本发明属于电子设备外壳材料技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料及制备方法，以及将碳纤维复合材料用于制备电子设备外壳。
背景技术：
超薄是目前电视发展的一个趋势，导致屏幕的结构强度急剧下降，屏碎率上升，如何在有限的厚度条件下，提供具有充分刚性和强度的背板材料，对材料提出了更高的要求。
目前电视背板材料一般采用VCM板(覆膜铝板或覆膜钢板)或铝塑复合板(铝+聚乙烯+铝)；VCM板的优势是可以降低厚度，但是会相应的降低材料的强度；铝塑复合板的优势是可以满足产品对于材料高刚性的要求，但是厚度需要在2.5mm以上。随着电视或手机等智能电子设备趋向超薄化的发展趋势，由于VCM板的强度限制，无法满足65寸以上大尺寸电视对于背板的强度要求，而当背板采用铝塑复合板材料时，以目前常用的铝塑复合板为例，0.3mm铝+2.0mm聚乙烯+0.3mm铝的厚度复合，材料的弯曲模量可以达到26GPa，但2.6mm厚度无法满足超薄需求，无法满足电视超薄化的产品发展趋势。考虑到高刚性需求，电视背板材料还可以使用玻璃、SGCC钢板等，但存在产品密度大的缺陷，同样厚度情况下，密度越高，产品越重，玻璃的密度为2.5-3.0g/cm3，SGCC钢板的密度为7.9g/cm3。结合高刚性、轻量化要求，最合适的材料方案为碳纤维复合材料，其密度为1.6g/cm3，若能有合适方法进行改进，既能保持高刚性，又能降低材料密度，则对于有高刚性、轻量化需求的产品具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明为了解决单纯使用碳纤维材料密度大，无法满足电子产品轻量化的技术问题，提供了一种既可以降低电子设备外壳的厚度，又能保证其力学性能的碳纤维复合材料及制备方法，同时提供一种由上述材料制备的电子设备外壳。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
本发明提供了一种碳纤维复合材料，包括4-10层碳纤维布和中空玻璃纤维布的复合材料，在环氧树脂混合液中浸润后热压成型，其中所述中空玻璃纤维布所占比例为20％-60％。
本发明还提供了一种碳纤维复合材料的制备方法，步骤为
1)按配方比例，将双酚A型环氧树脂、固化剂、消泡剂、流平剂在搅拌釜中搅拌均匀，然后静置，制得稳定的环氧树脂混合液；
2)将经纬编织的碳纤维布和中空玻璃纤维布进行层铺，所述中空玻璃纤维布位于中间层，所述碳纤维布位于所述中空玻璃纤维布的上下两侧；
3)将层铺完成的碳纤维布与中空玻璃纤维布在环氧树脂混合液中浸润，放置在成型热压模具中，保持负压0.1-0.12MPa，合模后升温进行环氧体系扩链交联反应，然后再升温进行固化反应，然后冷却至室温，加工成型。
本发明还提供了一种电子设备外壳，是由所述的碳纤维复合材料，由所述制备方法加工而成。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：所述碳纤维的力学性能好，但是密度大，价格高。所述玻璃纤维的价格较低，可以将玻璃纤维与碳纤维复合，降低碳纤维的用量，以降低成本。但是实心玻璃纤维的密度大于碳纤维，若使用实心玻璃纤维，会增加重量，增大碎屏率。本实施例使用中空玻璃纤维替代部分碳纤维，中空玻璃纤维可以带来轻量化，且能够弥补因使用玻璃纤维带来的力学性能下降。由于中空玻璃纤维本身的力学性能比全碳纤维较差，本实施例的目的是在满足低成本、低厚度的基础上，将复合材料的力学性能无限靠近全碳纤维。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
