增强纤维的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种具有内腔的碳纤维及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 复合板通常用于制造车辆的结构和车身面板并且用于其他产品中。复合板通常由 通过碳纤维、玻璃纤维、天然纤维或者与分散在基体中类似的纤维来增强的聚合树脂制成。 复合板通常为坚固的、重量轻的并且可用在各种各样的产品应用中。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的目的在于提供一种增强纤维，以节省大量的材料并且使纤维甚至更 轻。
[0004] 本实用新型提供一种增强纤维，包括：
[0005] 具有长度和外表面及内表面的碳纤维，所述长度和外表面及内表面限定了壁，所 述壁具有限定了外直径和内直径以及壁厚的第一横截面，所述壁厚大于或等于2 μπι。
[0006] 优选地，所述碳纤维的具体拉伸强度大于5Χ IO4米。
[0007] 优选地，所述壁为圆柱形壁。
[0008] 优选地，增强纤维还包括在沿着所述长度的第二位置处截取的第二横截面，并且 所述第二横截面具有的横截面面积基本上等于所述第一横截面的横截面面积。
[0009] 优选地，增强纤维还包括在沿着所述长度的第二位置处截取的第二横截面，并且 与所述第一横截面的面积的变化一样所述第二横截面的横截面面积变化小于50%。
[0010] 优选地，所述外直径大于7 μ m。
[0011] 优选地，所述内直径大于4 μ m。
[0012] 优选地，所述碳纤维还包括第一和第二开口端。
[0013] 优选地，所述碳纤维还包括在沿着所述长度的第二位置处截取的第二横截面，其 中所述横截面的内直径或外直径变化小于5 μ m。
[0014] 本实用新型还提供一种增强纤维，包括：
[0015] 具有限定了管的长度和外表面及内表面以及具有限定了外直径和内直径的第一 横截面的碳纤维，其中所述外直径和内直径沿着所述长度变化。
[0016] 优选地，所述外直径和内直径沿着所述长度而线性地增加。
[0017] 优选地，所述外直径和内直径沿着所述长度反复地增加和减小。
[0018] 本实用新型还提供一种方法，包括：
[0019] 由聚合物材料形成聚合物前驱体（polymer precursor)，所述聚合物前驱体具有 限定了圆柱形管的长度和外表面及内表面，所述圆柱形管具有限定了外直径和内直径以及 壁厚的第一横截面，所述壁厚大于或等于2 μ m。
[0020] 优选地，所述聚合物材料为片材形式。
[0021 ] 优选地，所述聚合物材料为流动的聚合物材料；
[0022] 对第一薄膜和第二薄膜进行加热以使其变得可成型；
[0023] 将所述第一薄膜和所述第二薄膜一起按压在具有半圆通道的板上，所述半圆通道 具有通过所述半圆通道的中心的销；以及
[0024] 在纵向方向上拉动所述第一薄膜和所述第二薄膜穿过所述半圆通道，其中气体流 动通过所述销以形成中空的丝状物。
[0025] 优选地，所述聚合物材料为第一和第二前驱体薄膜；
[0026] 在纵向方向上抽吸液体前驱体通过衬套，所述衬套具有气体输送管；以及
[0027] 使气体流动通过所述输送管以形成中空的丝状物。
[0028] 优选地，所述聚合物材料为第一和第二聚合物薄膜；
[0029] 对弯曲工装板供给所述第一薄膜和所述第二薄膜；
[0030] 在纵向方向上拉动所述第一薄膜和所述第二薄膜穿过所述弯曲工装板以形成两 个部分的管；
[0031] 通过邻接的且纵向对齐的所述两个管而将所述第一薄膜匹配至所述第二薄膜；
[0032] 按压所述两个管以形成一系列的管；以及
[0033] 将所述管分成单独的中空丝状物。
[0034] 优选地，所述的方法还包括将所述中空丝状物卷绕在卷轴上。
[0035] 优选地，所述第一薄膜和所述第二薄膜的供给从初始方向为大于15度。
[0036] 优选地，所述的方法还包括将中空丝状物卷绕在卷轴上。
[0037] 根据本实用新型的一个方面，提供一种增强纤维，包括具有长度和外表面及内表 面的碳纤维，该长度和外表面及内表面限定了壁。该壁具有限定了外直径和内直径及壁厚 的第一横截面。圆柱形碳纤维管的壁厚大于或等于2 μ m。
[0038] 根据本实用新型的其他方面，本实用新型包括增强纤维，其包括具有限定了管的 长度和内表面及外表面以及具有限定了外直径和内直径的第一横截面的碳纤维，其中该外 直径和内直径沿着该长度变化。
