一种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法，先把PAN基炭纤维炭布?环氧树脂预浸料、沥青基炭纤维毡体和热塑性树脂薄膜/薄板交叠放置，然后进行热压成型，制得炭纤维增强树脂复合材料。本发明所制备的复合材料主要采用低成本的沥青基炭纤维毡体作为增强体，降低了复合材料的原料成本，预制体中沥青基炭纤维呈随机排布性，各向同性度较大，和热塑性树脂复合之后，改善了复合材料的断裂韧性和可修复性。复合材料内部中添加了一定量的PAN基炭纤维预浸料夹层，固化后复合材料整体的强度和刚度更好。
【专利说明】
一种炭纤维増强树脂复合材料的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于树脂基复合材料技术领域。具体涉及一种汽车车身用的炭纤维增强树脂复合材料的制备方法。
技术背景
[0002]在全球节能和环保趋势的推动下，汽车产业朝着绿色环保、轻量化、智能化的方向发展。使用轻质高强炭纤维增强树脂基复合材料是实现汽车轻量化的重要途径之一。目前炭纤维强树脂基复合材料在汽车上应用的主要问题有两点:一方面，PAN基炭纤维的生产成本和纤维预制体的编织成本较高，导致最终复合材料的成本居高不下，很难完全满足汽车工业的需求。另一方面，复合材料的性能有待进一步改善。炭纤维增强树脂基复合材料通常使用热固性树脂作为基体，其制备的热固性树脂基复合材料断裂韧性差、损伤容限低，成型加工周期较长。而新兴的热塑性树脂基复合材料虽然具有韧性较好、成型加工周期较短、可修复性好等特点，但材料的刚度和强度较差。因此同时改善复合材料的机械性能和使用性能对其在汽车上的应用至为重要。
[0003]本发明旨在克服已有技术不足，目的是提供一种可用于汽车车身的炭纤维增强树脂基复合材料的制备方法，用该方法制备的复合材料不仅可以降低生产成本，而且明显改善了车身用复合材料的机械性能和使用性能。
【发明内容】
[0004]本发明针对炭纤维增强树脂基复合材料存在的成本高、机械性能和使用性能差的特点，选取高强度的PAN基炭纤维炭布和低成本的沥青基炭纤维租体(或无纺布)共同作为复合材料的增强体，采用多层交叠放置热压工艺，通过调节预热温度、成型压力和树脂含量得到炭纤维增强树脂基复合材料。
[0005]具体方法是:把PAN基炭纤维炭布-环氧树脂预浸料、沥青基炭纤维毡体(或无纺布)和热塑性树脂薄膜或薄板按照交叠放置，通过热压成型，使树脂基体在一定温度下润湿预制体，冷却后制备成本较低、综合性能好的炭纤维增强树脂复合材料。
[0006]—种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法包括以下步骤方法:
[0007]步骤I)纤维预制体的选择:PAN基炭纤维预浸料通过PAN基炭纤维炭布预浸环氧树脂得到，炭纤维呈规则排布，各向异性度较大;沥青基炭纤维选取低成本的沥青基炭纤维毡体(或无纺布)，炭纤维呈随机分布，因此纤维预制体的各向异性度更小;炭纤维的体积填充率为25-60%，PAN基炭纤维和沥青基炭纤维的含量比根据复合材料的性能要求合理设计。
[0008]步骤2)热塑性树脂的选择:为了改善复合材料的可修复性和断裂韧性，选取聚丙烯树脂(PP)或ABS树脂作为沥青基炭纤维毡体(无纺布)的基体;为了改善复合材料的刚度和强度，在上述材料中复合预浸环氧树脂的PAN基炭纤维炭布。
[0009]步骤3)热压成型过程:把PAN基炭纤维炭布-环氧树脂预浸料、沥青基炭纤维毡体(或无纺布)和热塑性树脂薄膜/薄板按照一定次序进行交叠放置，然后进行热压成型，制得低成本、综合性能好的炭纤维增强树脂复合材料。
[0010]上述步骤I)中，炭纤维的体积填充率为12-60%，根据所需车身零部件的力学强度要求进行设计。
[0011]上述步骤I)中，沥青基炭纤维预制体的形式包括但不限于炭纤维无纺布和炭纤维毡体，沥青基炭纤维在X-Y平面或三维上呈随机排布。
