一种高弹性覆铜单向纤维片的制备方法与流程

本发明涉及一种高弹性覆铜单向纤维片的制备方法，属于电子材料和化工的交叉领域。

背景技术

当前，纺织设备、医疗器械上常使用铁电陶瓷薄片作为电能-动能转换器，为驱动铁电陶瓷，常将铁电陶瓷薄片用导电胶粘贴在纸基薄层覆铜电路上，通过给线路加载信号来驱动铁电陶瓷，实现电能-动能转化。随高频和高弹性电子器件的发展，要求作为载体的覆铜线路具有相应的高弹性以适应铁电陶瓷的高频振动及其它往复动作。传统纸基和环氧玻璃布基覆铜板无法适应高频换能器的发展需求。因此，开发高强度的弹性覆铜薄片对于在高频下工作的铁电陶瓷器件显得尤为重要。

相比传统覆铜板如纸基、玻璃纤维布基覆铜板弹性低缺点，应用于换能器件的铁电陶瓷薄片驱动的弹性覆铜薄板需要具有弹性好、径向方向强度高及高度尺寸稳定性等特点，此外，还需要精确的厚度和外型尺寸才能满足实际器件需求。普通的纸基板和玻璃纤维布板径向方向强度低和尺寸稳定性不好，加之弹性差无法满足要求。换能器在高频下的频繁往复振动对薄层线路基板的弹性和强度均提出了更高要求。

为适应高频下工作的能量转换器件如铁电陶瓷驱动器件的有效运行，研制具有振动方向高强度的弹性薄层覆铜板显得尤为重要。所以有必要制备一种弹性非常高的覆铜单向纤维片材料，满足高频能量转换器件需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高弹性覆铜单向纤维片的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种高弹性覆铜单向纤维片的制备方法，包括以下步骤：

1)单向纤维片排布、缠绕

将混合胶液装入纤维排布机的胶槽内，将若干无捻玻璃纤维丝经集丝口集中排布后，牵引进入盛有混合胶液的胶槽，浸胶后浸胶纤维丝经排纱口均匀排列，然后启动纤维排布机，将均匀排布的浸胶纤维纱片依次缠绕在空心轴上，待主轴缠绕完毕后将缠绕的纤维从主轴取下，单面覆盖脱模耐温纸，送入两段温区的隧道炉进行烘干处理；

2)热压成型工艺

将烘干处理后的半固化纤维片的上表面和下表面与铜箔叠合，形成具有铜箔-半固化纤维片-铜箔的夹层结构的试样，再将多个试样叠合在一起，最后将镜面钢板分别放在多个叠好的试样的上表面和下表面；然后放入热压机内，进行热压，得到弹性覆铜单向纤维片。

本发明进一步的改进在于，两段温区的温度分别设置为：80～90℃和110～120℃，长度分别为4m和6m，整个车速设置为1～2.5m/min。

本发明进一步的改进在于，无捻玻璃纤维纱为电子级玻璃纤维。

本发明进一步的改进在于，无捻玻璃纤维丝使用前，在100～120℃下干燥6～8h；数量为20～24团。

本发明进一步的改进在于，在2～4rpm/min的转速下将均匀排布的浸胶纤维纱片依次缠绕在空心轴上。

本发明进一步的改进在于，试样具体通过以下过程制得：铜箔是单面为粗糙面的铜箔；将烘干处理后的半固化纤维片的上表面和下表分别与铜箔的粗糙面叠合，铜箔光滑面向外，形成具有铜箔-半固化纤维片-铜箔的夹层结构的试样。

本发明进一步的改进在于，铜箔的厚度为12～22微米。

本发明进一步的改进在于，热压的条件为：在温度为135～150℃、压力为25～30公斤下保温3～5小时。

本发明进一步的改进在于，混合胶液通过以下过程制得：

将a组分的原料按照质量百分比混合，搅拌均匀，得到a组分，将b组分的原料按照质量百分比混合，搅拌均匀，得到b组分，然后将a组分与b组分混合，搅拌均匀，得到混合胶液；

