一種纏繞增強纖維、纖維增強複合材料及其製備方法與流程

2024-04-10 00:02:05

本發明屬於複合材料領域，具體涉及一種纏繞增強纖維、纖維增強複合材料及其製備方法。

背景技術：

現有技術中，提高纖維增強複合材料的壓縮強度的方式主要有兩種：一種是通過對樹脂進行改性，以提高樹脂強度、或者提高樹脂與纖維之間的界面力；另一種方式是通過增強纖維的鋪層設計、混雜、或者三維織造等方式來提高纖維織物的強度。

但上述兩種方式存在如下缺陷：第一種方式對於纖維增強複合材料的壓縮強度提升效果有限；第二種方式中，纖維的鋪層和混雜對於纖維增強複合材料的壓縮強度提升效果也並不明顯，而三維織造的設備費用十分昂貴，大大提高了纖維增強複合材料的生產成本。

此外，目前國內外關於提高連續纖維增強複合材料軸向壓縮性能的專利還較少。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種抗彎強度高的纖維增強複合材料，以及一種增強效果好的纏繞增強纖維及其製備方法。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案是：

本發明提供的一種纏繞增強纖維的製備方法包括步驟：

a.緊固：將增強纖維束兩端固定拉緊；

b.纏繞：將多條纏繞纖維束同時纏繞至增強纖維束表面，或者先將一條纏繞纖維束纏繞至增強纖維束表面，再依次將其它纏繞纖維束纏繞至增強纖維束表面。

也就是說，纏繞纖維束是多層而非單層纏繞在增強纖維束表面的。需說明的是，這裡的單層纏繞的定義為：一條纏繞纖維束纏繞在增強纖維束表面；多層纏繞的定義為：多條纏繞纖維束纏繞在增強纖維束表面，並非多條纏繞纖維束層層包裹纏繞在增強纖維束表面。

這樣的多層纏繞可以在不增加纏繞纖維束的密度下大大提高纏繞增強纖維的抗彎強度，在高性能材料領域提供一種新的材料和製備方法。

進一步的，上述纏繞增強纖維的製備方法中所述步驟b中纏繞纖維束纏繞在增強纖維束表面時，控制纏繞纖維的張力在2-8n。這是為了使得纏繞增強後的纏繞增強纖維具有更好的抗彎強度。

進一步的，上述纏繞增強纖維的製備方法中所述步驟a中控制增強纖維束的拉緊張力為2-8n。這是為了在後期製備纖維增強複合材料時控制樹脂流入纖維內部的滲透率，從而使得樹脂與纖維結合適當，滲入的樹脂能夠對纖維本身有增強的作用，但不至於過多影響抗彎強度，最終使得製備的纖維增強複合材料強度更好，耐彎耐折性更優。

進一步的，上述纏繞增強纖維的製備方法中所述增強纖維束的組成纖維為無機纖維；所述纏繞纖維束的組成纖維為有機纖維。無機纖維通常具有高模量和低抗彎強度，當然這裡優選使用的增強纖維束組成纖維為高模量無機纖維，高模量無機纖維即由無機材料組成的纖維，並且其模量不低於176cn/dkex。

進一步優選的，上述纏繞增強纖維的製備方法中所述增強纖維束的組成纖維為碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維中的一種或多種混合；所述纏繞纖維束的組成纖維為丙綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚對苯撐苯並二噁唑纖維中的一種或多種混合。超高分子量聚乙烯纖維是分子量在100萬-500萬的聚乙烯所紡出的高強高模聚乙烯纖維。

進一步的，上述纏繞增強纖維的製備方法中所述纏繞纖維束螺旋纏繞在增強纖維束的表面；所述纏繞纖維束為多條，每條纏繞纖維束在增強纖維束表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為30-75°，每條纏繞纖維束在增強纖維束表面螺旋纏繞的螺旋角相同。螺旋角的定義：增強纖維束所在的圓柱表面上，纏繞纖維束纏繞形成的螺旋線的切線與通過切點的圓柱面直母線之間所夾的銳角；螺旋角相同即每條纏繞纖維束相互之間是平行的。

