本公開(kāi)涉及材料制備
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地，涉及一種熱塑性碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：碳纖維復(fù)合材料是將碳纖維與樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合所制成的結(jié)構(gòu)材料，其具有耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定、密度低、力學(xué)性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因而在航空、航天和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的迅速拓展也對(duì)材料技術(shù)性能的改進(jìn)提出了更進(jìn)一步的要求。目前熱塑性碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品主要有兩種制備方法，第一種方法是在碳纖維布鋪覆完成后，將熱塑性樹(shù)脂熔融后浸漬碳纖維布，再冷卻制成零部件，該技術(shù)的缺陷在于熱塑性樹(shù)脂的高粘度特征增加了其浸漬碳纖維的難度，導(dǎo)致加工的周期長(zhǎng)且樹(shù)脂在體系中分散不均勻，從而影響產(chǎn)品的力學(xué)性能；第二種方法是先將熱塑性樹(shù)脂與碳纖維布復(fù)合制成預(yù)浸料，然后將預(yù)浸料進(jìn)行鋪覆，加熱使熱塑性樹(shù)脂熔融制成目標(biāo)零部件，該技術(shù)的缺陷在于需要對(duì)熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行反復(fù)加熱，加工周期長(zhǎng)，耗能高且反復(fù)加熱導(dǎo)致產(chǎn)品性能降低。因此需要提供一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、力學(xué)性能高、生產(chǎn)周期短的熱塑性碳纖維復(fù)合材料及其制備工藝。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本公開(kāi)的目的是克服現(xiàn)有的熱塑性碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品加工技術(shù)中所存在的上述缺陷，提供一種力學(xué)性能好、制造過(guò)程不需反復(fù)加熱的熱塑性碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本公開(kāi)第一方面：提供一種制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：S1、將連續(xù)碳纖維絲束與熱塑性樹(shù)脂絲束進(jìn)行編織獲得復(fù)合編織物，在所述復(fù)合編織物中，連續(xù)碳纖維絲束呈斜紋編織方式排布，所述熱塑性樹(shù)脂絲束沿斜紋編織所形成的斜向紋路的延伸方向平行編織在所述復(fù)合編織物中；S2、將所述復(fù)合編織物置于模具中進(jìn)行加熱后模壓成型。優(yōu)選地，按重量份計(jì)，所述熱塑性樹(shù)脂絲束的用量為35-60份，所述連續(xù)碳纖維絲束的用量為40-65份。優(yōu)選地，在步驟S2中，加熱的溫度為從15-25℃升溫至熱塑性樹(shù)脂絲束的熔融溫度，并在所述熔融溫度保溫至熱塑性樹(shù)脂絲束完全熔化。優(yōu)選地，復(fù)合編織物中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的夾角為50°-130°；經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束與所述斜向紋路之間的銳角夾角為25°-65°。優(yōu)選地，所述熱塑性樹(shù)脂絲束的直徑為8D-40D，熱塑性樹(shù)脂絲束中熱塑性樹(shù)脂單絲的直徑為80-100μm；所述連續(xù)碳纖維絲束的規(guī)格為6K、12K、24K或48K，所述連續(xù)碳纖維絲束中連續(xù)碳纖維絲的直徑為7-9μm。優(yōu)選地，所述熱塑性樹(shù)脂絲束為聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯和聚酰胺中的至少一種。優(yōu)選地，所述復(fù)合編織物的編織密度為500-700g/m2。優(yōu)選地，所述模壓成型的壓力為0.4-0.7MPa。