本发明涉及一种碳纤维复合材料及其制备方法，具体说是一种以功能化石墨烯改性树脂为基体且采用不同品级碳纤维缠绕的复合材料传动轴及其制备方法。
背景技术：
：传统上汽车传动轴多为金属材料，金属传动轴有很多优点，如韧性好、屈服强度高等，但是也有很多缺点，如质量重、耐腐蚀性差、不可再生等。汽车轻量化是新能源汽车推广与使用的迫切要求，采用比模量和比强度高的新材料是汽车减重的一项有效措施。碳纤维复合材料具有质量轻，比模量大，比强度大，热膨胀系数小等优势，能够提高传动轴转速、同时节省燃油，成为了制备新一代车用传动轴的理想材料。现阶段，碳纤维复合材料传动轴广泛应用于航空航天、风能发电、大型机械、船舶和高端轿车等领域。德国CENTA公司生产的碳纤维复合材料传动轴已在全世界广泛应用，其产品主要用于船用推进系统；在汽车尤其是高档汽车和赛车中，碳纤维复合材料传动轴由于其质量轻，减震减噪性能好，能提高输出功率的特点，所以目前奔驰、宝马、雷诺等大型汽车公司都相继开始使用其代替传统金属材料传动轴。传动轴是汽车传动系统中传递力矩的关键零件之一，其工作性能直接影响其是否正常工作。在汽车运行过程中传动轴会发生弯曲和扭转，如果复合材料传动轴扭转刚度、弯曲强度不足，会导致轴体端部产生过大的变形，引起机械系统激烈振动，导致机械系统无法正常运行。因此必须要对复合材料传动轴轴向的刚度和抗扭性能进行设计与优化。为实现复合材料传动轴各方向强度和刚度的调控，制备高性价比的复合材料传动轴，采用混杂纤维复合材料是一种可行技术途径，即由两种或两种以上纤维作为基体的增强体，发挥每种纤维各自性能的优势，以实现复合材料各个方向综合性能的最优化，可以获得径向强度和轴向刚度的最佳匹配。技术实现要素：本发明为解决现有缠绕结构不能同时具有环向高强度和轴向高刚度的技术问题，提供一种可调控环向强度和轴向刚度的碳纤维混杂缠绕复合材料传动轴及其制备方法。本发明为解决碳纤维和树脂基体界面结合差的问题，采用含有功能化石墨烯的环氧树脂体系进行浸渍，改善环氧树脂与碳纤维之间界面结合，同时将功能化石墨烯作为复合材料增强体，发挥其力学性能的优势，进一步提高复合材料传动轴的整体刚度。为此，本发明提供一种高刚度复合材料传动轴的制备方法，该传动轴由轴管、伸缩套和万向节构成，其中轴管主体内层和外层采用环向缠绕、中间层采用螺旋缠绕，主体内层和外层所用材料为高强度纤维，主体中间层所用纤维为高模量纤维；通过浸渍含有功能化石墨烯的环氧树脂体系，改善碳纤维与树脂之间界面结合。本发明提供一种高刚度复合材料传动轴的制备方法，该方法含有以下步骤：步骤一：将功能化石墨烯加入到液态稀释剂中，在50～60℃下搅拌1～2小时，搅拌均匀后超声分散1～3小时，然后将混合液加入到环氧树脂中，随后加入固化剂混合均匀，于50～60℃真空烘箱中抽除气泡，然后再加入促进剂，搅拌均匀制得所需缠绕树脂基体；步骤二：按碳纤维占复合材料传动轴主体的体积分数为60％～75％，将高强度和高模量碳纤维用上述制得的缠绕树脂基体进行浸渍；步骤三：将上述制得的碳纤维石墨烯协同增强材料缠绕到旋转的芯模上，内层和外层按环向缠绕，中间层按螺旋缠绕，环向缠绕采用高强度纤维，螺旋缠绕采用高模量碳纤维，其中中间层缠绕角度为20°～45°，缠绕线型为螺旋线型，缠绕的纤维在传动轴轴管两端外侧重复出现的交叉点为1～5，缠绕张力沿径向由内向外逐渐递减，每缠绕一层张力递减1～3N，缠绕完毕后经过固化、脱模、后机械加工制得一定尺寸的复合材料传动轴主体。本发明优选的技术方案是所述环氧树脂为双酚A缩水甘油醚、双酚F缩水甘油醚或缩水甘油酯型环氧树脂的一种或几种；所述固化剂为共混低熔点的芳香胺的一种或几种；所述稀释剂为缩水甘油醚类活性稀释剂的一种或几种；所述促进剂为咪唑类或叔胺类促进剂一种或几种。本发明进一步优选的技术方案是所述中间层缠绕角度为20°～45°，缠绕线型为螺旋线型，缠绕的纤维在传动轴轴管两端外侧重复出现的交叉点为1～5，缠绕张力沿径向由内向外逐渐递减，每层递减1～3N。本发明更进一步优选的技术方案是碳纤维占复合材料传动轴主体的体积分数为60％～75％。