本实施例利用碳纤维材料自身具有高强度、高模量、低密度的优点，以此制备的碳纤维复合材料具有高刚性、轻量化的特点，将碳纤维材料与中空玻璃纤维材料复合，可以得到密度小、线性膨胀系数低、刚性高、具有独特编织纹路的复合材料，用于电视背板时可以得到具有较高设计自由度的产品外观。
本实施例的碳纤维复合材料，包括4-10层碳纤维布和中空玻璃纤维布的复合材料，在环氧树脂混合液中浸润后热压成型，其中所述中空玻璃纤维布所占比例为20-60％。
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，具有高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点。碳纤维材料相比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量高5倍以上。其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等领域。碳纤维本身的热膨胀系数在室内为负数(-0.5～-1.6)×10-6/K，在200～400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料线性膨胀系数小，可以做到＜10×10-6/K，而不锈钢的线性膨胀系数＞10×10-6/K，铝合金的＞20×10-6/K，因此使用碳纤维热压复合材料加工部件的尺寸精度高。但是碳纤维价格较高，碳纤维分类以模量区分，有24T、30T、35T、40T、45T、50T等规格，数字越大代表模量越高，价格也成几倍甚至几十倍的递增。
所述碳纤维的力学性能好，但是密度大，价格高。所述玻璃纤维的价格较低，可以将玻璃纤维与碳纤维复合，降低碳纤维的用量，以降低成本。但是实心玻璃纤维的密度大于碳纤维，若使用实心玻璃纤维，会增加重量。本实施例使用中空玻璃纤维替代部分碳纤维，中空玻璃纤维的密度低，能够降低产品重量。此外，由于玻璃纤维本身的力学性能比全碳纤维差，中空结构能够弥补因使用玻璃纤维带来的力学性能下降。本实施例的目的是在满足低成本、低厚度的基础上，将复合材料的力学性能无限靠近全碳纤维。
所述碳纤维布是将碳纤维束经纬编织后形成，每束碳纤维丝为3000根，简称3K布。所述碳纤维丝的直径为4-6μm，所述碳纤维布的厚度为0.018-0.022mm。
同样的，所述玻璃纤维布是将玻璃纤维束经纬编织形成，每束玻璃纤维丝为3000根。所述玻璃纤维丝的直径为5-7μm，所述玻璃纤维布的厚度为0.023-0.026mm。其中玻璃纤维丝为中空玻璃纤维，内部中空部分的孔径为2-3μm。使用中空玻璃纤维的作用，一是降低复合材料的密度，二是通过中空结构可以提高材料的强度。
为了使复合材料各向强度一致，需要将碳纤维及玻璃纤维分别进行经纬编织成3K布，然后结合产品需要的厚度和强度，选择合适的层数与环氧树脂复合。当复合材料产生应力时，由于经纬编织的碳纤维各向强度好，能够将应力在密集的碳纤维丝以及玻璃纤维丝上分散传递，且能够保证对力传递的各向均一性，使得材料的刚性好、强度高。
本实施例还将经纬编织的碳纤维布和中空玻璃纤维布进行层铺，所述中空玻璃纤维布位于中间层，所述碳纤维布位于所述中空玻璃纤维布的上下两侧，从而能够利用外侧高强度的碳纤维对大部分的外应力进行传递吸收，保护强度相对较弱的中空玻璃纤维，提高整体的复合材料强度。
本实施例中碳纤维布和中空玻璃纤维布需要借助热固性树脂的粘合作用将其复合，所述环氧树脂混合液中包括双酚A型环氧树脂75-85份、固化剂10-20份、消泡剂1-5份、流平剂1-5份，均为重量份。
