一种工字梁状碳纤维复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种工字梁状碳纤维复合材料的制备方法。

背景技术

碳纤维是含碳量较高且热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经过热稳定氧化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，其外形有显著的各项异性、柔软，可加工成各种织物，碳纤维沿纤维轴方向表现出很高的强度，碳纤维比重较小，具有很高的比强度。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料，在要求高温、力学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

随着现代技术的迅猛发展，对材料提出了较高的要求，碳纤维复合材料制作的结构件由于具有高强度、高模量、轻量化的特点有较好的应用前景。现有工字梁主要使用金属材料，它存在重量大，耐腐蚀性能差、使用周期短等缺点，而碳纤维复合材料具有比强度和比模量高、制件力学性能优异、安全性高、可设计性和零部件一体化成型等特点广泛应用在各个领域，充分满足较高装配精度要求。复合材料缠绕成型只能缠绕圆形或者类圆形回转体结构，因其是纤维在张力控制下的配合芯轴做往复运动的成型工艺，而具有凹曲面的结构件，纤维在缠绕时因张力作用会在凹曲面上形成架空，所以缠绕成型无法实现制备具有凹曲面的结构件，即无法采用缠绕成型工艺实现自动化缠绕工字梁结构件。热压罐成型和模压成型可以实现工字梁的成型，但都只能依靠工人手工对预先裁切好的料片进行一片一片的手工铺层，不但人工成本高，而且铺层角度偏差大，产品结构里面的纤维被切断，不能保持纤维连续，导致工字梁这种力学结构件存在不可控的隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种工字梁状碳纤维复合材料的制备方法，以解决缠绕成型制得的工字梁状碳纤维复合材料因纤维不连续导致强度低、制备工艺复杂、生产效率低的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种工字梁状碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将碳纤维制备成碳纤维预浸带；

S2：将碳纤维预浸带在模具01表面采用干法缠绕成型为厚度为2-3mm的预制体，然后脱模，将预制体在工字梁模具02中压制成工字梁状，随后在真空下加热固化，待产品冷却至50-55℃后脱模，得到工字梁状碳纤维复合材料。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，步骤S1具体为：将碳纤维原丝展开，先在75-85℃下热压辊，随后在2-7℃下冷压辊，最后收卷，制得碳纤维预浸带。

进一步，碳纤维预浸带的宽度为8-50mm、厚度为0.2-0.3mm、树脂含量为35-40％、面密度为150-200g/m

进一步，步骤S2还包括在缠绕成型前对模具01进行除污处理，然后涂覆脱模剂。

进一步，脱模剂为870K、S156或770NC脱模剂。

进一步，缠绕成型的方式为螺旋缠绕±30°-±70°、环向缠绕88°-90°或纵向缠绕±7°-±30°中任意两种交替缠绕成型。

进一步，步骤S2中工字梁状预制体的高为120mm、宽为80mm、厚度为5mm、表面周长为580mm。

进一步，固化时的真空度为-0.09～-0.095MPa，固化压强为4-8bar，固化时的升温速率为1-3℃/min，固化温度为65-130℃，固化时间为3-10h，冷却速率为1-2℃/min。

进一步，固化时的温度为阶梯温度。

本发明还公开了一种工字梁状碳纤维复合材料的制备方法制得的工字梁状碳纤维复合材料。

本发明的有益效果为：

(1)本发明利用复合材料缠绕成型工艺，使用定宽碳纤维预浸带缠绕，相比于传统的预浸料铺贴工艺，节省了铺层人工约32h，利用设备自动化铺层，提高生产效率，且能制备出表面光滑的碳纤维复合材料工字梁成品。

(2)本发明碳纤维复合材料工字梁成品提供了缠绕成型+热压罐成型相结合的工字梁的制备工艺，在铺层过程中整个工字梁内部无纤维断点(图2)，相比于传统铺层(预浸料料片裁切成小片，人工一片一片料片手工铺敷，料片之间全是纤维断点，如图3所示)，提升了纤维连续化率。

附图说明

图1为圆形缠绕预制成型体示意图；

图2为本发明成型铺层的截面示意图；

图3为传统手工成型铺层的截面示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

一种工字梁状碳纤维复合材料，其制备方法，包括以下步骤：

S1：将碳纤维原丝展开，先在80℃下热压辊，随后在5℃下冷压辊，最后收卷，制得碳纤维预浸带，碳纤维预浸带的宽度为30mm、厚度为0.2mm、树脂含量为37％、面密度为100g/m