[0012]上述步骤I)中，沥青基炭纤维和PAN基炭纤维的体积含量比为1: (0.25-2)，根据所需车身零部件的性能要求进行设计。
[0013]上述步骤2)中，沥青基炭纤维预制体的树脂基体选取聚丙稀腈或ABS等热塑性树月旨；为了提高复合材料的成型效率，树脂原料选取不同厚度的树脂薄膜(或薄板)，厚度在0.lmm-2mm0
[0014]上述步骤2)中，PAN基炭纤维预浸料选取热固性树脂作为基体，包括但不限于环氧树脂。
[00?5]上述步骤3)中，根据所需复合材料力学性能的改变沥青基炭纤维租体(或无纺布)的厚度。
[0016]上述步骤3)中，根据所需复合材料的力学性能和形状尺寸设计合适的铺层数目和铺层形式。铺层形式包括PAN基炭纤维炭布-环氧树脂预浸料、沥青基炭纤维毡体(或无纺布)和热塑性树脂薄膜/薄板叠加时的不同次序。
[0017]上述步骤3)中，可以通过调节热压工艺参数，包括温度、压力和时间等工艺参数，来控制炭纤维增强树脂基复合材料的力学性能、显微结构和尺寸大小。热压温度为160-220°(:，压力为0.1-4010^，时间为5-6011^11。
[0018]根据本发明方法所制备的复合材料采用低成本的沥青基炭纤维毡体或无纺布作为增强体，降低了复合材料的原料成本，纤维随机排布性更强，预制体的各向异性度更小；沥青基炭纤维毡体或无纺布和热塑性树脂复合之后，改善了复合材料的断裂韧性和可修复性，复合材料受力变形后，更容易进行修补。所制备的复合材料中添加了 PAN基炭纤维预浸料夹层，固化后复合材料的强度和刚度更好。
[0019]本发明与现有技术比具有以下积极效果:
[0020]1、本具体实例采用低成本沥青基炭纤维毡体或无纺布作为主要的预制体，各向同性度大，采用热塑性树脂增强后可修复性和韧性较好，复合材料的整体成本较低。
[0021]2、本具体实例制备的复合材料克服了单一炭纤维增强热塑性树脂的强度和刚度较差的缺点，通过复合PAN基炭纤维炭布预浸料增强复合材料的刚度。
[0022]3、本具体实例采用的沥青基炭纤维毡体PAN基炭纤维炭布-环氧树脂预浸料和聚丙烯树脂薄膜多层交叠放置热压工艺相对简单，重复性好，有利于其在汽车车身部件上的规模化生产。
【附图说明】
[0023]图1为本发明实施例1交叠放置示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合【具体实施方式】对本发明做进一步描述，并非对其保护范围的限制。
[0025]本【具体实施方式】:所述的沥青基炭纤维预制体中，沥青基炭纤维通过喷纺工艺成纤，经过预氧化和炭化后制得。实施例中不再赘述。
[0026]实施例1:参见图1
[0027]—种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法。选取低成本的沥青基炭纤维毡体作为复合材料的其中一种增强体，成本低廉;预制体中沥青基炭纤维呈随机分布，各向同性度更小;体积分数为30%。选取PAN基炭纤维炭布-环氧树脂预浸料作为复合材料的另一种增强体，纤维的体积分数为10%。选取厚度为0.5_的热塑性聚丙烯薄膜作为沥青基炭纤维毡体的树脂基体。
[0028]把上述沥青基炭纤维毡体(图1中2处)、PAN基炭纤维炭布-环氧树脂预浸料(图1中3处)、和聚丙烯树脂薄膜(图1中I处)按照1213121次序进行交叠放置后热压，热压温度为1800C，压力为5MPa，时间为lOmin，制得密度为1.18g/cm_3炭纤维增强树脂复合材料。经超声波探伤检测无分层，层间剪切强度大于8MPa/(g.cm-3)，比抗弯强度大于150MPa/(g.cm-3)。复合材料的外层变形后，可在230°C时通过聚丙烯树脂进行表面修复，克服了一般PAN基炭纤维增强热固性树脂难修复的问题。
[0029]实施例2