所述固化剂为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和甲苯二异氰酸酯(TDI)的混合物，二者质量比为2.6-3.5:1。由于所述双酚A型环氧树脂中有仲羟基，在加热的情况下，仲羟基能够与固化剂中的异氰酸酯基进行反应，达到扩链固化的目的，能够促进碳纤维布和中空玻璃纤维的粘合和固化。
所述消泡剂为聚氧乙烯氧丙烯甘油GPE10和GPE20的混合物，二者质量比为1.3-1.6:1。由于碳纤维及中空玻璃纤维在环氧树脂中浸润时，会产生泡沫，影响热压完成后的成品精度，本实施例中的消泡剂可以降低环氧树脂体系的表面张力，避免产生气泡。
所述流平剂为聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷的混合物，二者质量比为1.6-1.8:1。其作用是碳纤维及中空玻璃纤维在环氧树脂中浸润之后，保证环氧树脂能够均匀的在纤维布上流平，体系干燥固化后，碳纤维复合材料表面平整、光滑、均匀度高。
本实施例的碳纤维复合材料的制备方法为：
1)按配方比例，将双酚A型环氧树脂、固化剂、消泡剂、流平剂在搅拌釜中搅拌均匀，转速为3000-4000r/min，放置20分钟静置，制得稳定的环氧树脂混合液；
2)将经纬编织的碳纤维布和中空玻璃纤维布进行层铺，所述中空玻璃纤维布位于中心，所述碳纤维布位于所述中空玻璃纤维布的上下两侧；
3)将层铺完成的碳纤维布与中空玻璃纤维布在环氧树脂混合液中浸润，放置在成型热压模具中，保持负压0.1-0.12MPa，合模后升温至90-95℃，保持40-45min，之后升温至120-130℃，保持60-70min，后冷却至室温，去除后进行边缘多胶部分切割磨边处理，打磨后根据图纸CNC加工成型。
本实施例中步骤1)物料混合过程中采用3000r/min～4000r/min的高转速可以有效的将各成分均匀混合，特别是流平剂和消泡剂，消泡剂若不能在体系中混合均匀，热压时容易在产品表面形成气泡，产品不良报废；流平剂若不能在体系中混合均匀，热压时易出现产品厚度不均，产品不良报废。步骤3)中保持负压，可以使环氧体系在碳纤维布和中空玻璃纤维布上均匀分布。升温至90-95℃，保持40-45min，是为了使环氧体系扩链交联反应。升温至120-130℃，保持60-70min，是为了热压后的复合材料完全固化。
由于玻璃纤维价格远低于碳纤维，添加在复合材料中可以降低材料成本。但是玻璃纤维本身的强度低于碳纤维，本实施例通过使用直径为5-7μm，孔径2-3μm的中空玻璃纤维，通过中空管道的支撑作用，提高了复合材料的力学性能，同时中空玻璃纤维密度相比碳纤维大大降低，复合后的材料更加轻量化。
实施例1
一种碳纤维复合材料，包括4层碳纤维布和1层中空玻璃纤维布，从上到下依次为2层碳纤维布、1层中空玻璃纤维布和2层碳纤维布；在环氧树脂混合液中浸润后热压成型。所述碳纤维布是将碳纤维束经纬编织后形成，每束碳纤维丝为3000根，所述碳纤维丝的直径为4μm，所述碳纤维布的厚度为0.018mm。所述中空玻璃纤维布是将中空玻璃纤维束经纬编织形成，每束中空玻璃纤维丝为3000根，所述中空玻璃纤维丝的直径为5μm，内部中空部分的孔径为2μm，所述中空玻璃纤维布的厚度为0.026mm。
所述环氧树脂混合液中包括双酚A型环氧树脂80份、固化剂15份(包括MDI和TDI的混合物，质量比为3:1)、消泡剂3份(包括GPE10和GPE20的混合物，质量比为1.5:1)、流平剂2份(包括聚二甲基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷的混合物，质量比为1.7:1)。
上述碳纤维复合材料的制备方法为：
1)按配方比例，将双酚A型环氧树脂、固化剂、消泡剂、流平剂在搅拌釜中搅拌均匀，转速为3500r/min，放置20分钟静置，制得稳定的环氧树脂混合液；