S2：准备直径为185mm、高度为2000mm的圆柱形模具01(如图1所示)，并去除模具01上的油污、粉尘等杂质，除污后的模具01表面无明显划痕，合模缝无阶差；随后涂覆870K脱模剂，然后将碳纤维预浸带在模具01表面采用干法缠绕成型为厚度为2.5mm的预制体，缠绕方式为螺旋缠绕角度30°和环向缠绕角度88°两种方式交替缠绕成型；随后脱模，将预制体在工字梁模具02中压制成高为120mm、宽为80mm、厚度为5mm、表面周长为580mm的工字梁状预制体；

S3：设置热压罐的真空度为-0.09MPa、压强为6bar，随后将工字梁状预制体置于热压罐中以2℃/min的升温速率加热固化，先升温至100℃固化1h，然后升温至130℃固化2h，最后以1℃/min的降温速率下降至53℃，脱模，得到工字梁状碳纤维复合材料，其成型铺层的截面如图2所示。

实施例2：

一种工字梁状碳纤维复合材料，其制备方法，包括以下步骤：

S1：将碳纤维原丝展开，先在75℃下热压辊，随后在2℃下冷压辊，最后收卷，制得碳纤维预浸带，碳纤维预浸带的宽度为8mm、厚度为0.3mm、树脂含量为40％、面密度为200g/m

S2：准备直径为185mm、高度为2000mm的圆柱形模具01，并去除模具01上的油污、粉尘等杂质，除污后的模具01表面无明显划痕，合模缝无阶差；随后涂覆S156脱模剂，然后将碳纤维预浸带在模具01表面采用干法缠绕成型为厚度为2mm的预制体，缠绕方式为螺旋缠绕角度-70°和纵向缠绕角度-30°两种方式交替缠绕成型；随后脱模，将预制体在工字梁模具02中压制成高为120mm、宽为80mm、厚度为5mm、表面周长为580mm的工字梁状预制体；

S3：设置热压罐的真空度为-0.09MPa、压强为8bar，随后将工字梁状预制体置于热压罐中以1℃/min的升温速率加热固化，先升温至65℃固化5h，然后升温至125℃固化5h，最后以1℃/min的降温速率下降至55℃，脱模，得到工字梁状碳纤维复合材料。

实施例3：

一种工字梁状碳纤维复合材料，其制备方法，包括以下步骤：

S1：将碳纤维原丝展开，先在85℃下热压辊，随后在7℃下冷压辊，最后收卷，制得碳纤维预浸带，碳纤维预浸带的宽度为50mm、厚度为0.2mm、树脂含量为35％、面密度为150g/m

S2：准备直径为185mm、高度为2000mm的圆柱形模具01，并去除模具01上的油污、粉尘等杂质，除污后的模具01表面无明显划痕，合模缝无阶差；随后涂覆770NC脱模剂，然后将碳纤维预浸带在模具01表面采用干法缠绕成型为厚度为3mm的预制体，缠绕方式为环向缠绕角度90°和纵向缠绕角度-7°两种方式交替缠绕成型；随后脱模，将预制体在工字梁模具02中压制成高为120mm、宽为80mm、厚度为5mm、表面周长为580mm的工字梁状预制体；

S3：设置热压罐的真空度为-0.095MPa、压强为4bar，随后将工字梁状预制体置于热压罐中以3℃/min的升温速率加热固化，先升温至80℃固化4h，然后升温至130℃固化3h，最后以2℃/min的降温速率下降至50℃，脱模，得到工字梁状碳纤维复合材料。

实验例：

对实施例1-3制得的工字梁状碳纤维复合材料取样进行性能测试，方法如下：

(1)弯曲强度：参考ASTM D7264《聚合物基复合材料弯曲性能标准测试方法》的标准进行性能测试；

(2)弯曲刚性：参考ASTM D7264《聚合物基复合材料弯曲性能标准测试方法》的标准进行性能测试；

(3)层剪强度：参考ASTM D2344《聚合物基复合材料层间剪切性能标准测试方法》的标准进行性能测试；

测试结果见表1：

表1性能测试数据

结果分析：由表1可知，本发明提供的工字梁状碳纤维复合材料在具有较好刚性的同时韧性和强度较好，其中，弯曲强度在713.4MPa以上，弯曲模量在48.9GPa以上，层间剪切强度在65.9MPa以上。