進一步的，上述纏繞增強纖維的製備方法中所述增強纖維束每束含有1000-12000根增強纖維，所述增強纖維的的規格為594-7200旦；所述纏繞纖維束每束含有50-200根增強纖維，所述纏繞纖維的的規格為5-50旦。

進一步的，上述纏繞增強纖維的製備方法中所述多條纏繞纖維束每條之間的間隔相等，其間隔為2-6mm。這是為了進一步提高增強複合材料的壓縮強度和壓縮性能。

進一步優選的，上述纏繞增強纖維的製備方法中所述纏繞纖維束包括兩條纏繞纖維束：第一纏繞纖維束和第二纏繞纖維束；所述第一纏繞纖維束與第二纏繞纖維束之間的距離相等。纏繞纖維束的數量為兩束，即纏繞增強纖維是雙層纏繞的方式，這對於生產設備來說更好調整，同時製備的纏繞增強纖維的抗彎強度較優。

本發明還提供一種纏繞增強纖維，按照如上所述的製備方法製備而得。

本發明還提供一種纖維增強複合材料，其包括如上所述的纏繞增強纖維和樹脂；所述纏繞增強纖維和樹脂的體積比為(45-60)：(40-55)。多條纏繞增強纖維平行排列均勻分布在樹脂內，兩者可以通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝進行成型，也可以通過其它方式複合在一起形成纖維增強樹脂材料。

綜上所述，本發明提供的纏繞增強纖維通過在增強纖維束外表面纏繞上多層纏繞纖維束，使得增強複合材料的壓縮強度和壓縮性能能夠較原增強纖維束提高50％左右，比單層纏繞的纖維增強複合材料的抗彎強度高25％左右，該方法簡單易操作，生產設備改動和調整較小，能夠便於普遍推廣，利用簡單的方法獲得高性能纖維，為高性能紡織材料領域提供一種新途徑，也符合集約型產業發展的趨勢。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明具體實施方式中的技術方案，下面將對具體實施方式描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1為本發明一實施例提供的纏繞增強纖維的結構示意圖；

圖2為本發明一實施例提供的單層纏繞纖維增強複合材料的破壞試驗的斷面照片；

圖3為本發明一實施例提供的雙層纏繞纖維增強複合材料的破壞試驗的斷面照片；

圖4為本發明實施例中無纏繞、單層纏繞、雙層纏繞的纖維增強複合材料的抗彎強度對比圖。

具體實施方式

下面結合圖1至圖4以及具體的實施例對本發明做進一步說明。需要說明的是，本發明所記載的實施例僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

實施例1

將增強纖維束1兩端固定拉緊，控制增強纖維束1的拉緊張力為8n；將兩條纏繞纖維束同時螺旋纏繞至增強纖維束1表面，控制纏繞纖維的張力在6n。每條纏繞纖維束在增強纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為45°，每條纏繞纖維束在增強纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角相同，且兩條纏繞纖維束之間的距離為4mm。

增強纖維束1的組成纖維為碳纖維，每束含有5000根增強纖維，所述增強纖維的的規格為1000旦；纏繞纖維束的組成纖維為丙綸纖維，每束含有150根增強纖維，所述纏繞纖維的的規格為40旦。.

為更直觀的理解，上述文字結合附圖闡述如下：製備所得纏繞增強纖維如圖1所示，所述纏繞纖維束包括兩條纏繞纖維束：第一纏繞纖維束2和第二纏繞纖維束3，第一纏繞纖維束2的螺旋角α為45°，第二纏繞纖維束3的螺旋角β也為45°。

將按上述方法製得的纏繞增強纖維和環氧樹脂按體積比為60：40，在固化劑的作用下通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝進行成型得纖維增強複合材料。

實施例2

將增強纖維束1兩端固定拉緊，控制增強纖維束1的拉緊張力為6n；將兩條纏繞纖維束同時螺旋纏繞至增強纖維束1表面，控制纏繞纖維的張力在2n。每條纏繞纖維束在增強纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為60°，每條纏繞纖維束在增強纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角相同，且兩條纏繞纖維束之間的距離為2mm。

增強纖維束1的組成纖維為玄武巖纖維，每束含有1000根增強纖維，所述增強纖維的的規格為594旦；纏繞纖維束的組成纖維為聚對苯撐苯並二噁唑纖維，每束含有100根增強纖維，所述纏繞纖維的的規格為10旦。

