的鋪層、預(yù)成型、入模固化工序則與常規(guī)碳纖維預(yù)浸布一樣；