碳纤维增强热塑性树脂复合材料及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料及其制备方法与应用，属于化学材料技术领域。该复合材料为由热塑性树脂基体与碳纤维依次交错层叠制成的多层结构，且该多层结构的顶层和底层均为热塑性树脂基体，具体制备工艺是将各层热塑性树脂基体与碳纤维层叠好后置于超声波焊接机的焊头与夹具之间，且各层的左右两端均施加一定拉力，控制好预载力、冲压力、冲压时间、焊接力及焊接时间，即完成某位置处焊接，水平移动各层材料，重复上述操作即制得复合材料。本发明设计的制备方法方便快速成型，制得的复合材料在不需要添加辅料基础上保留了碳纤维高抗拉强度，高屈服强度，高弹性模量的特点，且该复合材料在轻量化汽车覆盖件中具备较好应用。

说明书

本发明涉及一种复合材料，属于化学材料技术领域，具体地涉及一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

碳纤维CF是一种具有较高的抗拉强度和较大的弹性模量的新型材料。它是由石墨微晶纤维沿轴向方向堆砌而成，经碳化处理而获得的含碳量超高的微晶石墨材料。碳纤维外柔内刚，质量比铝轻，但强度确比钢铁高，同时兼具金属材料的导电导热性，具有优良的耐热和耐腐蚀性。

将碳纤维与其它材料复合在一起制备的复合材料已经广泛应用于各行各业，如汽车工业，航空航天，机电工业，建筑工程等方面，其中一半以上的使用量是在汽车行业中，汽车轻量化是在保持汽车整体品质不变的前提下使汽车自身重量降低可以提高车辆的可操控性，降低油耗。复合材料在具有比传统汽车材料更低的密度和更高的比强度方面具备优势，因此制成汽车结构件后，能大大减轻整车重量。

在复合材料中，两相界面的结合至关重要，通常起作用的主要是氢键、化学键机械力，两相结合问题一直是研究复合材料的关键点。

为实现不同材料之间的连接，目前大多数复合材料都是采用注塑压模成型方式，但其尺寸及结构的复杂程度都要受模具的限制，对于无法生产的大型或复杂的塑料零件，通常采用机械连接、粘连和熔接。机械连接方式不能有效提高接头疲劳寿命；而粘连的粘结力大小受粘结的工艺条件、粘结剂的技术状态、被粘物表面特征等众多因素影响，此外，还受环境温度等因素影响，故实际粘连的情况比较复杂。熔接是将复合材料加热到熔融流动状态，并加压冷却形成连接。超声波焊接技术作为目前应用最广泛的一种热熔连接技术，其焊接原理是将工频电流经过超声波发生器转换为高频电能，再通过超声换能器将高频电能转换成同频率的机械振动，随后再利用可以改变振幅的变幅杆将高频振动传递到焊头，焊头将接收到的振动能量传递到待焊工件的结合部，由于工件界面处声阻较大，因此会产生局部高温，此时振动能量便以摩擦的方式转换成热能，将塑料熔化后进而在压力作用下冷却形成焊缝。

硕士学位论文《碳纤维增强尼龙66复合材料的超声波焊接工艺研究》探究了在尼龙66中加入短碳纤维，并采用超声波焊接工艺制备，结果发现超声波的焊接参数如时间，压力等对碳纤维增强尼龙66复合材料焊接强度影响比较大。然而该篇论文研究的是短碳纤维，并不涉及到长碳纤维。

发明内容

为探究长碳纤维与热塑性树脂在超声波焊接下情况，本发明公开了一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料及其制备方法与应用。该制备方法包括将各层热塑性树脂基体与碳纤维依次交错层叠好后置于超声波焊接机的焊头与夹具之间，且各层的左右两端均施加一定拉力，控制好预载力、冲压力、冲压时间、焊接力及焊接时间，即完成某位置处焊接，单次焊接周期短，且在不需要添加辅料基础上保留了碳纤维高抗拉强度，高屈服强度，高弹性模量的特点。

为实现上述技术目的，本发明公开了一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料，它为由热塑性树脂基体与碳纤维依次交错层叠制成的多层结构，且该多层结构的顶层和底层均为热塑性树脂基体，所述热塑性树脂基体的材质为尼龙6、高密度聚乙烯或聚丙烯中至少一种；所述碳纤维的密度为1.75g/cm

进一步地，所述多层结构为3～19层中的至少一种。

进一步地，所述复合材料中碳纤维的质量百分含量为8.9～43.6％。

进一步地，所述复合材料的拉伸应力为236.6～336.6N/mm

此外，本发明还公开了上述碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，它包括将各层热塑性树脂基体与碳纤维层叠好后置于超声波焊接机的焊头与夹具之间，且各层的左右两端均施加一定拉力，控制预载力为500～700N，冲压力为500～700N，冲压时间为1～3s，焊接力为500～700N，焊接时间为0.4～0.8s，且控制超声波振幅为25～35μm，即完成某位置处焊接，水平移动各层材料，重复上述操作即制得复合材料。

进一步地，所述预载力为550～600N。

进一步地，所述冲压力为550～600N，冲压时间为1～2s。

进一步地，所述焊接力为550～600N，焊接时间为0.45～0.6s。

进一步地，各层材料两端均缠绕在滚筒表面，且各层左右两端施加的拉力介于300～600N之间。

此外，本发明还公开了一种上述碳纤维增强热塑性树脂复合材料在轻量化汽车覆盖件，如车身中的应用。

有益效果：

1、本发明制备的复合材料密度在1.17～1.31g/cm

2、本发明制备的复合材料具备密度小，抗外力形变性强，在轻量化汽车覆盖件具备较好应用。

3、本发明设计的制备方法单次生产循环周期仅需2秒左右，在不需要胶水黏合、热压等操作步骤前提下，快速成型，这种能够对产品快速、灵活定型，且对制造场地空间，环境要求都比较低的制备方式对于批量加工的常规件可以进行很高的自动化制造流程设计，且有利于降低制造成本。