優(yōu)選地，所述方法還包括將所述復(fù)合編織物剪切為尺寸為長(zhǎng)90-110mm、寬70-90mm的復(fù)合編織物絲段，再對(duì)所述復(fù)合編織物絲段進(jìn)行模壓成型。本公開(kāi)的第二方面，提供一種熱塑性碳纖維復(fù)合材料，該熱塑性碳纖維復(fù)合材料是由本公開(kāi)的第一方面的方法制備得到的。通過(guò)上述技術(shù)方案，本公開(kāi)提供的方法生產(chǎn)過(guò)程的周期短耗能低，所制備的熱塑性碳纖維復(fù)合材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、力學(xué)性能高。本公開(kāi)的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說(shuō)明。附圖說(shuō)明附圖是用來(lái)提供對(duì)本公開(kāi)的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本公開(kāi)，但并不構(gòu)成對(duì)本公開(kāi)的限制。在附圖中：圖1是熱塑性碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品中，連續(xù)碳纖維絲束的排布情況。圖2是實(shí)施例1中在圓柱形芯材表面編織的復(fù)合編織物的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是實(shí)施例1中編織獲得的閉合圓環(huán)狀的復(fù)合編織物。圖4是實(shí)施例1模壓成型后獲得的電池托盤零件。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對(duì)本公開(kāi)的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說(shuō)明和解釋本公開(kāi)，并不用于限制本公開(kāi)。本公開(kāi)第一方面，提供一種制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：S1、將連續(xù)碳纖維絲束與熱塑性樹(shù)脂絲束進(jìn)行編織獲得復(fù)合編織物，在所述復(fù)合編織物中，連續(xù)碳纖維絲束呈斜紋編織方式排布，所述熱塑性樹(shù)脂絲束沿斜紋編織所形成的斜向紋路的延伸方向平行編織在所述復(fù)合編織物中；S2、將所述復(fù)合編織物置于模具中進(jìn)行加熱后模壓成型。其中，所述熱塑性樹(shù)脂絲束為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)和聚酰胺(尼龍，PA)中的至少一種。優(yōu)選的，當(dāng)所述熱塑性樹(shù)脂絲束為PA時(shí)，樹(shù)脂在產(chǎn)品中的分散效果更均勻，產(chǎn)品的力學(xué)性能更高，化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定。其中，所述熱塑性樹(shù)脂絲束的直徑和所述連續(xù)碳纖維絲束的直徑可以為本領(lǐng)域制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料所常規(guī)使用的尺寸，優(yōu)選的，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的力學(xué)性能，所述熱塑性樹(shù)脂絲束的直徑為8D-40D，熱塑性樹(shù)脂絲束中熱塑性樹(shù)脂單絲的直徑為80-100μm；所述連續(xù)碳纖維絲束的規(guī)格為6K、12K、24K或48K，所述連續(xù)碳纖維絲束中連續(xù)碳纖維絲的直徑為7-9μm。根據(jù)本公開(kāi)的第一方面，按重量份計(jì)，所述熱塑性樹(shù)脂絲束的用量為35-60份，所述連續(xù)碳纖維絲束的用量為40-65份；優(yōu)選的，所述熱塑性樹(shù)脂絲束的用量為45-55份，所述連續(xù)碳纖維絲束的用量為45-55份。根據(jù)本公開(kāi)的第一方面，復(fù)合編織物中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的夾角為50°-130°；經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束與所述斜向紋路之間的銳角夾角為25°-65°。所述熱塑性樹(shù)脂絲束是沿所述斜向紋路的延伸方向編織的，所述熱塑性樹(shù)脂絲束與所述經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的銳角夾角為25°-65°。