一种碳纤维制品及其制造方法.pdf

公开了一种碳纤维制品，该碳纤维制品包括通过热固性树脂而结合为一体的多层碳纤维布，所述多层碳纤维布的任意两相邻层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开。还公开了一种碳纤维制品的制造方法，该方法包括提供芯模；提供预浸有热固性树脂材料的碳纤维布，并将多层该碳纤维布层叠在所述芯模的表面上，使所述多层碳纤维布的任意两个相邻层的每一层中存在的接缝部位沿所述多层碳纤维布的延伸方向彼此错开；使层叠在芯模上的碳纤维布固化成型。与传统的碳纤维制品及其制造方法相比，由于省略了传统的缠绕工序，从而使制造成本下降。

1.  一种碳纤维制品，该碳纤维制品包括通过热固性树脂而结合为一体的多层碳纤维布，所述多层碳纤维布的任意两相邻层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开。

2.  根据权利要求1所述的碳纤维制品，其中，所述多层碳纤维布的任意两层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开。

3.  根据权利要求1所述的碳纤维制品，其中，至少一部分所述多层碳纤维布的纤维纹路方向是相互错开的。

4.  根据权利要求3所述的碳纤维制品，其中，所述多层碳纤维布的任意两个相邻层的碳纤维布的纤维纹路方向错开相同的角度。

5.  根据权利要求4所述的碳纤维制品，其中，所述错开的角度为5至90度。

6.  根据权利要求5所述的碳纤维制品，其中，所述错开的角度为45度。

7.  根据权利要求1或2所述的碳纤维制品，该碳纤维制品为壳体件(10)，该壳体件(10)包括侧壁和由该侧壁封闭而成的空腔(20)，所述侧壁由所述多层碳纤维布形成。

8.  一种碳纤维制品的制造方法，该方法包括如下步骤：
(a)提供芯模；
(b)提供预浸有热固性树脂材料的碳纤维布，并将多层该碳纤维布层叠在所述芯模的表面上，使所述多层碳纤维布的任意两个相邻层的每一层中存在的接缝部位沿碳纤维布的延伸方向彼此错开；
(c)使层叠在芯模上的所述多层碳纤维布热固成型。

9.  根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤(b)中，使所述多层碳纤维布的任意两层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开。

10.  根据权利要求9所述的方法，其中，至少一部分所述多层碳纤维布的纤维纹路方向是相互错开的。

11.  根据权利要求10所述的方法，其中，所述多层碳纤维布的任意两个相邻层的碳纤维布的纤维纹路方向错开相同的角度。

12.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述错开的角度为5至90度。

13.  根据权利要求12所述的方法，其中，所述错开的角度为45度。

14.  根据权利要求8所述的方法，其中，所述步骤(c)包括将层叠有碳纤维布的芯模置入模具中，先进行热压处理，再进行冷压处理。

15.  根据权利要求14所述的方法，该方法还包括在所述热压处理之前通过加热所述模具或者芯模而对层叠在芯模上的所述多层碳纤维布进行预热处理，使得层叠在芯模上的所述多层碳纤维布加热至90-120摄氏度的温度并在常压下保持8-10分钟。

16.  根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述热压处理包括使得层叠在芯模上的所述多层碳纤维布的温度为120-160摄氏度，并在294-490牛顿的压力下热压10-15分钟。

17.  根据权利要求14所述的方法，其中，所述冷压处理包括使得层叠在芯模上的所述多层碳纤维布的温度为30-40摄氏度，并在294-490牛顿的压力下冷压10-15分钟。

18.  根据权利要求14所述的方法，其中，步骤(c)还包括在所述冷压处理后的升温处理，该升温处理包括将冷压处理后的所述多层碳纤维布升温至70-80摄氏度并在294-490牛顿的压力下保持3-6分钟。

