車用碳纖維複合加強板及其製備方法與流程
2023-12-02 06:36:02 1
本公開涉及汽車製造領域，具體地，涉及一種車用碳纖維複合加強板及其製備方法。
背景技術：
：碳纖維具有比強度高、比模量高、質輕、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹係數小、摩擦係數低、耐高低溫等優良性能，以及脆性高，軸向受力大，而徑向受力較差，彎曲易折斷等特點，目前已被廣泛的應用。在汽車行業，碳纖維的應用範圍不斷加大，應用技術也不斷成熟，碳纖維被用於汽車的各個部分，包括結構件及外覆件。但目前碳纖維價格較高，一定程度上限制了其應用的範圍。技術實現要素：本公開的目的是提供一種簡單實用的車用碳纖維複合加強板及其製備方法。為了實現上述目的，本公開提供一種車用碳纖維複合加強板的製備方法，該製備方法包括：將填充有氣凝膠的蜂窩布浸漬在第一模壓材料中，然後取出進行第一模壓成型，得到蜂窩層；將所得蜂窩層的兩側覆蓋碳纖維層，然後採用第二模壓材料進行第二模壓成型，得到內複合層；將微發泡樹脂材料通過溼法微發泡成型的方式覆蓋在所述內複合層的外側，得到包括內複合層和外複合層的複合加強板。可選的，所述第一模壓成型的條件包括：溫度為100-150℃，壓力為5-30兆帕，時間為10-30分鐘；所述第一模壓材料為環氧樹脂和/或酚醛樹脂；所述蜂窩布的厚度為0.5-10毫米；蜂窩布的蜂窩芯為正六邊形，其斜邊的長度為5-50毫米，厚度為0.2-0.8毫米；所述蜂窩布、氣凝膠和第一模壓材料的重量比為1：(0.01-0.2)：(0.1-5)。可選的，所述第二模壓成型的條件包括：溫度為120-230℃，壓力為10-60兆帕，時間為10-60分鐘；所述第二模壓材料包括第二模壓樹脂和改性石墨烯，所述改性石墨烯佔第二模壓樹脂重量的0.01-2.0重量％；所述第二模壓樹脂為環氧樹脂和/或聚氨酯樹脂，所述改性石墨烯為氧化石墨烯經過(3-環氧丙基)三甲氧基矽烷和/或(3-氨基丙基)三甲氧基矽烷改性而得；以內複合層的重量為基準，所述內複合層中碳纖維的含量為30-60重量％，第二模壓材料的含量為20-65重量％；單層碳纖維層的厚度為0.2-5毫米，所述內複合層中碳纖維層的層數為5-20層。可選的，所述溼法微發泡成型的條件包括：溫度為100-160℃，壓力為10-60mpa，時間為10-60分鐘；所述微發泡樹脂材料包括發泡劑以及選自環氧樹脂、聚氨酯樹脂和酚醛樹脂中的至少一種樹脂，所述發泡劑佔所述微發泡樹脂材料的重量比例為0.3-10重量％，微發泡樹脂材料中的樹脂與碳纖維層的重量比為1：(3-30)；所述外複合層的厚度為0.5-5毫米。可選的，所述複合加強板的厚度為2毫米-3釐米。本公開還提供一種車用碳纖維複合加強板，所述複合加強板包括內複合層和外複合層，所述內複合層包括蜂窩層和碳纖維層，所述蜂窩層包括填充有氣凝膠的蜂窩布和模壓成型在所述蜂窩布外側的第一模壓材料；所述碳纖維層通過第二模壓材料模壓成型在所述蜂窩層的外側；所述外複合層為溼法微發泡成型在所述內複合層外側的微發泡樹脂層。可選的，所述第一模壓材料為環氧樹脂和/或酚醛樹脂；所述蜂窩布的厚度為0.5-10毫米，蜂窩芯為正六邊形，其斜邊的長度為5-50毫米，厚度為0.2-0.8毫米；所述蜂窩布、氣凝膠和第一模壓材料的重量比為1：(0.01-0.2)：(0.1-5)。可選的，所述第二模壓材料包括第二模壓樹脂和改性石墨烯，所述改性石墨烯佔第二模壓樹脂重量的0.01-2.0重量％；所述第二模壓樹脂為環氧樹脂和/或聚氨酯樹脂，所述改性石墨烯為氧化石墨烯經過(3-環氧丙基)三甲氧基矽烷和/或(3-氨基丙基)三甲氧基矽烷改性而得；以內複合層的重量為基準，所述內複合層中碳纖維的含量為30-60重量％，第二模壓材料的含量為20-65重量％；單層碳纖維層的厚度為0.2-5毫米，所述內複合層中碳纖維層的層數為5-20層。