附图说明

图1为本发明复合材料的结构示意图；

图2为焊接过程示意图；

图3为实施例制备的复合材料微观结构示意图；

其中，上述附图中各编号如下：

热塑性树脂基体1、碳纤维2、焊头3、夹具4、滚筒5。

具体实施方式

本发明公开了一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料，如图1所示，它为由热塑性树脂基体1与碳纤维2依次交错层叠制成的多层结构，且该多层结构的顶层和底层均为热塑性树脂基体1，其中，图1中省略部分为交错层叠的各层材料。为保证制备工艺不做较大改动下也能较好的制备复合材料，且保留复合材料中长碳纤维的结构与性能，本发明优选所述多层结构为3～19层中的至少一种。进一步优选的所述多层结构为3～15层中的至少一种。

其中，对于碳纤维，本发明优选其为长碳纤维，该长碳纤维的密度为1.75g/cm

所述热塑性树脂基体，本发明优选其材质为尼龙6、高密度聚乙烯或聚丙烯中至少一种；且本发明选择的各热塑性树脂基体具备如下列表的性能。

表1热塑性树脂基体性能列表

本发明选择具备上述表1的各热塑性树脂基体，对于制备复合材料具备可塑性强，密度小且轻便的优势。

本发明还优选所述复合材料中碳纤维的质量百分含量为8.9～43.6％，在该含量范围内的碳纤维与热塑性树脂基体之间完成较好复合，且制得的复合材料拉伸应力为236.6～336.6N/mm

为更好的解释上述复合材料的性能，本发明还公开了该复合材料的制备方法，它包括将各层热塑性树脂基体1与碳纤维2按照图2所述层叠好后置于超声波焊接机的焊头3与夹具4之间，如图2所述，各层材料两端均缠绕在滚筒5表面，且各层左右两端施加的拉力介于300～600N之间。本发明优选所述滚筒5置于自动化滚筒流水线上，各层左右两端施加的拉力能较好抵消超声波焊接时产生的震动力影响，可保证焊接时碳纤维不产生异向发散。开始焊接时，焊头3与夹具4在竖直方向朝位于中间的材料靠近，并控制超声波焊接机的预载力为500～700N，冲压力为500～700N，冲压时间为1～3s，焊接力为500～700N，焊接时间为0.4～0.8s，且控制超声波振幅为25～35μm，该焊接参数在避免热塑性材料受过高能量性能产生破坏的情况下，能达到最好的焊接效果，使碳纤维与热塑性材料紧密结合。

完成某位置处焊接后，焊头3与夹具4朝位于中间的材料远离，水平移动各层材料，重复上述操作即制得复合材料。本发明设计的制备工艺单次生产循环周期仅需2秒左右，在不需要胶水黏合、热压等操作步骤前提下，快速成型，这种能够对产品快速、灵活定型，且对制造场地空间，环境要求都比较低的制备方式对于批量加工的常规件可以进行很高的自动化制造流程设计，且有利于降低制造成本。

为更好的解释本发明，以下结合具体实施例进行详细说明。

实施例1

本实施例公开了具备三层结构的复合材料的制备方法，它包括取一层碳纤维置于上下高密度聚乙烯之间，各层左右两端在滚筒作用下施加的拉伸应力为300N，开启超声波焊接机，其工艺参数如下表2所示；

表2实施例1的焊接工艺参数列表

单次生产完毕后，水平移动各层材料，重复上述操作即制得复合材料，该复合材料的拉伸应力为300.5N/mm

实施例2

本实施例公开了具备五层结构的复合材料的制备方法，它包括取碳纤维置于上下高密度聚乙烯之间，各层左右两端在滚筒作用下施加的拉力为350N，开启超声波焊接机，其工艺参数如下表3所示；

表3实施例2的焊接工艺参数列表

单次生产完毕后，水平移动各层材料，重复上述操作即制得复合材料，该复合材料的拉伸应力为273.9N/mm

实施例3

本实施例公开了具备九层结构的复合材料的制备方法，它包括取碳纤维置于上下高密度聚乙烯之间，各层左右两端在滚筒作用下施加的拉力为450N，开启超声波焊接机，其工艺参数如下表4所示；

表4实施例3的焊接工艺参数列表

单次生产完毕后，水平移动各层材料，重复上述操作即制得复合材料，其中，该复合材料的纵向剖切后的微观结构示意图如图3所示，结合图3可知五层热塑性材料与四层碳纤维紧密结合在一起，但并未破坏碳纤维本身的结构，该复合材料的拉伸应力为236.6N/mm

实施例4

本实施例公开了具备十五层结构的复合材料的制备方法，它包括取碳纤维置于上下高密度聚乙烯之间，各层左右两端在滚筒作用下施加的拉力为600N，开启超声波焊接机，其工艺参数如下表5所示；

表5实施例4的焊接工艺参数列表

单次生产完毕后，水平移动各层材料，重复上述操作即制得复合材料，其中，该复合材料的拉伸应力为336.6N/mm

由上述实施例描述可知，本发明制备的复合材料拉伸应力在236.6～336.6N/mm

以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。