19.  根据权利要求8所述的方法，其中，该方法还包括步骤(c)后的脱模步骤，从而使固化后的所述多层碳纤维布脱模。

一种碳纤维制品及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维制品及其制造方法。
背景技术
众所周知，作为一种纤维状材料的碳纤维由于具有诸多优良的电学、热学和力学性能而广泛应用于各种工业领域中。
例如，在各种压力容器中，如果压力容器内的压力过高而发生破裂时，钢制的高压容器的破裂通常为碎片式的破裂，常常会导致意外事故的发生；而如果该压力容器中含有足够量的碳纤维，在提高了压力容器整体强度的同时，还能够提高压力容器的安全性，这是因为：如果压力容器压力过高而发生破裂时，由于连续的碳纤维的存在，破裂的方式仅为开裂，不会有碎片飞出。而且，碳纤维的压力容器在疲劳寿命、耐腐蚀性等方面的性能也远好于传统的钢制容器。
CN1546901A中公开了一种铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶，该气瓶的制造方法包括如下步骤：选取所需尺寸的铝内衬；在铝内衬的外表面上涂抹聚氨酯清漆作为防电腐蚀层；然后浸有环氧树脂的碳纤维按照一定的设计张力缠绕在铝内衬的外表面上；最后固化成型即可。在该制造方法中，对碳纤维的缠绕要求较高，需要控制合股纱股数、每一层碳纤维的纱带片总条数、纱带片宽度、缠绕时的张力、缠绕角度等多个参数，从而在很大程度上降低了缠绕工序的可操作性，因而生产效率较低。而且，由于缠绕工序中，还需要额外的纤维缠绕机进行缠绕操作，从而增加了该碳纤维复合气瓶的制造成本。
因而，按照传统的制造方法制成的碳纤维制品成本较高，而且传统的制造方法工艺复杂要求较高，不但提高了工艺成本，还使生产效率较低。
发明内容
本发明的一个目的在于克服现有技术的碳纤维制品制造成本较高的缺陷，而提供一种制造成本相对较低的碳纤维制品。
为此，本发明的一种实施方式提供了一种碳纤维制品，该碳纤维制品包括通过热固性树脂而结合为一体的多层碳纤维布，所述多层碳纤维布的任意两个相邻层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开。
与通过碳纤维丝的缠绕而形成的传统碳纤维制品相比，该碳纤维制品由多层碳纤维布形成，不需要过程复杂且要求较高的碳纤维纱的缠绕工艺，因而大大降低了加工成本。而且，通过使多层碳纤维布中任意两个相邻层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开，从而能够克服接缝的存在而对碳纤维制品表面质量造成的不良影响。
本发明的另一目的在于克服碳纤维制品的现有制造方法中生产效率较低且工艺成本较高的缺陷，而提供一种生产效率相对较高且成本相对较低的制造方法。
为此，本发明的另一种实施方式提供了一种碳纤维制品的制造方法，该方法包括如下步骤：提供芯模；提供预浸有热固性树脂材料的碳纤维布，并将多层所述碳纤维布层叠在所述芯模的表面上，使所述多层碳纤维布的任意两个相邻层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开；使层叠在芯模上的碳纤维布热固成型。
按照上述制造方法，在提供芯模后，将预浸有树脂材料的碳纤维布层叠在芯模的表面上，进而热固成型，以制成碳纤维制品。因而，与传统方法中相比，不需要缠绕较细的碳纤维的工序，而是直接将预浸有树脂材料的碳纤维布层叠在芯模上，从而极大程度上提高了可操作性和生产率。而且本发明的方法也不需要缠绕机等缠绕设备，也相应地降低了生产成本。
附图说明
图1为根据本发明一种实施方式的碳纤维制品的多层碳纤维布的碳纤维纹路方向示意图；
