碳纤维板材及碳纤维板材的制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及复合高分子材料领域，尤其是碳纤维板材及碳纤维板材的制备工艺。
【背景技术】
[0002] 自新中国诞生以来，我国电力工业建设发展迅速。进入21世纪以来，我国电力工 业发展稳居世界第二，随之带来各电压等级的维护作业工作大大增加，而现阶段的作业工 器具，尤其是卡具类大多为钢铁、铝合金等金属材料制成，与我国建设环境友好型和资源节 约型社会的需求相悖。
[0003] 随着现代科学技术的发展，新型材料不断被研发生产并广泛应用。复合材料是材 料领域的奇葩，目前发展最快的是碳纤维复合材料，其特点是⑴比强度高，比模量大；⑵材 料性能具有可设计性；⑶抗腐蚀性能和耐久性能好；⑷热膨胀系数小；生产成本低。
[0004] 碳纤维复合材料的深入应用，对材料性能的要求也越来越高，具有优异的综合性 能的纤维复合材料更加符合各行各业的需求。
[0005] 目前公知的碳纤维板材成型工艺是使用单向纤维板材浸渍树脂后层压固化成型， 成品厚度多为0. 15_-10_，主要用途为建筑加固补强方面。其特点是轴向抗拉强度高、耐 腐蚀性和抗震性。但其弱点是对于抗压构件、剪切构件和受力复杂的构件其性能较低。
[0006] 碳纤维单向布如图2所示，虽然它的纵向和横向都有碳纤维，不过一个方向（通常 是纵向）有大量的无捻粗纱，还有一个方向只有少量的细纱，起得是固定作用，使碳纤维布 不会散开。整块碳纤维布的强度，都集中在无捻粗纱的那一个方向，它的强度，与自身的克 重没有关系，只与碳丝有关。
【发明内容】
[0007] 为了克服以上问题，本发明研宄了用以代替输电线路作业用金属材料工具的具有 多向、多层结构的碳纤维复合材料板材。在保证其抗拉强度高的特性外，提高其抗压、抗弯、 剪切强度和其它使用性能。
[0008] 本发明的技术解决方案是：
[0009] 一种碳纤维板材，其特殊之处在于：包括碳纤维布层和碳纤维丝层，所述碳纤维布 层是纵向碳纤维和横向碳纤维一上一下交织，所述碳纤维丝层用碳纤维进行一上一下双向 交织，碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍有胶结剂，相邻的碳纤维布层之间间隔有碳纤维丝层， 碳纤维布层n层，碳纤维丝层为n-1层，其中n大于或等于2。
[0010] 上述纵向碳纤维和横向碳纤维宽度相同。
[0011] 上述碳纤维丝层用碳纤维进行左右45° -上一下双向交织。
[0012] 上述碳纤维丝层的各层交织角度可以相同。
[0013] 优化的碳纤维丝层各层的交织角度均为45°。
[0014] 碳纤维丝层的各层交织角度也可以不同。
[0015] 制备上述碳纤维板材的工艺，其特别之处在于：包括以下步骤：
[0016] 1)碳纤维布层的制备，采用传统的机织平纹布方法，纵向碳纤维和横向碳纤维呈 一上一下的规律交织；
[0017] 2)碳纤维丝层采用碳纤维进行一上一下双向交织；
[0018] 3)将步骤1)和步骤2)获得的碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍环氧树脂胶；
[0019] 4)用定位装置将浸渍环氧树脂胶后的碳纤维布层分层，浸渍环氧树脂胶后的碳纤 维丝层定位于相邻碳纤维布层的间隔间；
[0020] 5)将步骤4)获得的板材放入预热箱预热；
[0021] 6)将步骤5)获得的板材放入模具恒温加压、冷却定型后脱模。
[0022] 上述步骤2)的碳纤维丝层用碳纤维进行左右45° -上一下双向交织。