將按上述方法製得的纏繞增強纖維和環氧樹脂按體積比為45：55，在固化劑的作用下通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝進行成型得纖維增強複合材料。

實施例3

將增強纖維束1兩端固定拉緊，控制增強纖維束1的拉緊張力為2n；先將一條纏繞纖維束纏繞至增強纖維束1表面，再將另一條纏繞纖維束纏繞至增強纖維束1表面，控制纏繞纖維的張力在8n。每條纏繞纖維束在增強纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為30°，每條纏繞纖維束在增強纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角相同，且兩條纏繞纖維束之間的距離為6mm。

增強纖維束1的組成纖維為玻璃纖維，每束含有10000根增強纖維，所述增強纖維的的規格為6000旦；纏繞纖維束的組成纖維為超高分子量聚乙烯纖維，每束含有50根增強纖維，所述纏繞纖維的的規格為45旦。

將按上述方法製得的纏繞增強纖維和環氧樹脂按體積比為55：50，在固化劑的作用下通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝進行成型得纖維增強複合材料。

對比例1

1.無纏繞纖維增強複合材料cfrp：增強纖維和環氧樹脂按體積比為50：50，在固化劑的作用下通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝進行成型得cfrp。增強纖維為碳纖維束，規格：每束含有3000根增強纖維，所述增強纖維的的規格為1000旦。

2.單層纏繞纖維增強複合材料scy/cfrp：單層纏繞增強纖維和環氧樹脂按體積比為50：50，在固化劑的作用下通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝進行成型得scy/cfrp。所用單層纏繞增強纖維按如下方法製備：

將增強纖維束1兩端固定拉緊，控制增強纖維束1的拉緊張力為6n；將一條纏繞纖維束同時螺旋纏繞至增強纖維束1表面，控制纏繞纖維的張力在6n。纏繞纖維束在增強纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為45°，纏繞纖維束在圓柱形增強纖維束1的母線上的間距為4mm。

增強纖維束1的組成纖維為碳纖維，每束含有3000根增強纖維，所述增強纖維的的規格為1000旦；纏繞纖維束的組成纖維為丙綸纖維，每束含有150根增強纖維，所述纏繞纖維的的規格為40旦。

3.雙層纏繞纖維增強複合材料dcy/cfrp：雙層纏繞增強纖維和環氧樹脂按體積比為50：50，在固化劑的作用下通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝進行成型得dcy/cfrp。所用單層纏繞增強纖維按如下方法製備：

將增強纖維束1兩端固定拉緊，控制增強纖維束1的拉緊張力為6n；將兩條纏繞纖維束同時螺旋纏繞至增強纖維束1表面，控制纏繞纖維的張力在6n。每條纏繞纖維束在增強纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為45°，每條纏繞纖維束在增強纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角相同，且兩條纏繞纖維束之間的距離為4mm。

增強纖維束1的組成纖維為碳纖維，每束含有3000根增強纖維，所述增強纖維的的規格為1000旦；纏繞纖維束的組成纖維為丙綸纖維，每束含有150根增強纖維，所述纏繞纖維的的規格為40旦。

將製備所得cfrp、scy/cfrp、dcy/cfrp進行抗彎測試，壓力方向垂直於增強纖維長度方向：

測試樣片尺寸：長78mm、寬12.5±0.5mm、高2±0.2mm，按照標準jisk7076-1991進行測試，測試結果如圖2、圖3、圖4所示。

從圖2可以看出單層纏繞纖維增強複合材料在破壞試驗中，整片的破壞效果明顯，斷面斷裂徹底且斷裂點較為集中，說明其抗彎強度較差，並且易從某點開始失效，進而引發整片斷裂；從圖2可以看出雙層纏繞纖維增強複合材料在破壞試驗中，斷面斷裂並不徹底，且斷裂面十分不平整，說明其抗彎強度較好，不易因某點的失效引發整片的斷裂。

將cfrp、scy/cfrp、dcy/cfrp三者的測試結果集中對比顯示於圖4中，可以看出，雙層纏繞纖維增強複合材料的抗彎強度遠大於無纏繞或單層纏繞纖維增強複合材料。