图2为图1中多层碳纤维布层叠后的碳纤维纹路方向示意图；
图3为图2中多层碳纤维布层叠后的力学分析示意图；
图4为作为根据本发明另一种实施方式的碳纤维制品的壳体件的立体图；
图5是图4中壳体件的截面图，表示组成该壳体件的各层碳纤维布及其接缝部位的相对位置的分布情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
根据本发明的一种实施方式所提供的碳纤维制品，该碳纤维制品包括通过热固性树脂而结合为一体的多层碳纤维布，所述多层碳纤维布的任意两相邻层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开。所述碳纤维布的延伸方向指组成所述碳纤维制品的碳纤维布在该碳纤维制品中的铺设方向。
根据该碳纤维制品，由于不需要传统制造方法中碳纤维的缠绕工序，而是通过碳纤维布的层叠叠加，进而热固成型，因而使制造成本下降。
根据碳纤维制品的不同，对于某层或多层碳纤维布来说，为了完全覆盖形成该碳纤维制品的外表面，往往会由于碳纤维布不是恰好与碳纤维制品的外表面符合对应，从而在该层碳纤维布中会出现接缝的情况。例如，当碳纤维制品的表面为回转表面如圆柱面时，对于一层碳纤维布而言，会存在接缝的位置；当碳纤维制品的表面为一平面时，由于碳纤维布的面积小于该碳纤维制品的表面平面，因而需要多块碳纤维布实现对该碳纤维制品表面的完全覆盖，此时在该层碳纤维布中也会出现接缝部位。而且，对于任意一层碳纤维布来说，接缝部位的数量可能为多个。
为了消除上述接缝部位对制得的碳纤维制品表面质量的影响，在叠压各层碳纤维布时，需要将多层碳纤维布中任意两相邻层中存在的接缝部位彼此错开。换句话说，使相邻层中存在的接缝部位的位置关系不是重复叠加在一起，而是相互错开。从而解决了接缝的存在对碳纤维制品的表面质量所可能产生的不利影响。
优选情况下，为了将接缝部位的上述影响降低到最小，使多层碳纤维布的任意两层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开。通过这样的设置，在该碳纤维制品中，不存在任何重复叠加的接缝。从而使接缝的影响降低到最小。而且，由于碳纤维布的厚度通常较薄，通过其它层碳纤维布的层叠作用，也能够使所述接缝基本不会对碳纤维制品的表面质量产生不利影响。
碳纤维布通过多股碳纤维以粘结或编织而成，其中，碳纤维的延伸方向为碳纤维布中的纤维纹路方向。当多层碳纤维布彼此叠压时，在温度、压力以及碳纤维布之间的树脂材料的作用下，碳纤维与碳纤维之间有出现孔隙的可能性。而且，如果压力越大，出现孔隙的可能性也越大。而该孔隙的存在不利于获得高质量的碳纤维制品。
因而，为了获得较高质量的碳纤维制品，在优选情况下，所述各层碳纤维布中至少一部分碳纤维的纤维纹路方向彼此错开，从而降低了在制造过程中碳纤维与碳纤维之间出现孔隙的可能性。
而且，进一步优选地，多层碳纤维布中任意两个相邻层碳纤维的纤维纹路方向错开相同的角度。不但使各层碳纤维布的碳纤维与碳纤维之间出现孔隙的可能性下降，而且使各个孔隙的尺寸相差不大(即孔隙的尺寸大小较为均匀)，还能够使多层碳纤维布的各层中碳纤维之间的位置关系分布较为均匀，使碳纤维制品内部的应力分布也较为均匀，从而降低了碳纤维制品在制造过程中出现较大变形或翘曲的程度。
根据制造工艺以及要制得的碳纤维制品的不同，碳纤维纹路方向之间错开的角度可以为5-90度之间的任意角度，优选为45度，以获得较大程度上的均匀度。
下面以单向碳纤维布(碳纤维的纹路方向朝向一个方向的碳纤维布)为例，对多层碳纤维布的层叠方式进行描述。