本发明更进一步优选的技术方案是传动轴主体的固化采用10～20rpm/min低速旋转固化，固化工艺为80～100℃预固化1～3小时，然后120～150℃恒温固化2～5小时，最后150～180℃后固化6～8小时。本发明通过选配不同的浸渍有功能化石墨烯高强度碳纤维与高模量碳纤维进行复合材料传动轴主体部分的混杂缠绕，调整碳纤维的体积含量、碳纤维的缠绕角度、缠绕张力及缠绕线型，制得环向高强度，轴向高刚度的复合材料传动轴。将不同碳纤维混杂、不同缠绕角、不同缠绕张力、不同缠绕线型的复合材料传动轴的环向强度和激振频率(实际中用激振频率表征传动轴的轴向刚度)的测试数据进行了对比(见表1)，可以看出高强度碳纤维和高模量混杂缠绕复合材料传动轴的激振频率明显高于单一碳纤维缠绕复合材料传动轴的激振频率；本发明的效果：(1)本发明环向缠绕采用高强纤维，螺旋向缠绕采用高模纤维，这样充分利用各种纤维的性能优势，性价比高，提高了复合材料传动轴的整体力学性能，尤其是实现了复合材料轴管轴向的高刚度，大大降低成本；(2)基体树脂中加入了功能化石墨烯，提高了纤维和树脂的界面结合，进一步提高复合材料的整体刚度。具体实施方式实施第一步是制备功能化石墨烯增强复合材料轴管的树脂基体：将功能化石墨烯加入到液态稀释剂中，在50～60℃下搅拌1～2小时，搅拌均匀后超声分散1～3小时。然后将混合液加入到环氧树脂中，随后加入固化剂，超声搅拌分散30min至混合均匀，于50～60℃真空烘箱中抽除气泡，然后再加入促进剂，搅拌均匀制得所需缠绕树脂基体；其中功能化石墨烯为氨基化石墨烯、氧化石墨烯、羧基化石墨烯等。实施第二步是碳纤维混杂缠绕，缠绕铺层结构由环向缠绕的内层和外层、螺旋缠绕的中间层共同组成，螺旋层缠绕角度为20°～45°，螺旋缠绕的纤维沿芯模重复出现的交叉点为1～5，缠绕张力沿径向由内向外逐渐递减，缠绕完毕后经过固化、脱模、后机械加工制得一定尺寸的复合材料传动轴主体；下面用实施例对本发明的实施方案进一步说明。但本发明不限于以下实施例。实施例1碳纤维为日本东丽公司T700S连续长纤维，单丝拉伸强度为4900MPa，拉伸模量为230GPa，拉伸应变为2.1％和日本东丽公司T1000G连续长纤维，单丝拉伸强度为6370MPa，拉伸模量为294GPa，拉伸应变为2.2％；环氧树脂选用海因-双酚A环氧树脂(DMH-BPA-EP)，固化剂选用氨基环三聚磷腈(HANPCP)、3,3-二甲基-4,4-二氨基二己环甲烷(DMDC)与聚醚胺D-230的复配物，稀释剂选用缩水甘油醚型环氧树脂662，促进剂采用2-乙基-4-甲基咪唑(2,4-EMI)，其质量比DMH-BAP-EP:HANPCP:DMDC:D-230:662:2,4-EMI＝100:25:5:5:40:0.5。将功能化石墨烯加入到液态稀释剂中，50℃强力搅拌1小时均匀后超声分散3小时。然后将混合液加入到环氧树脂中，随后加入固化剂，超声分散30min，于50℃真空烘箱中抽除气泡，然后再加入促进剂2,4-EMI，搅拌均匀制得所需缠绕树脂基体。以按纤维占复合材料传动轴主体体积分数为60％计算，将浸渍过含功能化石墨烯树脂基体的碳纤维增强材料缠绕到旋转的芯模上，传动轴主体最内层采用T700S环向缠绕2层，缠绕初始张力设定为50N,每缠绕一层张力递减3N，然后采用T1000G螺旋缠绕2层，螺旋缠绕角度选择为20°，缠绕线型为螺旋线缠绕的纤维沿芯模重复出现的交叉点为4，外层再以T700S环向缠绕5层，缠绕完毕后，将模具与制件一同放入固化炉中以10～20rpm/min低速旋转固化，固化工艺为80℃预固化1.5小时，然后120恒温固化3小时，最后150℃后固化5小时。然后经过脱模、后机械加工制得一定尺寸的复合材料传动轴主体。所得碳纤维占复合材料传动轴的纤维体积分数为65％，环向强度为2500Mpa，激振频率为3133Hz。