2)将经纬编织的碳纤维布和中空玻璃纤维布进行层铺；
3)将层铺完成的碳纤维布与中空玻璃纤维布在环氧树脂混合液中浸润，放置在成型热压模具中，保持负压0.1MPa，合模后升温至90℃，保持40min，之后升温至120℃，保持60min，后冷却至室温，去除后进行边缘多胶部分切割磨边处理，打磨后根据图纸CNC加工成型。
实施例2
一种碳纤维复合材料，包括3层碳纤维布和2层中空玻璃纤维布，从上到下依次为2层碳纤维布、2层中空玻璃纤维布和1层碳纤维布，在环氧树脂混合液中浸润后热压成型。所述碳纤维丝的直径为5μm，所述碳纤维布的厚度为0.020mm。所述中空玻璃纤维丝的直径为6μm，内部中空部分的孔径为2.5μm，所述中空玻璃纤维布的厚度为0.025mm。
所述碳纤维复合材料的其他参数、环氧树脂混合液的组成及所述碳纤维复合材料的制备方法均与实施例1相同。
实施例3
一种碳纤维复合材料，包括2层碳纤维布和3层中空玻璃纤维布，从上到下依次为1层碳纤维布、3层中空玻璃纤维布和1层碳纤维布，在环氧树脂混合液中浸润后热压成型。所述碳纤维丝的直径为6μm，所述碳纤维布的厚度为0.022mm。所述中空玻璃纤维丝的直径为7μm，内部中空部分的孔径为3μm，所述中空玻璃纤维布的厚度为0.023mm。
所述碳纤维复合材料的其他参数、环氧树脂混合液的组成及所述碳纤维复合材料的制备方法均与实施例1相同。
对比例1-4
如表1所示，对比例1-3是将实施例1-3中的中空玻璃纤维布替换为实心玻璃纤维布，其他条件不变。对比例4是全部使用碳纤维布。
将上述实施例和对比例制成的样料裁切成标准样条，进行性能测试，结果如表2所示。
实施例4
一种碳纤维复合材料，包括4层碳纤维布和6层中空玻璃纤维布，从上到下依次为2层碳纤维布、6层中空玻璃纤维布和2层碳纤维布，在环氧树脂混合液中浸润后热压成型。所述碳纤维布是将碳纤维束经纬编织后形成，每束碳纤维丝为3000根，所述碳纤维丝的直径为5.5μm，所述碳纤维布的厚度为0.021mm。所述玻璃纤维布是将玻璃纤维束经纬编织形成，每束玻璃纤维丝为3000根，所述中空玻璃纤维丝的直径为5.5μm，内部中空部分的孔径为2.2μm，所述中空玻璃纤维布的厚度为0.025mm。
所述环氧树脂混合液中包括双酚A型环氧树脂75份、固化剂15份(包括MDI和TDI的混合物，质量比为3.5:1)、消泡剂5份(包括GPE10和GPE20的混合物，质量比为1.6:1)、流平剂5份(包括聚二甲基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷的混合物，质量比为1.8:1)。
上述碳纤维复合材料的制备方法为：
1)按配方比例，将双酚A型环氧树脂、固化剂、消泡剂、流平剂在搅拌釜中搅拌均匀，转速为4000r/min，放置20分钟静置，制得稳定的环氧树脂混合液；
2)将经纬编织的碳纤维布和中空玻璃纤维布进行层铺；
3)将层铺完成的碳纤维布与中空玻璃纤维布在环氧树脂混合液中浸润，放置在成型热压模具中，保持负压0.12MPa，合模后升温至95℃，保持45min，之后升温至130℃，保持70min，后冷却至室温，去除后进行边缘多胶部分切割磨边处理，打磨后根据图纸CNC加工成型。
实施例5
一种碳纤维复合材料，包括6层碳纤维布和4层中空玻璃纤维布，从上到下依次为3层碳纤维布、4层中空玻璃纤维布和3层碳纤维布，在环氧树脂混合液中浸润后热压成型。所述碳纤维布是将碳纤维束经纬编织后形成，每束碳纤维丝为3000根，所述碳纤维丝的直径为4.5μm，所述碳纤维布的厚度为0.019mm。所述玻璃纤维布是将玻璃纤维束经纬编织形成，每束玻璃纤维丝为3000根，所述中空玻璃纤维丝的直径为6.5μm，内部中空部分的孔径为2.8μm，所述中空玻璃纤维布的厚度为0.024mm。