可選的，所述微發泡樹脂層的材料為選自環氧樹脂、聚氨酯樹脂和酚醛樹脂中的至少一種，所述微發泡樹脂層中微孔體積佔複合加強板總體積的比例為5-30體％，微發泡樹脂層與碳纖維層的重量比為1：(0.3-30)；所述外複合層的厚度為0.5-5毫米。可選的，所述複合加強板的厚度為2毫米-3釐米。本公開將蜂窩布與碳纖維共同使用，既能提高複合加強板的整體剛性，還能夠降低複合加強板的重量和成本。另外，在蜂窩布中加入氣凝膠，從而進一步降低複合加強板的重量和提高抗衝擊性能。本公開的其他特徵和優點將在隨後的具體實施方式部分予以詳細說明。附圖說明附圖是用來提供對本公開的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本公開，但並不構成對本公開的限制。在附圖中：圖1是本公開提供的複合加強板一種具體實施方式的結構示意圖。附圖標記說明1蜂窩層2碳纖維層3微發泡樹脂層具體實施方式以下結合附圖對本公開的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本公開，並不用於限制本公開。本公開提供一種車用碳纖維複合加強板的製備方法，該製備方法包括：將填充有氣凝膠的蜂窩布浸漬在第一模壓材料中，然後取出進行第一模壓成型，得到蜂窩層；將所得蜂窩層的兩側覆蓋碳纖維層，然後採用第二模壓材料進行第二模壓成型，得到內複合層；將微發泡樹脂材料通過溼法微發泡成型的方式覆蓋在所述內複合層的外側，得到包括內複合層和外複合層的複合加強板。根據本公開，碳纖維複合材料的拉伸強度較高，相比鋼而言其拉伸模量略顯不足，因此當拉伸強度滿足要求的時候，拉伸模量卻稍顯不足，在使用中往往需要增加複合材料的厚度，來提升整體剛性，從而進一步增大了碳纖維的使用量，增加了材料成本，也降低了減重效果。蜂窩材料是一種優質輕型材料，它質輕、強度大、剛度高，具有緩衝、隔熱和隔音等功能，被廣泛應用於建築業、家具製造、包裝和運輸業，具有較高的經濟價值，並可回收利用。同時可節約大量的資源，保護和改善生態環境，是一種符合世紀發展主題的環保新型材料。將碳纖維與蜂窩材料複合使用可使二者的優勢互補，增加複合加強板的剛性，並進一步降低複合加強板的重量，得到綜合性能優異的複合加強板。同時二者複合使用，可以降低碳纖維複合材料較高的材料成本和使用價格，在保證材料高強高模的情況下，又具備了耐衝擊性能、隔熱、隔音等功能，並擴大碳纖維應用範圍。根據本公開，模壓成型是本領域技術人員所熟知的，一般指將待成型材料放置於模具型腔中在一定成型溫度和壓力下進行保壓一段時間，得到成型材料的方法，所述第一模壓成型和第二模壓成型可以採用常規的成型方法和條件進行成型。一種具體實施方式，所述第一模壓成型的條件包括：溫度為100-150℃，壓力為5-30兆帕，時間為10-30分鐘；所述第一模壓材料可以為環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯酯樹脂、不飽和聚酯樹脂、雙馬來醯胺樹脂、雙馬來醯胺三嗪樹脂、氰酸酯樹脂、苯並噁嗪樹脂、丙烯酸系樹脂和聚氨酯樹脂等，優選為環氧樹脂和/或酚醛樹脂；蜂窩布是一種由蜂窩芯相互連接構成的蜂窩材料，其結構為本領域技術人員所熟知的，例如所述蜂窩布的厚度可以為0.5-10毫米；蜂窩布的蜂窩芯可以為正六邊形，其斜邊的長度可以為5-50毫米，厚度可以為0.2-0.8毫米；蜂窩布中可以填充有氣凝膠，然後通過浸漬第一模壓材料的方式將氣凝膠包圍在蜂窩芯中以方便進行模壓成型，氣凝膠可以進一步降低複合材料的整體質量，並獲得優異的隔熱性能，且熱穩定性好，膨脹係數低，所述蜂窩布、氣凝膠和第一模壓材料的重量比優選為1：(0.01-0.2)：(0.1-5)。