实施例2碳纤维为日本东丽公司T800H连续长纤维，单丝拉伸强度为5600MPa，拉伸模量为294GPa，拉伸应变为1.9％和日本东丽公司M40J连续长纤维，单丝拉伸强度为4410MPa，拉伸模量为377GPa，拉伸应变为1.2％；环氧树脂选用海因-双酚A环氧树脂(DMH-BPA-EP)，固化剂选用三乙烯四胺(TETA)，稀释剂选用1,6-已二醇二缩水甘油醚(X-652)，促进剂使用苄基二甲胺(BDMA)，其重量份数比为DMH-BPA-EP:TETA:X-652:BDMA＝100:50:50:1。将功能化石墨烯加入到液态稀释剂中，50℃强力搅拌1小时均匀后超声分散3小时。然后将混合液加入到环氧树脂中，随后加入固化剂，超声分散30min，于50℃真空烘箱中抽除气泡，然后再加入促进剂BDMA，搅拌均匀制得所需缠绕树脂基体。以按纤维占复合材料传动轴主体体积分数为65％的浸渍过树脂基体的碳纤维增强材料缠绕到旋转的芯模上，传动轴主体最内层采用T800H环向缠绕2层，缠绕初始张力设定为25N,每缠绕一层张力递减2N，然后采用螺旋缠绕5层，螺旋缠绕角度选择为30°，缠绕线型为螺旋线缠绕的纤维沿芯模重复出现的交叉点为1，外层再以T800H环向缠绕6层，缠绕完毕后，将模具与制件一同放入固化炉中10～20rpm/min低速旋转固化，固化工艺为90℃预固化3小时，然后130℃恒温固化4小时，最后160℃后固化6小时。然后经过脱模、后机械加工制得一定尺寸的复合材料传动轴主体。所得碳纤维占复合材料传动轴的纤维体积分数为70％，环向强度为2358MPa，激振频率为3235Hz。实施例3碳纤维为日本东丽公司T700S连续长纤维，单丝拉伸强度为4900MPa，拉伸模量为230GPa，拉伸应变为2.1％和国产碳纤维BHD-1连续长纤维，单丝拉伸强度为3825MPa，拉伸模量为335GPa，拉伸应变为1.4％；环氧树脂选用天津津东化工厂生产的海因-双酚A环氧树脂(DMH-BPA-EP)和双酚F二缩水甘油醚E51，固化剂选用3,3-二甲基-4,4-二氨基二己环甲烷(DMDC)，稀释剂选用无锡树脂厂生产的缩水甘油醚型环氧树脂(660)，促进剂使用常州山峰化工有限公司的DMP-30，其重量份数比为DMH-BPA-EP:E51:DMDC:660:DMP-30＝70:30:60:60:1。将功能化石墨烯加入到液态稀释剂中，50℃强力搅拌1小时均匀后超声分散3小时。然后将混合液加入到环氧树脂中，随后加入固化剂，超声分散30min，于50℃真空烘箱中抽除气泡，然后再加入促进剂DMP-30，搅拌均匀制得所需缠绕树脂基体。以按纤维占复合材料传动轴主体体积分数为70％的浸渍过树脂基体的碳纤维增强材料缠绕到旋转的芯模上，传动轴主体最内层采用T700S环向缠绕1层，缠绕初始张力设定为35N,每缠绕一层张力递减2N，然后采用国产碳纤维BHD-1螺旋缠绕3层，螺旋缠绕角度选择为40°，缠绕线型为螺旋线缠绕的纤维沿芯模重复出现的交叉点为3，外层再以T700S环向缠绕5层，缠绕完毕后，将模具与制件一同放入固化炉中10～20rpm/min低速旋转固化，固化工艺为90℃预固化2小时，然后130℃恒温固化3小时，最后180℃后固化5小时。然后经过脱模、后机械加工制得一定尺寸的复合材料传动轴主体。所得碳纤维占复合材料传动轴的纤维体积分数为75％，环向强度为1987MPa，激振频率为2538Hz。实施例4碳纤维为国产碳纤维CCF-3连续长纤维，单丝拉伸强度为3500MPa，拉伸模量为180GPa，拉伸应变为1.8％和日本东丽公司M40J连续长纤维，单丝拉伸强度为4410MPa，拉伸模量为377GPa，拉伸应变为1.2％；环氧树脂选用海因-双酚A环氧树脂(DMH-BPA-EP)，固化剂选用三氟化硼-苄胺(Anchor1040)和聚醚胺D-230的复配物的复配物，稀释剂选用乙二醇二缩水甘油醚(Jex021)，促进剂2-乙基-4-甲基咪唑(2,4-EMI)，其重量份数比为DMH-BPA-EP:Anchor1040:D-230:Jex021:2,4-EMI＝100:40:20:45:1。将功能化石墨烯加入到液态稀释剂中，50℃强力搅拌1小时均匀后超声分散3小时。然后将混合液加入到环氧树脂中，随后加入固化剂，超声分散30min，于50℃真空烘箱中抽除气泡，然后再加入促进剂2,4-EMI，搅拌均匀制得所需缠绕树脂基体。