如图1所示，在层叠的各层碳纤维布1-6中，以碳纤维布3和4中的碳纤维纹路方向为基准，碳纤维布2和5中的碳纤维纹路方向成45度的角度，而碳纤维布1和6中的碳纤维纹路方向成90度的角度，其中，碳纤维布1和2中的碳纤维纹路方向的夹角为45度，碳纤维布5和6中的碳纤维纹路方向的夹角为45度。
如图2所示，层叠后的各层碳纤维布的碳纤维纹路方向彼此交错，从而使形成网状结构。该网状结构越密集，碳纤维之间出现孔隙的可能性越小，则碳纤维制品的产品性能越好。
按照上述角度关系层叠多层碳纤维布，可以使制得的碳纤维制品具有较好的尺寸稳定性，同时能够降低在碳纤维制品的制造过程中出现变形或翘曲的可能性。
对于非单向碳纤维布(碳纤维方向朝向多个方向，如包括相互垂直的经线和纬线的碳纤维布)来说，通过使碳纤维纹路方向彼此错开，自然也能够具有上述的优良效果，其原理与单向碳纤维布类似。
此外，通过使各层碳纤维布中的碳纤维纹路方向错开一定角度，还使制得的碳纤维制品具有较好的力学性能，也就是说，碳纤维制品具有较好的各向同性。
具体来说，如图3所示，当图1中所示的碳纤维布彼此层叠后，设定碳纤维布3和4的碳纤维纹路方向沿X方向延伸，碳纤维布1和6的碳纤维纹路方向沿Y方向延伸，碳纤维布2和5的碳纤维纹路方向沿F方向延伸。显然，当碳纤维制品受力时，在各个方向上都存在能够起到传递力作用的碳纤维，因而能够进一步提高碳纤维制品的强度，从而能够承受更大的载荷，应用于更为苛刻的工况中。自然，各层碳纤维布的碳纤维组成的网状结构越密集，则碳纤维制品的各向同性越好，碳纤维制品的力学性能也越好。
根据本发明一种实施方式的碳纤维制品中的树脂材料用于使各层碳纤维布牢固地结合在一起，从而形成整体部件。所述热固性树脂材料可以根据碳纤维制品的要求加以选择，如各种公知的树脂材料，包括酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。
如图4和图5所示，壳体件10为根据本发明的碳纤维制品的多种实施方式的一种。
该碳纤维制品为壳体件10，该壳体件10包括侧壁和由该侧壁封闭而成的空腔20，所述侧壁由多层碳纤维布形成。
根据本发明的一种实施方式，该侧壁从空腔20至外部依次包括层叠在一起的第一碳纤维布11、第二碳纤维布13、第三碳纤维布15和第四碳纤维布17，其中，第一碳纤维布11具有第一接缝处12，第二碳纤维布13具有第二接缝处14，第三碳纤维布15具有第三接缝处16，第四碳纤维布17具有第四接缝处18，第一接缝处12、第二接缝处14、第三接缝处16和第四接缝处17沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开。
壳体件20的侧壁围绕形成空腔20，从而沿壳体件10的径向方向将空腔20封闭起来。参考图5可知，第一碳纤维布11的第一接缝处12、第二碳纤维布13的第二接缝处14、第三碳纤维布15的第三接缝处16和第四碳纤维布17的第四接缝处18沿所述碳纤维布的延伸方向(由于这些碳纤维布通过树脂材料层叠在一起，因而所有的碳纤维布的延伸方向都是相同的)彼此相互错开。换句话说，在第一接缝处12、第二接缝处14、第三接缝处16和第四接缝处18中的任意一接缝处所在的位置，沿与所述碳纤维布延伸方向的垂直方向上不存在与位于该位置的接缝处相重叠的接缝。
由于第一碳纤维布11、第二碳纤维布13、第三碳纤维布15和第四碳纤维布17各自的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向相互错开，从而具有较好的表面质量。
下面对本发明另一种实施方式所提供的制造碳纤维制品的方法进行详细描述，所述制造方法包括如下步骤：
(a)提供芯模；