另一種具體實施方式，所述第二模壓成型的條件包括：溫度為120-230℃，壓力為10-60兆帕，時間為10-60分鐘；所述第二模壓材料包括第二模壓樹脂和改性石墨烯，改性石墨烯作為相容劑使用，所述改性石墨烯佔第二模壓樹脂重量的0.01-2.0重量％；所述第二模壓樹脂可以為環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯酯樹脂、不飽和聚酯樹脂、雙馬來醯胺樹脂、雙馬來醯胺三嗪樹脂、氰酸酯樹脂、苯並噁嗪樹脂、丙烯酸系樹脂和聚氨酯樹脂等，優選為環氧樹脂和/或聚氨酯樹脂，所述改性石墨烯可以為氧化石墨烯經過(3-環氧丙基)三甲氧基矽烷(簡稱為gpts，結構式為)和/或(3-氨基丙基)三甲氧基矽烷(簡稱為apts，結構式為)改性而得，氧化石墨烯為氧化法製備石墨烯的中間產物，氧化石墨烯表面具有許多羥基、環氧基、羰基、羧基等含氧基團，可以進行功能化改性，與樹脂反應結合，而石墨烯的碳基部分可以與碳纖維相似相容，降低碳纖維與樹脂的極性差異，來增強複合材料的層間剪切力，提高碳纖維複合加強板的層間結合強度；同時石墨烯具有高強，耐磨，自潤滑等特點，從而增加加強板的耐磨性；所述碳纖維層為碳纖維機織布，通過鋪層的形式將填充有氣凝膠的蜂窩布置於碳纖維層中間，然後採用第二模壓成型材料進行模壓成型，得到內複合層。以內複合層的重量為基準，所述內複合層中碳纖維的含量可以為30-60重量％，第二模壓材料的含量可以為20-65重量％；單層碳纖維層的厚度可以為0.2-5毫米，所述內複合層中碳纖維層的層數可以為5-20層。根據本公開，溼法微發泡成型是指將樹脂和發泡劑放入模具內將內複合層作為嵌入層進行加熱，並使發泡劑在樹脂中產生氣泡，從而形成有微孔的樹脂材料，其條件是本領域技術人員所熟知的，例如，所述溼法微發泡成型的條件可以包括：溫度為100-160℃，壓力為10-60mpa，時間為10-60分鐘；所述微發泡樹脂材料可以包括發泡劑以及選自環氧樹脂、聚氨酯樹脂和酚醛樹脂中的至少一種樹脂，所述發泡劑佔所述微發泡樹脂材料的重量比例為0.3-10重量％，微發泡樹脂材料中的樹脂與碳纖維層的重量比為1：(3-30)。發泡劑是本領域技術人員所熟知的，例如可以是無機發泡劑、有機發泡劑和超臨界流體發泡劑等，本公開不再贅述。根據本公開，外複合層採用溼法微發泡成型，具有吸收衝擊載荷的能力、優良的緩衝減震性能、隔音吸音性能和優良的電絕緣性能，且熱導率低，隔熱性能好；在保證了高模高強的同時，降低複合加強板的密度，有效提高了碳纖維抗衝擊性能，進而減少車內噪音、振動、提高車內舒適度，並具有很好的隔熱性能。所述外複合層的厚度優選為0.5-5毫米。根據本公開，複合加強板的具體尺寸可以根據需要進行成型，一般來說，所述複合加強板的厚度可以為2毫米-3釐米。本公開還提供一種車用碳纖維複合加強板，所述複合加強板包括內複合層和外複合層，所述內複合層包括蜂窩層1和碳纖維層2，所述蜂窩層1包括填充有氣凝膠的蜂窩布和模壓成型在所述蜂窩布外側的第一模壓材料；所述碳纖維層2通過第二模壓材料模壓成型在所述蜂窩層1的外側；所述外複合層為溼法微發泡成型在所述內複合層外側的微發泡樹脂層3。根據本公開，碳纖維複合材料的拉伸強度較高，相比鋼而言其拉伸模量略顯不足，因此當拉伸強度滿足要求的時候，拉伸模量卻稍顯不足，在使用中往往需要增加複合材料的厚度，來提升整體剛性，從而進一步增大了碳纖維的使用量，增加了材料成本，也降低了減重效果。