以按纤维占复合材料传动轴主体体积分数为66％的浸渍过树脂基体的碳纤维增强材料缠绕到旋转的芯模上，传动轴主体最内层采用国产碳纤维CCF-3环向缠绕2层，缠绕初始张力设定为40N，缠绕一层张力递减2N，然后采用M40J螺旋缠绕3层，螺旋缠绕角度选择为30°，缠绕线型为螺旋线缠绕的纤维沿芯模重复出现的交叉点为2，外层再以国产碳纤维CCF-3环向缠绕5层，缠绕完毕后，将模具与制件一同放入固化炉中10～20rpm/min低速旋转固化，固化工艺为80℃预固化1小时，然后120℃恒温固化3小时，最后150℃后固化5小时。然后经过脱模、后机械加工制得一定尺寸的复合材料传动轴主体。所得碳纤维占复合材料传动轴的纤维体积分数为71％，环向强度为1729MPa，激振频率为2730Hz。实施例5碳纤维为国产碳纤维CCF-4连续长纤维，单丝拉伸强度为3600MPa，拉伸模量为190GPa，拉伸应变为1.9％和日本东丽公司T1000G连续长纤维，单丝拉伸强度为6370MPa，拉伸模量为294GPa，拉伸应变为2.2％；环氧树脂选用海因-双酚A环氧树脂(DMH-BPA-EP)，固化剂选用3，3-二甲基-4，4-二氨基二己环甲烷(DMDC)和三乙烯四胺(TETA)的复配物，稀释剂选用乙二醇二缩水甘油醚(Jex021)，促进剂使用2-乙基-4-甲基咪唑(2,4-EMI),其重量份数比为DMH-BPA-EP:DMDC:TETA:Jex021:2,4-EMI＝100:30:10:40:0.8。将功能化石墨烯加入到液态稀释剂中，50℃强力搅拌1小时均匀后超声分散3小时。然后将混合液加入到环氧树脂中，随后加入固化剂，超声分散30min，于50℃真空烘箱中抽除气泡，然后再加入促进剂2,4-EMI，搅拌均匀制得所需缠绕树脂基体。以按纤维占复合材料传动轴主体体积分数为63％的浸渍过树脂基体的碳纤维增强材料缠绕到旋转的芯模上，传动轴主体最内层采用国产碳纤维CCF-4环向缠绕1层，缠绕初始张力设定为40N，每缠绕一层张力递减2N，然后采用T1000G螺旋缠绕3层，螺旋缠绕角度选择为30°，缠绕线型为螺旋线缠绕的纤维沿芯模重复出现的交叉点为3，外层再以国产碳纤维CCF-4环向缠绕5层，缠绕完毕后，将模具与制件一同放入固化炉中10～20rpm/min低速旋转固化，固化工艺为80℃预固化1小时，然后120℃恒温固化3小时，最后150℃后固化5小时。然后经过脱模、后机械加工制得一定尺寸的复合材料传动轴主体。所得碳纤维复合材料传动轴纤维体积分数为69％，环向强度为1919MPa，激振频率为2367Hz。对比例1采用单一T700S碳纤维进行湿法缠绕，螺旋缠绕时不再使用其他不同碳纤维，其他步骤与实施例1相同，由于螺旋层缠绕没有采用高模量碳纤维，从而使得传动轴的激振频率较低，所得碳纤维复合材料传动轴纤维体积分数为63％，环向强度为1937MPa，激振频率为2386Hz。对比例2不加功能化石墨烯，其他步骤与实施例2相同，由于没有采用功能化石墨烯，纤维与树脂的界面结合性差，导致传动轴刚度降低，所以测得激振频率偏低，所得碳纤维复合材料体积分数为65％，环向强度为1344MPa，激振频率为1539Hz。对比例3传动轴主体中间螺旋缠绕时缠绕角选择为60°，其他步骤与实施例3相同，由于缠绕角度选择大角度60°螺旋缠绕，由于缠绕角的变化对复合材料传动轴的刚度有影响，大角度螺旋缠绕会降低传动轴刚度，所以测得激振频率偏低，所得碳纤维复合材料传动轴纤维体积分数为65％，环向强度为1543Mpa，激振频率为2366Hz。表1案例缠绕角初始缠绕张力/N环向强度(Mpa)激振频率/HZ实施例120°5025003133对比例120°5019372386实施例230°2523583235对比例230°2513441539实施例340°3519872538对比例340°3515432366实施例430°4017292730实施例530°4019192367当前第1页1 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