在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述復(fù)合編織物中，熱塑性樹(shù)脂絲束的編織位置可以為斜向紋路中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束的交叉點(diǎn)，在該交叉點(diǎn)處，熱塑性樹(shù)脂絲束位于緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間，從而使得產(chǎn)品中熱塑性樹(shù)脂對(duì)于連續(xù)碳纖維絲束的浸潤(rùn)包裹更為均勻和穩(wěn)固，加強(qiáng)產(chǎn)品在受到不同方向拉伸力時(shí)的強(qiáng)度。根據(jù)本公開(kāi)的第一方面，對(duì)于編織的過(guò)程沒(méi)有特別的限制，只要能夠獲得所述復(fù)合編織物即可，例如，可以使用編織機(jī)完成材料的編織。所述復(fù)合編織物可以為三維編織獲得的具有三維結(jié)構(gòu)的復(fù)合編織物，也可以為二維編織獲得的二維編織布形式的復(fù)合編織物。根據(jù)本公開(kāi)的第一方面，所述復(fù)合編織物的編織密度為500-700g/m2。優(yōu)選的，當(dāng)所述復(fù)合編織物的編織密度為550-600g/m2時(shí)，獲得的復(fù)合材料最終產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度及模量更高?？蛇x的，可以根據(jù)所需要產(chǎn)品的形狀選擇相應(yīng)的編織芯材，在所述編織芯材表面編織三維復(fù)合編織物，編織后將芯材抽出，獲得三維的具有閉合圓環(huán)狀的復(fù)合編織物，而后將這種閉合圓環(huán)狀的復(fù)合編織物鋪放在模具內(nèi)，進(jìn)行加熱及模壓成型，這種利用閉合圓環(huán)狀的復(fù)合編織物獲得的產(chǎn)品可以具有雙層結(jié)構(gòu)，也可根據(jù)所需產(chǎn)品的特點(diǎn)將多個(gè)所述閉合圓環(huán)狀的復(fù)合編織物共同放入模具內(nèi)進(jìn)行模壓成型，從而獲得具有多層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。利用該方法制備所述熱塑性碳纖維復(fù)合材料可以在編織階段即獲得與產(chǎn)品形狀接近的復(fù)合編織物，從而不需要對(duì)復(fù)合編織物進(jìn)行進(jìn)一步的裁剪和鋪層后模壓成型，減少了加工的步驟，而且，產(chǎn)品截面方向的纖維為連續(xù)結(jié)構(gòu)，與裁剪后的織物相比，保存了復(fù)合編織中連續(xù)碳纖維之間形成的力學(xué)結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品在受到平行于碳纖維方向的拉伸力時(shí)具有更好的拉伸強(qiáng)度，力學(xué)性能更好。在一種可選的實(shí)施方式中，可以將所述復(fù)合編織物剪切為尺寸為長(zhǎng)90-110mm、寬70-90mm的復(fù)合編織物絲段，再利用所述絲段為原料，進(jìn)行加熱和模壓成型，獲得所述熱塑性碳纖維復(fù)合材料。根據(jù)本公開(kāi)的第一方面，在步驟S2中，加熱的溫度為從15-25℃升溫至熱塑性樹(shù)脂絲束的熔融溫度，并在所述熔融溫度保溫至熱塑性樹(shù)脂絲束完全熔融。其中，可以通過(guò)利用調(diào)節(jié)模具內(nèi)部的導(dǎo)熱油油溫來(lái)控制模具的溫度。所述模壓成型的壓力為0.4-0.7MPa。根據(jù)本公開(kāi)的第一方面，模壓成型后將產(chǎn)品進(jìn)行冷卻獲得產(chǎn)品，在最終獲得的熱塑性碳纖維復(fù)合材料中，熱塑性樹(shù)脂絲束熔融后成為連續(xù)相均勻的浸潤(rùn)包裹在所述連續(xù)碳纖維絲束上，在所述熱塑性碳纖維復(fù)合材料中，連續(xù)碳纖維絲束的排布情況如圖1所示。在圖1中，連續(xù)碳纖維絲束呈斜紋編織方式排布，從編織物的左上至右下方向具有平行排布的斜向紋路，該斜向紋路是所述復(fù)合編織物中的斜向紋路。本公開(kāi)的第二方面：提供一種熱塑性碳纖維復(fù)合材料，該熱塑性碳纖維復(fù)合材料是由本公開(kāi)的第一方面的方法制備得到的。本公開(kāi)第二方面所提供的熱塑性碳纖維復(fù)合材料中，碳纖維的排布情況如圖1所示，在圖1中，碳纖維呈斜紋編織方式排布，從左上至右下方向均有平行排布的斜向紋路。