[实用新型]碳纤维增强聚合物基复合板材

说明书

技术领域

本实用新型属于汽车用轻量化材料技术领域。

背景技术

碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，它被称为“新材料之王”。碳纤维“外柔内刚”，碳纤维密度不到钢的1/4、强度是钢的5-7倍，具有纤维柔软可加工性和强抗拉力两大特性。碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，比性能高，耐疲劳性好，X射线透过性好，无蠕变，密度低，非氧化环境下耐超高温，热膨胀系数小且具有各向异性，在有机溶剂、酸和碱中不溶不胀并耐蚀性突出，良好的导电导热性和电磁屏蔽性等。

碳纤维复合材料与其他材料相比具有高强度、高刚度、高断裂韧性、耐腐蚀、高阻尼、制件力学性能优异、安全性高、可设计性强和零部件一体化等特点，已广泛应用到汽车工业中，大幅度提高了汽车服役寿命、燃油效率和安全舒适性，已被公认为汽车工业领域最理想的轻量化材料，其多种加工成型工艺也得到广泛的应用。

国内碳纤维的应用主要是在航空航天领域、运动器材领域和工业领域。其中，运动器材占绝大多数，而在民用航空、交通工具、新能源装备、工程建设等方面的应用虽然已经开始起步，但应用水平偏低。

目前碳纤维复合材料的成型工艺主要有:手糊成型、喷射成型、团状模塑料成型、片状模塑料成型、层压成型、树脂传递模塑成型、缠绕成型、注射成型和拉挤成型等。早期车用部件的生产采用手糊工艺和喷射成型工艺，但手糊和喷射工艺(开模模塑)严重污染环境，劳动强度大，制品的质量难以控制，主要用于生产汽车零件中形状简单的部件，难以满足汽车工业化生产和环保的要求。注塑成型是碳纤维与热塑性树脂共混直接注射成型。适用于制造外形复杂、尺寸精确或带有金属嵌件的制品。而拉挤成型是热塑性树脂和碳纤维在挤出机中通过加热加压熔融后，凭借螺杆旋动均匀挤出，冷却定型。RTM(树脂传递模塑)成型的基本原理是将纤维增强材料预先铺设在封闭的模腔内，锁紧模具，用压力将树脂胶液注入模腔，浸透增强材料后固化，然后脱模成型。RTM成型工艺的主要特点为闭模操作、无污染、成型压力低、增强材料可按设计要求铺设、制品两面光洁及能制成形状复杂的大型制品等。该技术研发时间短，适于产品更新，工艺设备投资少，适用于小批量、多品种的汽车结构件，如发动机水箱、隔热罩、发动机罩等。片状模塑料(简称SMC)是由不饱和聚酯树脂、低收缩添加剂、填料、固化剂、增稠剂、脱模剂和增强纤维等组成的一种干片状的预浸料，它具有优越的电气性能和耐腐蚀性能、收缩率低、强度高、成型方便、质轻及工程设计容易灵活等特点，特别适合工业化大规模生产。其机械性能可以与部分金属材料相媲美，因而广泛应用于运输车辆、建筑、电子/电气等行业中。但是它的成本较高。随着国内SMC(片状塑料)生产制造技术、模压成型技术的不断提高，模具成本的降低、政府对工作环境等要求的提高，原来许多由手糊、喷射等工艺进行成型的产品，固化时间长、生产效率低、劳动力大、对环境有污染，开始逐步使用SMC模压成型工艺。国内SMC已广泛应用于电器工业，如开关柜外壳、灭弧片、隔护板等；用于汽车、拖拉机驾驶室外壳，火车车厢窗框、坐祷；建筑用设施，如浴盆、净化槽等。

目前，兰博基尼推出SUV车型，它的复合锻造将短切碳纤维和树脂预混，放入钢制模具，然后加热加压，三分钟后，即可完成，整个加工周期较原来的预浸12小时和RTM工艺3小时大大缩短，大大降低了生产成本。因此，无论是产业、产品和市场，还是企业本身，都对这类技术有强烈的需求，不仅需要更先进的低成本碳纤维制备技术，还需要更先进的碳纤维复合材料制备工艺。

发明内容

本实用新型的目的是开发低成本碳纤维复合材料成形工艺，以满足大量、流水线生产的要求，同时大幅降低成本。本实用新型提供一种低成本的碳纤维增强聚合物基复合板材及其制备方法。

一种碳纤维增强聚合物基复合板材，其在聚合物基材中包含有10～30w％的碳纤维。

所述复合板材具体形式包括以下3种：

A、由聚合物基材层和基材层中混合的碳纤维构成。

B、聚合物基材层与碳纤维布交替叠加，并且上下最外层为聚合物基材层。优选地聚合物基材层8～12层，厚度为0.3～0.4mm，碳纤维布3～5层，厚度为1～1.5mm。

C、由上下两层聚合物基材层和中间的碳纤维毡构成。聚合物基材层厚度为0.3～0.4mm，碳纤维毡厚度为2～3cm；碳纤维毡由碳纤维短棒通过梳理成网制毡得到。

制备方法具体步骤如下：

1)按碳纤维占10～30wt％，聚合物占90～70wt％的比例称取原料；