(b)提供预浸有热固性树脂材料的碳纤维布，并将多层所述碳纤维布层叠在所述芯模的表面上，从而使所述多层碳纤维布的任意两个相邻层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开；
(c)使层叠在芯模上的所述多层碳纤维布热固成型。
与传统上将碳纤维缠绕在芯模上而制成碳纤维制品的方法相比，该方法不需要缠绕工序，而是将预浸有热固性树脂材料的碳纤维布层叠在芯模的表面上，进而固化成型即可。由于省却了缠绕工序，自然不需要使用缠绕设备，从而极大程度上提高了生产效率，而且还降低了生产成本。
而且，通过将多层碳纤维布中任意两相邻层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开，从而所述接缝部位不会对碳纤维制品的表面质量造成不利影响。
此外，通过将预浸有热固性树脂材料的碳纤维布层叠在芯模表面上再热固成型的方法制造碳纤维制品，能够扩大制造碳纤维制品的加工范围，不但包括缠绕碳纤维的制造方法所加工的旋转体形状的碳纤维制品，还包括其它非旋转体形状的碳纤维制品。
芯模与所制造的碳纤维制品的形状结构类似。当将预浸有热固性树脂材料的碳纤维布层叠在芯模上时，该芯模的作用为支撑还未固化成型的碳纤维布，并形成所要制造的碳纤维制品的结构形状。
芯模可以根据所要制造的碳纤维制品而加以选择，例如，在形状方面，芯模可以为圆柱形，则通过该圆柱形芯模制成的碳纤维制品为圆柱形或圆筒形的形状；所述芯模还可为长方柱形，则通过该长方柱形的芯模制成的碳纤维制品为具有方形截面的柱形；在材质方面，芯模的材料可以选用模具钢、铝合金、陶瓷、木质等，只要能够符合制造过程的要求即可，如果产品的尺寸精度要求高，优选选用钢质芯模。
用于使多层碳纤维布结合在一起的热固性树脂材料可以选用多种公知的热固化树脂材料，如酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。优选地，预浸在碳纤维布中的热固性树脂材料均匀地分布在碳纤维布的碳纤维之间，树脂材料占预浸有热固性树脂材料的碳纤维布总重量的45％。
在提供有芯模后，将预先浸渍有足够热固性树脂材料的碳纤维布层叠在芯模的表面上。在层叠过程中，在碳纤维布和芯模表面之间不能具有空隙。也就是说，要求碳纤维布完全贴合在芯模的表面上；而且分别位于相邻层的碳纤维布与碳纤维布之间也不能存有空隙，从而避免由于空隙的存在而影响制成的碳纤维制品的外形美观以及结构强度。
为了消除每层碳纤维布中接缝部位对制得的碳纤维制品表面质量的影响，在层叠叠压各层碳纤维布时，需要将多层碳纤维布的任意两相邻层的每一层中存在的接缝部位沿所述碳纤维布的延伸方向彼此错开，以克服接缝的存在对碳纤维制品的表面质量所可能产生的不利影响。
进一步优选地，在层叠过程中，使所述多层碳纤维布中任意两层的每一层中存在的接缝部位沿碳纤维布的延伸方向彼此错开。也就是说，不存在重复层叠的接缝部位，从而能够进一步消除接缝部位的影响。既能提高碳纤维制品在固化成型后的整体强度，还可以使碳纤维制品具有良好的外观质量。
当多层碳纤维布彼此叠压时，由于温度、压力的作用，碳纤维布中的碳纤维与碳纤维之间有可能会出现孔隙，从而会影响碳纤维制品的表面质量以及力学性能。因而，在优选情况下，所述各层碳纤维布中至少一部分碳纤维的纤维纹路方向彼此错开，以在碳纤维之间形成交错的网状结构，不但降低了碳纤维与碳纤维之间出现孔隙的可能性，还能够提高碳纤维制品的强度。
优选地，多层碳纤维布中任意两个相邻层碳纤维的纤维纹路方向错开相同的角度，从而使多层碳纤维布的各层中碳纤维的分布较为均匀。根据制造工艺以及要制得的碳纤维制品的不同，碳纤维纹路方向之间错开的角度可以为5-90度之间的任意角度，优选为45度，以获得较大程度上的均匀度。