該熱塑性碳纖維復(fù)合材料中的碳纖維相互編織，熱塑性樹(shù)脂連續(xù)均勻的浸潤(rùn)包裹，材料的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，經(jīng)向與緯向綜合性能良好，碳纖維與樹(shù)脂共同發(fā)揮提高力學(xué)性能的作用。以下通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本公開(kāi)，但是本公開(kāi)并不因此而受到任何限制。以下實(shí)施例和對(duì)比例中，連續(xù)碳纖維絲束的規(guī)格為12K，連續(xù)碳纖維絲束中連續(xù)碳纖維絲的直徑為7μm。熱塑性樹(shù)脂絲束為尼龍絲束，直徑為20D，熱塑性樹(shù)脂絲束中熱塑性樹(shù)脂單絲的直徑為90μm。以下實(shí)施例和對(duì)比例中，密度的測(cè)試方法參照GB/T9914.3-2013的規(guī)定，拉伸強(qiáng)度及模量的測(cè)試方法參照GB/T3362-2005的規(guī)定。實(shí)施例和對(duì)比例中所使用的三維編織設(shè)備為法國(guó)斯彼樂(lè)公司生產(chǎn)的三維編織機(jī)。實(shí)施例1本實(shí)施例用于說(shuō)明利用本公開(kāi)所提供的方法制備的電池托盤零件。(1)編織：根據(jù)電池托盤零件的形狀，選擇圓柱形芯材，將芯材固定于編織機(jī)中心，在芯材表面將連續(xù)碳纖維絲束與熱塑性樹(shù)脂絲束進(jìn)行編織，連續(xù)碳纖維絲束呈斜紋編織方式排布，熱塑性樹(shù)脂絲束沿斜紋編織所形成的斜向紋路的延伸方向平行編織形成復(fù)合編織物，復(fù)合編織物中，緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的夾角為90°；熱塑性樹(shù)脂絲束與所述經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的銳角夾角為45°。熱塑性樹(shù)脂絲束的編織位置為斜向紋路中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束的交叉點(diǎn)，在該交叉點(diǎn)處，熱塑性樹(shù)脂絲束位于緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間，編織密度為580g/m2。按重量份計(jì)，熱塑性樹(shù)脂絲束的用量為45份，連續(xù)碳纖維絲束的用量為55份。在圓柱形芯材表面編織的復(fù)合編織物的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2中圓柱形芯材表面編織有連續(xù)碳纖維絲束以及平行排布的熱塑性樹(shù)脂絲束，圖中以不同深淺程度的顏色區(qū)分表征經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束和緯向的連續(xù)碳纖維絲束。將復(fù)合編織物從芯材上取下，為如圖3所示的閉合圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)半徑40mm，厚度1mm。(2)模壓成型：將編織獲得的閉合圓環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合編織物鋪放在模具中，閉合模具，施加0.6MPa的壓力，在模具中通入導(dǎo)熱油使復(fù)合編織物從20℃逐漸升溫到240℃的熔融溫度，而后保持5min后利用導(dǎo)熱油冷卻至25℃獲得電池托盤零件產(chǎn)品1，如圖4所示，輪廓尺寸80mm×80mm×10mm，厚度2mm。檢測(cè)所得產(chǎn)品的密度、拉伸強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)施例2按照實(shí)施例1的方法制備電池托盤零件產(chǎn)品2，不同的是，按重量份計(jì)，熱塑性樹(shù)脂絲束的用量為55份，所述連續(xù)碳纖維絲束的用量為45份。檢測(cè)所得產(chǎn)品2的密度、拉伸強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)施例3按照實(shí)施例1的方法制備電池托盤零件產(chǎn)品3。不同的是，復(fù)合編織物中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的夾角為50°；熱塑性樹(shù)脂絲束與所述經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的銳角夾角為25°。檢測(cè)所得產(chǎn)品3的密度、拉伸強(qiáng)度，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)施例4按照實(shí)施例1的方法制備電池托盤零件產(chǎn)品4。