其中，a组分，按质量百分比计，包括以下原料：

b组分，按质量百分比计，包括以下原料：

二聚酸二异氰酸酯改性丁二烯12-18％

甲基六氢苯矸80-85％

2-甲基咪唑2-3％。

本发明进一步的改进在于，a组分与b组分的质量比1:(1～1.2)。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明采用高强无捻的玻璃纤维丝为增强材料，利用纤维排布机形成了单向浸胶玻璃纤维片，所以在玻璃丝排布方向的强度极高，单向玻璃纤维片厚度约在0.24～0.27mm之间，且厚度容易通过玻璃丝的排布机后续热压工艺进行精确调控。因此，本发明开发的覆铜单向玻璃纤维片为高频换能元器件提供了高强度的弹性且厚度精确控制的基板材料。本发明制备的覆铜单向纤维片厚度约为0.24～0.27mm，和目前相同厚度的纸基覆铜薄板相比，径向的单向纤维具有很高的强度，拉伸强度约为850mpa，约为纸基板的100多倍。相同振幅下振动次数达100万次，约为纸基覆铜薄板的10多倍。覆铜单向纤维片在力学强度、耐热浸焊、抗剥离、电击穿等方面均显著优于纸基覆铜薄板性能。该发明制备弹性覆铜单向纤维片具有很高的绝缘强度和弹性模量，在其上形成相应电路后，粘接铁电陶瓷薄片，构成电-机械转化器件，广泛应用于纺织设备的贾卡梳，医疗器械的超声换能器)、航海军品(水声换能器、电声换能器、高压发生器、红外探测器、引燃引爆装置)、科研开发等领域。

附图说明

图1为弹性覆铜单向纤维片结构示意图。

图2为弹性覆铜单向纤维片制备流程图。

图1中，1为铜箔，2为单向纤维片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

参见图2，本发明的高弹性覆铜单向纤维片的制备方法，包括以下步骤：

1)混合胶配制

将a组分的原料按照质量百分比混合，室温下在转速为50～80rpm/min下搅拌1～3h，得到a组分，将b组分的原料按照质量百分比混合，室温下在转速为200～300rpm/min下搅拌0.5～1h，得到b组分，然后将a组分与b组分按照质量比1:(1～1.2)混合，在转速为150～250rpm/min下搅拌1～2h，得到混合胶液，待用。

其中，a组分，按质量百分比计，包括以下原料：

b组分，按质量百分比计，包括以下原料：

二聚酸二异氰酸酯改性丁二烯(itpb)12-18％

甲基六氢苯矸(methpp)80-85％

2-甲基咪唑2-3％

2)单向纤维片排布、缠绕

将混合胶液装入纤维排布机的胶槽内，将经100～120℃下干燥6～8h的20～24团无捻玻璃纤维丝经集丝口集中后，牵引进入胶槽，通过混合胶液，经湿法无溶剂浸胶后，浸胶纤维丝经排纱口均匀排列，然后启动纤维排布机，在2～4rpm/min的转速下将均匀排布的浸胶纤维纱片依次缠绕在空心轴上，使得缠绕的纱片之间的重叠部分宽度不超过2mm，待主轴缠绕完毕，停机。将多余胶液刮掉，将缠绕完毕的纤维从主轴取下，在下表面覆盖耐温脱模纸，送入2段温区的隧道炉进行烘干处理，两段温区的温度分别设置为：80～90℃和110～120℃，长度分别为4m和6m，整个车速设置为1～2.5m/min。烘烤完毕，将表干的半固化纤维片上表面覆盖脱模纸后，保存。

其中，本发明所使用的无捻玻璃纤维纱为电子级玻璃纤维，铜箔为单面为粗糙面的铜箔。

3)热压成型工艺

在洁净工作平台将纤维片裁成规定尺寸，选取厚度为12～22微米的铜箔，将脱模纸撕取后的半固化纤维片的上、下双面分别和铜箔的粗糙面叠合成铜箔-半固化纤维片-铜箔的三明治结构的夹层结构，铜箔光滑面向外；再将多层夹层试样叠合在一起，最后将镜面钢板分别放在多层叠好的试样的最上、下两面。完毕，将上、下带有镜面钢板的多层叠合试样一起放入热压机内，四边固定。升温加压，升温至温度135～150℃，压力25～30公斤，保温3～5小时。热压完毕，降温至室温，取出试样，即为弹性覆铜单向纤维片。参见图1，本发明制备的弹性覆铜单向纤维片具体结构，包括铜箔1，以及夹于上下铜箔1之间的单向纤维片2。

下面通过具体实施例进行说明。

实施例1

制备工艺包括以下3个步骤：

1)混合胶配制

将a组分的原料按照质量百分比混合，室温下在转速为60rpm/min下搅拌3h，得到a组分，将b组分的原料按照质量百分比混合，室温下在转速为280rpm/min下搅拌0.5h，得到b组分，然后将50kga组分与50kgb组分混合后在转速为250rpm/min下搅拌1.5h，所得100kg混合胶液，待用。