[0023] 本发明的优点是：
[0024]1、纵向和横向交织碳纤维布，它的纵向和横向都有大量的无捻粗纱，这样布的受 力方向有两个，交织点多，质地坚牢、表面平整，耐磨性好，其综合受力的性能要明显优于单 向碳纤维布；
[0025] 2、采用纵、横双向碳纤维布虽然增强了横向的受力强度，却也损失了纵向的受力 强度，增加左、右45°双向交叉碳纤维丝层弥补了损失掉的纵向受力强度；
[0026] 3、经浸渍环氧树脂胶结剂后，采用技术先进的挤拉热固一次成型工艺，可最大限 度的排除成品中的气隙，保证了多层结构的稳定性；
[0027] 4、采用挤拉、缠绕、编织一次热固成型工艺的多向多层碳纤维板，能够很好的满足 并优于钢铁、铝合金材料所具有的力学性能。克服了目前市面产品只突出抗拉强度的问题， 既有抗拉强度高的特点，又大大提高了抗压、抗弯、抗扭、抗剪切强度，生产加工成本降低且 便于机械加工，是综合性能更好的碳纤维纤维复合材料板材。
【附图说明】
[0028] 图1本发明纵向和横向交织碳纤维布；
[0029] 图2单向碳纤维布；
[0030] 图3本发明纵向、横向交织示意图；
[0031] 图4本发明碳纤维板制作工艺路线框图；
[0032] 图5本发明碳纤维板制作工艺流程示意图；
[0033] 图6本发明碳纤维板材结构示意图，图中：1，纵向碳纤维和横向碳纤维编织布层； 2,左、右双向交叉碳纤维丝层。
【具体实施方式】
[0034] 如图6所示是本发明碳纤维板材的结构示意图，本发明碳纤维板材结构采用纵、 横向交织碳纤维布1间隔双向交织碳纤维丝层2的多层结构。
[0035] 如图1所示，使用纵向碳纤维和横向碳纤维编织成的碳纤维布作为基材，可根据 产品要求确定板材所需碳纤维布的幅宽及层数。
[0036] 如图2所示是碳纤维单向布，碳纤维单向布它的纵向和横向都有碳纤维，不过一 个方向（通常是纵向）有大量无捻粗纱，还有一个方向只有少量细纱，起固定作用，使碳纤 维布不会散开。整块碳纤维布的强度，都集中在无捻粗纱的那一个方向，它的强度，与自身 的克重没有关系，只与碳丝有关。而纵向和横向交织碳纤维双向布，它的纵向和横向都有 大量的无捻粗纱，这样布的受力方向有两个，特点是交织点多，质地坚牢、表面平整，耐磨性 好，其综合受力的性能要明显优于单向碳纤维布。
[0037] 纵向和横向交织碳纤维双向布采用传统的机织平纹布方法，即纵向碳纤维和横 向碳纤维呈一上一下的规律交织。纵向、横向碳纤维每隔一根碳纤维就呈十字形交叉，如图 3所示，纵向碳纤维为1、3、5、7在上，2、4、6、8在下，横向碳纤维为1、3、5、7在上，2、4、6、8在 下。
[0038] 在相邻的碳纤维双向布的隔层间用碳纤维丝进行左右双向交织。因为采用纵横向 双向碳纤维布虽然增强了横向的受力强度，却也损失了纵向的受力强度。增加左右双向交 叉碳纤维丝层是为了弥补损失掉的纵向受力强度，各碳纤维丝层交织角度可以相同也可以 不同，优选的碳纤维丝的交织角度为45°。
[0039] 图4是本发明碳纤维板材的制备工艺流程框图，图5是碳纤维板制作工艺流程示 意图，如图4和图5所示，首先是碳纤维布层的制备，采用传统的机织平纹布方法，纵向碳纤 维和横向碳纤维呈一上一下的规律交织；碳纤维丝层采用一上一下向双相交织；将获得的 碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍环氧树脂胶；用定位装置将浸渍环氧树脂胶后的碳纤维布层 分层，浸渍环氧树脂胶后的碳纤维丝层定位于碳纤维布层的隔层间；将获得的板材放入预 热箱预热后放入模具恒温加压、冷却后脱模。