此外，通过使各层碳纤维布中的碳纤维纹路方向错开一定角度，还使制得的碳纤维制品具有较好的力学性能，即碳纤维制品具有较好的各向同性，能够承受多方向的拉伸、扭转等受力情况。关于碳纤维纹路方向的设置在以上文字中已经作出详细的描述，在此不再赘述。
在完成步骤(b)后，即完成碳纤维布在芯模表面上的可靠层叠后，需要将层叠的碳纤维布固化，从而最终制得所需的碳纤维制品。在固化之前，将层叠有碳纤维布的芯模置入模具的模腔中，从而形成所需形状的碳纤维制品。根据碳纤维制品的不同尺寸形状，可以选择不同的模具，以与碳纤维制品相互对应。
在将芯模置入模具中后，碳纤维布的固化过程包括对芯模进行热压处理和冷压处理。
优选地，在进行热压处理之前，还进行预热处理。具体来说，通过对所述模具或芯模加热，而使所述多层碳纤维布的温度得以升高。这样能够使预浸在碳纤维布上的树脂材料熔化，并在模具的模腔中具有良好的流动性，从而有利于形成光滑的表面效果，以使制得的碳纤维制品具有良好的外观质量。在预热过程中，模具不施加压力(即与大气压相同)，一般情况下，预处理处理中，所述多层碳纤维布的温度加热至90-120摄氏度，在常压下保持8-10分钟。
在完成预热后，树脂材料充分熔化，并充分填充在碳纤维布之间以及碳纤维布的碳纤维之间。然后进行热压处理，该热压处理包括使层叠在芯模上的所述多层碳纤维布的温度为120-160摄氏度，并在压力为294-490牛顿下热压10-15分钟。
在热压过程中，在温度和压力的作用下，由于所述树脂材料为热固性材料，从而固化成型，而且该树脂材料在模具的模腔内由于压力而均匀分布，从而有助于形成具有较高表面质量的碳纤维制品。
在完成热压处理后，再进行冷压处理。该冷压处理包括使层叠在所述芯模上的所述多层碳纤维布的温度下降到30-40摄氏度，并在294-490牛顿的压力下冷压10-15分钟。优选地，冷压处理与热压处理过程中，芯模所承受的压力相同。
在完成冷压处理后，可以将制得的碳纤维制品取出。如果需要也可以通过脱模，而使芯模与制得的碳纤维制品脱离，例如可以通过在将碳纤维布层叠在芯模上之前，在芯模表面涂敷脱模剂，然后在成型之后利用脱模装置使芯模与碳纤维制品脱离。
在进行冷压处理的过程中，碳纤维制品从较高的温度下降到较低的温度，从而容易出现应力集中的缺陷，造成碳纤维制品的变形、翘曲或出现裂痕等问题。因而，在优选情况下，在完成冷压处理之后，所述方法还包括升温处理，该升温处理包括将冷压处理后的多层碳纤维布升温至70-80摄氏度，并在294-490牛顿的压力下保持3-6分钟。
通过升温处理，很大程度上消除了产品中存在的应力集中或残余应力的问题，提高了该制造方法的成品率。
在获得碳纤维制品后，还可以对该碳纤维制品进行进一步表面处理，从而获得更高的表面质量。例如，可以对碳纤维制品的表面进行打磨处理；在碳纤维制品的表面上喷涂UV底漆，再进行喷涂UV面漆，再进行UV光照射，从而在碳纤维表面是那个形成一层高质量的漆层。
上述壳体件10自然可以通过本发明所提供的方法的一种实施方式加以制造，在此不再赘述。壳体件10的空腔20可以通过在完成成型过程之后，通过芯模与结合为一体的所述碳纤维布脱离而形成。
通过以上描述可知，本发明提供了一种碳纤维制品以及碳纤维制品的制造方法，由于省略了传统方法中的缠绕工序，不需要缠绕机以及对缠绕机的精确控制，不但提高了生产效率，也降低了制造成本。
虽然上述文字对本发明的具体实施方式进行了描述，但本领域的普通技术人员应该明白，本发明所包含的内容并不限于此，在不脱离本发明实质范围的前提下，可以作出各种修改、替换和变化。