[0039] 根据本实用新型的另一个方面，提供一种方法，用以由聚合物材料形成聚合物前 驱体。该聚合物前驱体具有限定了圆柱形管的长度和外表面及内表面。该管具有限定了外 直径和内直径以及壁厚的横截面。该壁厚大于或等于2 μπι。
[0040] 本实用新型的有益效果在于：节省大量的材料并且使纤维甚至更轻。
【附图说明】
[0041] 图1为具有内腔的碳纤维的局部透视图；
[0042] 图2Α、图2Β以及图2C为具有内腔的碳纤维的局部透视图，每一个视图示出了一个 形状变化；
[0043] 图3Α和图3Β为与用于具有内腔的碳纤维的聚合物前驱体的制造方法相关的透视 图；
[0044] 图4Α为与用于具有内腔的碳纤维的聚合物前驱体的另一个制造方法有关的透视 图；
[0045] 图4Β为在制造图4Α的聚合物前驱体的方法中所使用的梳状微销的透视图；
[0046] 图4C为与制造图4Α的聚合物前驱体的方法有关的工装板的侧视图；
[0047] 图5A为用于由液体聚合物材料来制造聚合物前驱体的方法的气体输送管的横截 面视图。
[0048] 图5B为在图5A中所示出的气体输送管的衬套的端部视图。
[0049] 图6A和图6B为在制造具有内腔的碳纤维的方法中的步骤的示意图。
【具体实施方式】
[0050] 按照要求，本文中已披露了本实用新型的详细的实施方式；然而，应当理解的是， 所披露的实施例仅为本实用新型的示例性示例的并且可以以不同的和替代的形式来实施。 该附图并不一定按比例绘制；一些特征可被放大或缩小以示出特定组件的细部。因此，本文 中所披露的具体结构和功能的细部并不应当理解为限制性的，而是仅仅作为用于教导本领 域的技术人员来变化地实施本实用新型的代表性基础。
[0051] 碳纤维（CF)增强聚合物复合材料作为有前景的轻质材料而在汽车工业中得到越 来越多的关注，以满足政府的市政当局平均燃油经济性（CAFE)要求并且满足消费者期望 的燃油经济性。为了满足大批量生产汽车复合材料的经济要求，正在研发一种低成本的制 造工艺和低成本的材料。
[0052] 由于碳纤维加工方法为劳动密集的且产生多孔碳纤维并且不适于汽车生产量， 因而将碳纤维结合入复合结构已经遇到了挑战。这种劳动密集的加工方法包括预浸渍碳 纤维复合材料层压件的真空袋高压灭菌法。已经做了一些尝试，已经研发了将围绕玻璃纤 维加强件开发的复合材料的加工方法应用至碳纤维加强件的加工方法。这些尝试都面临 着挑战。碳纤维的直径通常为玻璃纤维的一半。因而，对于等效的纤维容积负荷（volume loading)而言，与使用玻璃纤维相比，可能需要四倍的碳纤维来填充相同的容积。特别对于 随机的纤维复合材料，由于纤维的紧密相互作用以及对于碳纤维所研发的上浆配制剂（聚 合物涂层的薄层），因而纤维量的增加增加了切割工艺的复杂性。这种纤维的相互作用可 在加工期间使得纤维成一团并且导致纤维不适当地分散性。这将导致纤维的负荷传递退化 并且大大降低了复合材料的机械性能。由部分的磺化工艺所产生的中空碳纤维具有仅邻近 纤维外表面的石墨烯结构。经磺化生产的纤维的大多数内容物是无定形碳，并且是多孔的。 这种低结晶度和高孔隙率可导致比碳增强纤维所需较低的强度和模量。
[0053] 现参考图1，中空碳纤维10 (具有内腔或空间11)已经成形为圆柱形管，该圆柱形 管具有限定了横截面面积I6的壁厚14和外直径12。纤维10的外直径12可为7 μπι至 30 μ m，优选为10至20 μ m并且最优选为13至15 μ m。外直径12和横截面面积16均可被 调节且可沿着管的长度变化。该横截面面积16可为总纤维横截面面积的30%至80%。总 纤维横截面面积为JT (d/2)2,其中d为外直径12。壁厚14可为1 μπι至10 μπι，优选为2 μπι 至5 μ m并且最优选为2 μ m至4 μ m。选择中空碳纤维10的外直径12,以解决在随机的纤 维加工中打湿和纤维分散的问题。使用了在一个或多个实施例中所列出的尺寸的碳纤维产 生低密度的纤维以用于增强聚合树脂。（纤维10,以及一定容积的聚合树脂所需的较少的 纤维，导致较少地纤维相互作用以及成一团）。具有内腔的设计有时称之为空芯设计，该空 芯设计减少了在聚合物前驱体管内的氧化和扩散途径因此将大致保持与当前的用于直径 约为7 μ m的纤维的CF制造相同的稳定和氧化时间。一个或更多个实施例提供的碳纤维10 可以以与玻璃纤维近似的直径来