[0040] 经浸渍环氧树脂胶结剂后，采用技术先进的挤拉热固一次成型工艺，可最大限度 的排除成品中的气隙，保证了多层结构的稳定性。
[0041] 表1到表6列出了本发明碳纤维板材的基本性能试验结果。
[0042] 表7到表12列出了外购碳纤维板材的基本性能试验结果。
[0043] 表13列出了几种材料力学基本性能对比。
[0044] 表1本发明碳纤维板材的抗拉试件强度表
【主权项】
1. 一种碳纤维板材，其特征在于：包括碳纤维布层和碳纤维丝层，所述碳纤维布层是 纵向碳纤维和横向碳纤维一上一下交织，所述碳纤维丝层用碳纤维进行一上一下双向交 织，碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍有胶结剂，相邻的碳纤维布层之间间隔有碳纤维丝层，碳 纤维布层n层，碳纤维丝层为n-1层，其中n大于或等于2。
2. 根据权利要求1所述的碳纤维板材，其特征在于：纵向碳纤维和横向碳纤维宽度相 同。
3. 根据权利要求1所述的碳纤维板材，其特征在于：碳纤维丝层用碳纤维进行左右 45° -上一下双向交织。
4. 根据权利要求1所述的碳纤维板材，其特征在于：碳纤维丝层的各层交织角度相同。
5. 根据权利要求4所述的碳纤维板材，其特征在于：碳纤维丝层各层的交织角度均为 45。。
6. 根据权利要求1所述的碳纤维板材，其特征在于：碳纤维丝层的各层交织角度不同。
7. -种制备权利要求1中碳纤维板材的工艺，其特征在于：包括以下步骤： 1) 碳纤维布层的制备，采用传统的机织平纹布方法，纵向碳纤维和横向碳纤维呈一上 一下的规律交织； 2) 碳纤维丝层采用碳纤维进行一上一下双向交织； 3) 将步骤1)和步骤2)获得的碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍环氧树脂胶； 4) 用定位装置将浸渍环氧树脂胶后的碳纤维布层分层，浸渍环氧树脂胶后的碳纤维丝 层定位于相邻碳纤维布层的间隔间； 5) 将步骤4)获得的板材放入预热箱预热； 6) 将步骤5)获得的板材放入模具恒温加压、冷却定型后脱模。
8. 根据权利要求7所述的制备权利要求1中碳纤维板材的工艺，其特征在于：所述步 骤2)的碳纤维丝层用碳纤维进行左右45° -上一下双向交织。
【专利摘要】本发明提供一种碳纤维板材，包括碳纤维布层和碳纤维丝层，碳纤维布层是纵向碳纤维和横向碳纤维一上一下交织，碳纤维丝层用碳纤维进行一上一下双向交织，碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍有胶结剂，相邻的碳纤维布层之间间隔有碳纤维丝层。制备该碳纤维板材的工艺包括：碳纤维布的交织；碳纤维丝向双相交织；碳纤维布层和碳纤维丝层浸渍环氧树脂胶；碳纤维丝层定位于碳纤维布层的隔层间；将获得的板材放入预热箱预热后放入模具恒温加压、冷却后脱模。本发明的碳纤维板材克服了目前市面产品只突出抗拉强度的问题，既有抗拉强度高的特点，又大大提高了抗压、抗弯、抗扭、抗剪切强度，是综合性能更好的碳纤维复合材料板材。
【IPC分类】B32B5-28, B32B37-06, B32B37-12, B32B37-08, B32B38-08, B32B27-04, B32B9-04, B32B27-38
【公开号】CN104691041
【申请号】CN201510125053
【发明人】杨福奖
【申请人】陕西斯福特电力科技有限公司, 陕西秦川电力器材实业有限公司
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月20日