[0030]—种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法。选取低成本的沥青基炭纤维无纺布作为复合材料的其中一种增强体(预制体)；预制体中沥青基炭纤维呈随机分布，各向同性度更小;体积分数为20%。选取PAN基炭纤维炭布-环氧树脂预浸料作为复合材料的另一种增强体(预制体)，纤维的体积分数为15%。选取厚度为0.2mm的热塑性聚丙烯(PP)薄膜作为沥青基炭纤维毡体的树脂基体。
[0031 ] 把上述沥青基炭纤维无纺布(图1中2处)、PAN基炭纤维炭布-环氧树脂预浸料(图1中3处)、和聚丙烯树脂薄膜(图1中I处)按照12121213121212121次序进行交叠放置后热压，热压温度为200°C，压力为lOMPa，时间为6min，制得密度为1.13g/cm-3的炭纤维增强树脂复合材料。经超声波探伤检测无分层，层间剪切强度大于7MPa/(g.cm-3)，比抗弯强度大于135MPa/(g.cm-3)。复合材料的外层变形后，可在230°C时通过聚丙烯树脂进行表面修复，克服了一般PAN基炭纤维增强热固性树脂难修复的问题。
【主权项】
1.一种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 1)纤维预制体的选择:同时使用PAN基炭纤维预浸料和沥青基炭纤维毡体，或者PAN基炭纤维预浸料和沥青基炭纤维无纺布作为复合材料的纤维预制体，其中PAN基炭纤维预浸料通过PAN基炭纤维炭布预浸环氧树脂得到;沥青基炭纤维租体和沥青基炭纤维无纺布由沥青基炭纤维构成;PAN基炭纤维和沥青基炭纤维租体，或者PAN基炭纤维预浸料和沥青基炭纤维无纺布的总体积填充率为10-60% ；沥青基炭纤维和PAN基炭纤维的体积含量比为1:(0.25-2)； 2)热塑性树脂的选择:选取聚丙烯树脂或ABS树脂作为沥青基炭纤维毡体的基体，PAN基炭纤维炭布预浸料选取环氧树脂作为基体； 3)热压成型过程:把PAN基炭纤维炭布-环氧树脂预浸料、沥青基炭纤维毡体和热塑性树脂薄膜或薄板交叠放置，然后进行热压成型，制得炭纤维增强树脂复合材料，所述的热塑性树脂薄膜或薄板的厚度为0.lmm-2mm，热压温度为160-220°C，压力为0.l-40MPa，时间为5_60mino2.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤I)中，PAN基炭纤维和沥青基炭纤维的总体积填充率为25-60%。3.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤1)中，沥青基炭纤维无纺布和沥青基炭纤维毡体在X-Y平面或三维上呈随机排布。4.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤2)中，沥青基炭纤维预制体的树脂基体选取聚丙烯腈或ABS热塑性树脂，树脂原料选取不同厚度的树脂薄膜或薄板，厚度为0.lmm-lmm。5.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤2)中，PAN基炭纤维炭布预浸料通过PAN基炭纤维炭布预浸环氧树脂制得。6.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤2)中，根据所需复合材料力学性能的改变沥青基炭纤维毡体或无纺布的厚度，沥青基炭纤维租体的厚度为5mm-20mm。7.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤3)中，所述的交叠放置是指:PAN基炭纤维炭布-环氧树脂预浸料、沥青基炭纤维毡体或无纺布，热塑性树脂薄膜/薄板叠加时的不同次序，PAN基炭纤维炭布-环氧树脂预浸料位于复合材料的中间或者两侧，起到增强材料强度和刚度的作用。
【文档编号】B32B37/10GK105965989SQ201610298600
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】李轩科, 黄东, 叶崇, 唐春红
【申请人】湖南大学