其中，a组分按质量百分比计，包括以下原料：

b组分按质量百分比计，包括以下原料：

二聚酸二异氰酸酯改性丁二烯(itpb)18％

甲基六氢苯矸(methpp)80％

2-甲基咪唑2％

2)单向纤维片排布、缠绕

将50kg的混合胶液逐步装入纤维排布机的胶槽内，将经100℃干燥8h的20团无捻玻璃纤维丝经集丝口集中后，牵引进入胶槽，通过胶液，经湿法无溶剂浸胶后，浸胶纤维丝经排纱口均匀排列，然后启动纤维排布机，在3rpm/min的转速下将均匀排布的浸胶纤维纱片依次缠绕在空心轴上，通过程序调节使得缠绕的纱片之间的重叠部分宽度不超过2mm，待主轴缠绕完毕，停机。将多余胶液刮掉，将缠绕的纤维从主轴取下，单面覆盖脱模耐温纸，送入2段温区的隧道炉进行烘干处理，两段设置温度分别为：85℃和120℃，长度分别为4m、6m，整个车速设置为2m/min。烘烤完毕，将表干的半固化纤维片上表面覆盖脱模纸保存。

3)热压成型工艺

在洁净工作平台将半固化的浸胶单向纤维片裁成规定尺寸，选取厚度为18微米的铜箔，将脱模纸撕取后的半固化纤维片的上、下面和铜箔叠合起来，将多层叠合好的夹层结构试样和镜面钢板叠箔装好，多层一起放入热压机内，四边固定。升温加压，升温至温度140℃，压力28公斤，保温4小时。热压完毕，降温至室温，取出试样，即为弹性覆铜单向纤维片。弹性覆铜单向纤维片的性能见表1。

实施例2

制备工艺包括以下3个步骤：

1)混合胶配制

将a组分的原料按照质量百分比混合，室温下在转速为50rpm/min下搅拌1h，得到a组分，将b组分的原料按照质量百分比混合，室温下在转速为200rpm/min下搅拌1h，得到b组分，然后将a组分与b组分按质量比1:1.1混合后在转速为150rpm/min下搅拌1h，所得混合胶液，待用。

其中，a组分按质量百分比计，包括以下原料：

b组分按质量百分比计，包括以下原料：

二聚酸二异氰酸酯改性丁二烯(itpb)12％

甲基六氢苯矸(methpp)85％

2-甲基咪唑3％

2)单向纤维片排布、缠绕

将50kg的混合胶液逐步装入纤维排布机的胶槽内，将经120℃干燥6h的24团无捻玻璃纤维丝经集丝口集中后，牵引进入胶槽，通过胶液，经湿法无溶剂浸胶后，浸胶纤维丝经排纱口均匀排列，然后启动纤维排布机，在2rpm/min的转速下将均匀排布的浸胶纤维纱片依次缠绕在空心轴上，通过程序调节使得缠绕的纱片之间的重叠部分宽度不超过2mm，待主轴缠绕完毕，停机。将多余胶液刮掉，将缠绕的纤维从主轴取下，单面覆盖脱模耐温纸，送入2段温区的隧道炉进行烘干处理，两段设置温度分别为：80℃和110℃，长度分别为4m、6m，整个车速设置为2.5m/min。烘烤完毕，将表干的半固化纤维片上表面覆盖脱模纸保存。

3)热压成型工艺

在洁净工作平台将半固化的浸胶单向纤维片裁成规定尺寸，选取厚度为12微米的铜箔，将脱模纸撕取后的半固化纤维片的上、下面和铜箔叠合起来，将多层叠合好的夹层结构试样和镜面钢板叠箔装好，多层一起放入热压机内，四边固定。升温加压，升温至温度135℃，压力25公斤，保温3小时。热压完毕，降温至室温，取出试样，即为弹性覆铜单向纤维片。弹性覆铜单向纤维片的性能见表1。

实施例3

制备工艺包括以下3个步骤：

1)混合胶配制

将a组分的原料按照质量百分比混合，室温下在转速为80rpm/min下搅拌2h，得到a组分，将b组分的原料按照质量百分比混合，室温下在转速为300rpm/min下搅拌0.6h，得到b组分，然后将a组分与b组分按质量比1:1.2混合后在转速为200rpm/min下搅拌1h，所得混合胶液，待用。