不同的是，所述模壓成型的壓力為0.4MPa。檢測(cè)所得產(chǎn)品4的密度、拉伸強(qiáng)度，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)比例1首先將連續(xù)碳纖維絲束編織為二維編織布，然后裁剪二維編織物，使其與實(shí)施例1的電池托盤零件產(chǎn)品的輪廓和尺寸相同，共裁剪得到兩片裁剪后的二維編織布，在模具表面均勻?yàn)⑾路垠w尼龍材料，將裁減后的第一片二維編織布鋪覆于模具內(nèi)，然后再次灑下粉體尼龍材料，再鋪覆裁剪后的第二片編織布并繼續(xù)灑下尼龍，按重量份計(jì)，粉體尼龍材料的用量為45份，連續(xù)碳纖維絲束的用量為55份。材料擺放結(jié)束后閉合模具，施加0.6MPa的壓力，在模具中通入導(dǎo)熱油使編織物從20℃逐漸升溫到240℃的熔融溫度，而后保持5min后利用導(dǎo)熱油冷卻至25℃獲得產(chǎn)品D1。對(duì)比例2先將連續(xù)碳纖維絲束編織為二維編織布，通過(guò)擠出機(jī)將尼龍材料在240℃下熔融，然后在尼龍熔融區(qū)域料筒內(nèi)導(dǎo)入二維編織布，使尼龍浸漬編織布，然后逐步冷卻、牽引出料筒完成預(yù)浸料加工，按重量份計(jì)，尼龍材料的用量為45份，連續(xù)碳纖維絲束的用量為55份。對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行裁減使其與實(shí)施例1的電池托盤零件產(chǎn)品的輪廓和尺寸相同，共裁剪得到兩片裁剪后的預(yù)浸料，將預(yù)浸料逐層鋪覆于模具內(nèi)(共鋪覆兩層)，材料擺放結(jié)束后閉合模具，施加0.6MPa的壓力，在模具中通入導(dǎo)熱油使編織物從20℃逐漸升溫到240℃的熔融溫度，而后保持5min后利用導(dǎo)熱油冷卻至25℃獲得產(chǎn)品D2。表1產(chǎn)品編織密度(g/m2)拉伸強(qiáng)度(Fx/Fy)(MPa)拉伸模量(Ex/Ey)(GPa)15801261/125367.4/64.225501155/113461.1/61.336001381/110471.4/58.545801232/117465.8/63.4D15801114/104861.8/60.4D25801142/112861.8/61.5從表1的數(shù)據(jù)可以看出，本公開(kāi)提供的方法所制備的熱塑性碳纖維復(fù)合材料較傳統(tǒng)熱塑性碳纖維復(fù)合材料解決了樹(shù)脂分布不均勻和加工過(guò)程中多次加熱而導(dǎo)致產(chǎn)品性能降低的缺陷，使得纖維與聚乳酸材料連接力更強(qiáng)、材料機(jī)械性能更高。并且，優(yōu)選在熱塑性樹(shù)脂絲束的用量為45份，所述連續(xù)碳纖維絲束的用量為55份；復(fù)合編織物中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的夾角為90°；熱塑性樹(shù)脂絲束與所述經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的銳角夾角為45°。編織密度為550g/m2，模壓成型的壓力為0.6MPa的條件下，材料的拉伸強(qiáng)度及模量較高。以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本公開(kāi)并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本公開(kāi)的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本公開(kāi)的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本公開(kāi)的保護(hù)范圍。另外需要說(shuō)明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合為了避免不必要的重復(fù)，本公開(kāi)對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。此外，本公開(kāi)的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本公開(kāi)的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本公開(kāi)所公開(kāi)的內(nèi)容。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3