蜂窩材料是一種優質輕型材料，它質輕、強度大、剛度高，具有緩衝、隔熱和隔音等功能，被廣泛應用於建築業、家具製造、包裝和運輸業，具有較高的經濟價值，並可回收利用。同時可節約大量的資源，保護和改善生態環境，是一種符合世紀發展主題的環保新型材料。本公開的製備方法將碳纖維與蜂窩材料複合使用可使二者的優勢互補，增加複合加強板的剛性，並進一步降低複合加強板的重量，得到綜合性能優異的複合加強板。同時二者複合使用，可以降低碳纖維複合材料較高的材料成本和使用價格，在保證材料高強高模的情況下，又具備了耐衝擊性能、隔熱、隔音等功能，並擴大碳纖維應用範圍。根據本公開，所述第一模壓材料可以為環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯酯樹脂、不飽和聚酯樹脂、雙馬來醯胺樹脂、雙馬來醯胺三嗪樹脂、氰酸酯樹脂、苯並噁嗪樹脂、丙烯酸系樹脂和聚氨酯樹脂等，優選為環氧樹脂和/或酚醛樹脂；蜂窩布是一種由蜂窩芯相互連接構成的蜂窩材料，其結構為本領域技術人員所熟知的，例如所述蜂窩布的厚度可以為0.5-10毫米；蜂窩布的蜂窩芯為正六邊形，其斜邊的長度為10-50毫米，厚度為0.2-0.8毫米；蜂窩布中可以填充有氣凝膠，然後通過浸漬第一模壓材料的方式將氣凝膠包圍在蜂窩芯中以方便進行模壓成型，氣凝膠可以進一步降低複合材料的整體質量，並獲得優異的隔熱性能，且熱穩定性好，膨脹係數低，所述蜂窩布、氣凝膠和第一模壓材料的重量比優選為1：(0.01-0.2)：(0.1-5)。根據本公開，所述第二模壓材料包括第二模壓樹脂和改性石墨烯，改性石墨烯作為相容劑使用，所述改性石墨烯佔第二模壓樹脂重量的0.01-2.0重量％；所述第二模壓樹脂可以為環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯酯樹脂、不飽和聚酯樹脂、雙馬來醯胺樹脂、雙馬來醯胺三嗪樹脂、氰酸酯樹脂、苯並噁嗪樹脂、丙烯酸系樹脂和聚氨酯樹脂等，優選為環氧樹脂和/或聚氨酯樹脂，所述改性石墨烯可以為氧化石墨烯經過(3-環氧丙基)三甲氧基矽烷(簡稱為gpts，結構式為)和/或(3-氨基丙基)三甲氧基矽烷(簡稱為apts，結構式為)改性而得，氧化石墨烯為氧化法製備石墨烯的中間產物，氧化石墨烯表面具有許多羥基、環氧基、羰基、羧基等含氧基團，可以進行功能化改性，與樹脂反應結合，而石墨烯的碳基部分可以與碳纖維相似相容，降低碳纖維與樹脂的極性差異，來增強複合材料的層間剪切力，提高碳纖維複合加強板的層間結合強度；同時石墨烯具有高強，耐磨，自潤滑等特點，從而增加加強板的耐磨性；所述碳纖維層為碳纖維機織布，通過鋪層的形式將填充有氣凝膠的蜂窩布置於碳纖維層中間，然後採用第二模壓成型材料進行模壓成型，得到內複合層。以內複合層的重量為基準，所述內複合層中碳纖維的含量可以為30-60重量％，第二模壓材料的含量可以為20-65重量％；單層碳纖維層的厚度可以為0.2-5毫米，所述內複合層中碳纖維層的層數可以為5-20層。根據本公開，所述微發泡樹脂材料可以包括發泡劑以及選自環氧樹脂、聚氨酯樹脂和酚醛樹脂中的至少一種樹脂，所述微發泡樹脂層中微孔體積佔複合加強板總體積的比例為5-30體％，微發泡樹脂層與碳纖維層的重量比為1：(0.3-30)。根據本公開，外複合層採用溼法微發泡成型，具有吸收衝擊載荷的能力、優良的緩衝減震性能、隔音吸音性能和優良的電絕緣性能，且熱導率低，隔熱性能好；在保證了高模高強的同時，降低複合加強板的密度，有效提高了碳纖維抗衝擊性能，進而減少車內噪音、振動、提高車內舒適度，並具有很好的隔熱性能。所述外複合層的厚度優選為0.5-5毫米。根據本公開，複合加強板的具體尺寸可以根據需要進行成型，一般來說，所述複合加強板的厚度可以為2毫米-3釐米。