所述环氧树脂混合液中包括双酚A型环氧树脂75份、固化剂10份(包括MDI和TDI的混合物，质量比为2.6:1)、消泡剂8份(包括GPE10和GPE20的混合物，质量比为1.3:1)、流平剂7份(包括聚二甲基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷的混合物，质量比为1.6:1)。
上述碳纤维复合材料的制备方法为：
1)按配方比例，将双酚A型环氧树脂、固化剂、消泡剂、流平剂在搅拌釜中搅拌均匀，转速为3000r/min，放置20分钟静置，制得稳定的环氧树脂混合液；
2)将经纬编织的碳纤维布和中空玻璃纤维布进行层铺；
3)将层铺完成的碳纤维布与中空玻璃纤维布在环氧树脂混合液中浸润，放置在成型热压模具中，保持负压0.1MPa，合模后升温至95℃，保持40min，之后升温至120℃，保持60min，后冷却至室温，去除后进行边缘多胶部分切割磨边处理，打磨后根据图纸CNC加工成型。
实施例6
一种碳纤维复合材料，包括2层碳纤维布和2层中空玻璃纤维布，从上到下依次为1层碳纤维布、2层中空玻璃纤维布和1层碳纤维布，在环氧树脂混合液中浸润后热压成型。所述碳纤维布是将碳纤维束经纬编织后形成，每束碳纤维丝为3000根，所述碳纤维丝的直径为6μm，所述碳纤维布的厚度为0.022mm。所述玻璃纤维布是将玻璃纤维束经纬编织形成，每束玻璃纤维丝为3000根，所述中空玻璃纤维丝的直径为7μm，内部中空部分的孔径为3μm，所述中空玻璃纤维布的厚度为0.024mm。
所述环氧树脂混合液中包括双酚A型环氧树脂75份、固化剂20份(包括MDI和TDI的混合物，质量比为2.6:1)、消泡剂2份(包括GPE10和GPE20的混合物，质量比为1.3:1)、流平剂3份(包括聚二甲基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷的混合物，质量比为1.6:1)。
上述碳纤维复合材料的制备方法为：
1)按配方比例，将双酚A型环氧树脂、固化剂、消泡剂、流平剂在搅拌釜中搅拌均匀，转速为3000r/min，放置20分钟静置，制得稳定的环氧树脂混合液；
2)将经纬编织的碳纤维布和中空玻璃纤维布进行层铺；
3)将层铺完成的碳纤维布与中空玻璃纤维布在环氧树脂混合液中浸润，放置在成型热压模具中，保持负压0.1MPa，合模后升温至95℃，保持40min，之后升温至120℃，保持60min，后冷却至室温，去除后进行边缘多胶部分切割磨边处理，打磨后根据图纸CNC加工成型。
表1实施例1-6和对比例1-4的材料参数
表2由实施例和对比例制备的样料裁切成标准样条的性能测试结果
从上述数据可知，对比例1、2、3、4的中随着实心玻璃纤维层数增加，拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量都呈降低趋势，且由于实心玻璃纤维密度大于碳纤维，因此，复合材料的密度也成增加趋势。从实施例1、2、3看出，随着中空玻璃纤维层数的增加，线性膨胀系数增加，拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量也都呈降低趋势，但中空玻璃纤维复合材料的各项性能均要优于实心玻璃纤维，且密度降低，复合材料更轻量化，可以加工成1.0mm以下厚度的电视背板，复合超薄发展趋势。从实施例4、5、6看出，本实施例的复合材料具有优异的力学性能，可以替代全碳纤维使用。
以上实施例仅是本发明若干种优选实施方式中的几种，应当指出，本发明不限于上述实施例；对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。