其中，a组分按质量百分比计，包括以下原料：

b组分按质量百分比计，包括以下原料：

二聚酸二异氰酸酯改性丁二烯(itpb)15％

甲基六氢苯矸(methpp)82％

2-甲基咪唑3％

2)单向纤维片排布、缠绕

将50kg的混合胶液逐步装入纤维排布机的胶槽内，将经110℃干燥7h的22团无捻玻璃纤维丝经集丝口集中后，牵引进入胶槽，通过胶液，经湿法无溶剂浸胶后，浸胶纤维丝经排纱口均匀排列，然后启动纤维排布机，在3rpm/min的转速下将均匀排布的浸胶纤维纱片依次缠绕在空心轴上，通过程序调节使得缠绕的纱片之间的重叠部分宽度不超过2mm，待主轴缠绕完毕，停机。将多余胶液刮掉，将缠绕的纤维从主轴取下，单面覆盖脱模耐温纸，送入2段温区的隧道炉进行烘干处理，两段设置温度分别为：90℃和115℃，长度分别为4m、6m，整个车速设置为2m/min。烘烤完毕，将表干的半固化纤维片上表面覆盖脱模纸保存。

3)热压成型工艺

在洁净工作平台将半固化的浸胶单向纤维片裁成规定尺寸，选取厚度为20微米的铜箔，将脱模纸撕取后的半固化纤维片的上、下面和铜箔叠合起来，将多层叠合好的夹层结构试样和镜面钢板叠箔装好，多层一起放入热压机内，四边固定。升温加压，升温至温度150℃，压力30公斤，保温4小时。热压完毕，降温至室温，取出试样，即为弹性覆铜单向纤维片。弹性覆铜单向纤维片的性能见表1。

实施例4

制备工艺包括以下3个步骤：

1)混合胶配制

将a组分的原料按照质量百分比混合，室温下在转速为70rpm/min下搅拌1.5h，得到a组分，将b组分的原料按照质量百分比混合，室温下在转速为240rpm/min下搅拌0.8h，得到b组分，然后将a组分与b组分按质量比1:1混合后在转速为180rpm/min下搅拌2h，所得混合胶液，待用。

其中，a组分按质量百分比计，包括以下原料：

b组分按质量百分比计，包括以下原料：

二聚酸二异氰酸酯改性丁二烯(itpb)14％

甲基六氢苯矸(methpp)84％

2-甲基咪唑2％

2)单向纤维片排布、缠绕

将50kg的混合胶液逐步装入纤维排布机的胶槽内，将经100℃干燥8h的23团无捻玻璃纤维丝经集丝口集中后，牵引进入胶槽，通过胶液，经湿法无溶剂浸胶后，浸胶纤维丝经排纱口均匀排列，然后启动纤维排布机，在4rpm/min的转速下将均匀排布的浸胶纤维纱片依次缠绕在空心轴上，通过程序调节使得缠绕的纱片之间的重叠部分宽度不超过2mm，待主轴缠绕完毕，停机。将多余胶液刮掉，将缠绕的纤维从主轴取下，单面覆盖脱模耐温纸，送入2段温区的隧道炉进行烘干处理，两段设置温度分别为：87℃和120℃，长度分别为4m、6m，整个车速设置为1m/min。烘烤完毕，将表干的半固化纤维片上表面覆盖脱模纸保存。

3)热压成型工艺

在洁净工作平台将半固化的浸胶单向纤维片裁成规定尺寸，选取厚度为22微米的铜箔，将脱模纸撕取后的半固化纤维片的上、下面和铜箔叠合起来，将多层叠合好的夹层结构试样和镜面钢板叠箔装好，多层一起放入热压机内，四边固定。升温加压，升温至温度145℃，压力27公斤，保温5小时。热压完毕，降温至室温，取出试样，即为弹性覆铜单向纤维片。弹性覆铜单向纤维片的性能见表1。

表1性能检测值

本发明的配方采用了3组分的环氧树脂、活性稀释剂、高绝缘改性聚丁二烯橡胶、复合固化剂等组分，室温下将各组分混合均匀。将多个高强无捻玻璃纤维丝纱团装在纱架上，将混合好的胶液放入胶槽内，多束单向无捻高强纤维丝经过纤维排布机的胶槽胶液后，经湿法浸胶后的单向玻璃丝经过排丝梳子形成均匀排布的玻璃丝带，利用纤维排布机将浸胶纤维丝均匀缠绕排布在直径1.5m的空心旋转轴上，经后续的半固化处理、和铜箔叠层，真空热压成型，得到本发明所需的弹性的覆铜单向纤维片。弹性覆铜单向纤维片的制备工艺过程如图2所示。

本发明采用高强无捻的玻璃纤维丝为增强材料，利用纤维排布机形成了单向浸胶玻璃纤维片，故在玻璃丝方向强度极高，单向玻璃纤维片厚度约0.24～0.27mm之间，且厚度容易通过玻璃丝的排布机后续热压工艺进行精确调控。因此，本发明开发的覆铜单向玻璃纤维片为高频换能元器件提供了高强度的弹性且厚度精确控制的基板材料。本发明制备的弹性覆铜单向纤维片应用于高频换能电子器件。