下面通過實施例來進一步說明本公開，但是並不因此而限制本公開。本公開的複合加強板的拉伸強度和拉伸模量採用國家標準gb/t1447-2005進行測定。本公開的複合加強板的抗衝擊性能測試採用國家標準gb/t1451-2005進行測定。本公開的複合加強板的密度採用國家標準gb/t1463-2005進行測定。本公開的複合加強板的微孔體積比例採用國家標準gb/t10799-2008進行測定。本公開的複合加強板的層間剪切強度採用纖維增強塑料層間剪切強度試驗方法gb/t1450.1-2005進行測定。本公開的複合加強板的彎曲強度和彎曲模量採用纖維增強塑料彎曲性能試驗方法gb/t1449-2005進行測定。製備實施例將1g氧化石墨烯(常州第六元素材料科技股份有限公司，3-10層氧化石墨烯)加入1l溶液中(水：乙醇＝1:3(體積比))，充分攪拌，之後加入0.1mol的(3-環氧丙基)三甲氧基矽烷(gpts)，攪拌並超聲震蕩1h，之後在70℃下回流2-6h，黑色固態產物在10000rpm離心30min，收集離心物，並用800ml溶液(水：乙醇＝1:3(體積比))洗滌3次，得到改性石墨烯收集並放入丙酮中保存待用，避免改性氧化石墨烯團聚。實施例1將氣凝膠(深圳中凝科技有限公司)填充入厚度為3毫米、六邊形蜂窩芯的斜邊長度為10毫米和厚度為0.4毫米的蜂窩布(蘇州貝芯蜂窩科技公司)中，然後採用熔化後的環氧樹脂(亨斯邁公司)進行浸漬，浸漬後的蜂窩布放入模具型腔中，然後在110℃、15兆帕下進行第一模壓成型20分鐘，得到蜂窩層。將碳纖維(日本東麗公司t700碳纖維)採用機織布編織層厚度為0.25毫米的單層碳纖維層。將12層碳纖維層鋪設在蜂窩層的兩側，並放入模具型腔中，然後加入製備實施例所製備的改性石墨烯和環氧樹脂(亨斯邁公司)的混合物在160℃、25兆帕下進行第二模壓成型35分鐘，得到內複合層。將內複合層進行冷卻降溫後放入另一個模具型腔中，並在內複合層的上下分布環氧樹脂顆粒(亨斯邁公司)和發泡劑(杭州海虹精細化工有限公司，ac發泡劑)在140℃、20兆帕下進行溼法微發泡成型15分鐘，冷卻後得到複合加強板，複合加強板的具體組成見表1和具體性質見表2。實施例2實施例2的製備步驟與實施例1基本相同，不同之處在於採用相同重量的氧化石墨烯替代改性石墨烯，所得複合加強板的具體組成見表1和具體性質見表2。對比例1對比例1的製備步驟與實施例1基本相同，不同之處在於不採用氣凝膠進行填充蜂窩布，而是採用相同體積的環氧樹脂(亨斯邁公司)進行填充，所得複合加強板的具體性質見表2。以上結合附圖詳細描述了本公開的優選實施方式，但是，本公開並不限於上述實施方式中的具體細節，在本公開的技術構思範圍內，可以對本公開的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本公開的保護範圍。另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重複，本公開對各種可能的組合方式不再另行說明。此外，本公開的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本公開的思想，其同樣應當視為本公開所公開的內容。表1表2實施例實施例1實施例2對比例1拉伸強度/mpa942.8894.6929.1拉伸模量/gpa51.447.650.8彎曲強度/mpa2074.31885.31998.5彎曲模量/gpa103.792.6101.6衝擊強度/kj/m2184.5158.6171.5密度/g/cm30.9910.9861.41層間剪切強度/mpa86.567.482.5微孔體積比例/％10.6％11.4％11.1％當前第1頁12