一种伞及其碳纤维复合材料伞骨的制备方法与流程

本发明属于伞制备领域，具体涉及一种伞及其碳纤维复合材料伞骨的制备方法。

背景技术：

碳纤维(carbonfiber，简称cf)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

市面上的伞，伞架多为金属的，遇水后伞架容易生锈，而且金属的伞架比较重，也比较容易变形，有待进一步改进。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种高强度、重量轻的碳纤维复合材料伞骨，另一目的是提供一种制备上述碳纤维复合材料伞骨的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种碳纤维复合材料伞骨的制备方法，所述碳纤维复合材料伞骨由以下重量百分比的原料组成：碳纤维18-22％、铝72-76％、铜0.24-0.3％、镧0.15-0.25％、硅1.2-1.5％、铁0.3-0.4％、锗0.4-0.69％、钇2.2-2.8％、锡0.6-0.72％、钴0.1-0.15％；

所述碳纤维复合材料伞骨的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将碳纤维加热至460-490℃，保温40-50min，自然冷却至室温；然后将冷却后的碳纤维置于质量浓度为65-70％的浓硝酸中搅拌60-70min；再将碳纤维置于敏化液中，敏化18-22min；接着将碳纤维置于活化液中搅拌3-5min；随后将碳纤维置于还原液中搅拌1-2min；最后置于100-110℃下真空干燥2.5-3h；

步骤二，将金属铜熔化后，喷涂至步骤一处理后的碳纤维，干燥得到镀铜碳纤维；

步骤三，将单质铝、镧、硅、铁、锗、钇、锡和钴混合熔化，在800-850℃下保温1.5-1.8h，得到铝熔体；

步骤四，将步骤二得到的镀铜碳纤维在860-880℃下与步骤三得到的铝熔体混合后倒入模具中浇筑，即可得到碳纤维复合材料伞骨；

所述活化液包括6-8g/l苯甲酸钠、0.5-0.8g/l硼氢化钠、2-2.5g/l六偏磷酸钠、4-5g/l溴化镍。

进一步的，所述敏化液为sncl2·h2o溶液与hcl溶液按体积比1:1-2混合的混合液，sncl2·h2o溶液的溶度为40-50g/l，hcl溶液的溶度为20-30ml/l。

进一步的，所述还原液为浓度为10-12g/l的亚磷酸钠溶液。

进一步的，所述步骤一中，碳纤维的活化温度为45-55℃。

进一步的，所述步骤一中，碳纤维处理时，碳纤维进行粗化、敏化、活化和还原时均需要先用去离子水将碳纤维冲洗至中性，再进行下一个步骤。

一种伞，包括伞面和支撑伞面的伞骨组件，其特征在于：所述伞骨组件包括多根碳纤维复合材料伞骨，碳纤维复合材料伞骨采用以上任一项所述的制备方法制得。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明以碳纤维与铝配合，并加入其他金属配合，其中，铝和其他金属单质主要起强化作用，通过加入钇增强伞骨抗氧化性和延展性，增加伞骨的拉伸强度，加入锗、锡和钴以增强伞骨的强度，使制得碳纤维复合材料伞骨具有较高的拉伸强度、比强度、比弹性模量、疲劳强度；碳纤维经过去胶和粗化处理后，表面含氧量高达25％，并且在强酸条件下也没有破坏碳纤维，通过敏化-活化-还原，并限定活化液的组成使得碳纤维表面分布均匀的活化点，使得镀铜时镀层更加均分并且拥有一定的结合。

附图说明

图1为伞的具体结构示意图；

图中，1-伞骨组件、11-伞骨。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参照图1所示，一种伞，包括伞面和伞骨组件1，伞骨组件1包括多根碳纤维复合材料伞骨11。

碳纤维复合材料伞骨由以下重量百分比的原料组成：碳纤维18-22％、铝72-76％、铜0.24-0.3％、镧0.15-0.25％、硅1.2-1.5％、铁0.3-0.4％、锗0.4-0.69％、钇2.2-2.8％、锡0.6-0.72％、钴0.1-0.15％。

碳纤维复合材料伞骨的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，①去胶：将碳纤维加热至460-490℃，保温40-50min，自然冷却至室温；

②粗化：将冷却后的碳纤维置于质量浓度为65-70％的浓硝酸中搅拌60-70min，然后用去离子水水洗至中性；

③敏化：将粗化后的碳纤维置于敏化液中，敏化18-22min，然后用去离子水水洗至中性；

④活化：接着将碳纤维置于活化液中搅拌3-5min，再用去离子水水洗至中性，活化温度为45-55℃；

⑤还原：随后将碳纤维置于10-12g/l的亚磷酸钠溶液中搅拌1-2min，然后用去离子水水洗至中性；

⑥干燥：置于100-110℃下真空干燥2.5-3h；

步骤二，将金属铜熔化后，喷涂至步骤一处理后的碳纤维，干燥得到镀铜碳纤维；

步骤三，将单质铝、镧、硅、铁、锗、钇、锡和钴混合熔化，在800-850℃下保温1.5-1.8h，得到铝熔体；

步骤四，将步骤二得到的镀铜碳纤维在860-880℃下与步骤三得到的铝熔体混合后倒入模具中浇筑，即可得到碳纤维复合材料伞骨；

敏化液为sncl2·h2o溶液与hcl溶液按体积比1:1-2混合的混合液，sncl2·h2o溶液的溶度为40-50g/l，hcl溶液的溶度为20-30ml/l。

活化液包括6-8g/l苯甲酸钠、0.5-0.8g/l硼氢化钠、2-2.5g/l六偏磷酸钠、4-5g/l溴化镍。

实施例1

一种伞，包括伞面和伞骨组件1，伞骨组件1包括多根碳纤维复合材料伞骨11。

碳纤维复合材料伞骨由以下重量百分比的原料组成：碳纤维18％、铝76％、铜0.24％、镧0.25％、硅1.5％、铁0.3％、锗0.69％、钇2.2％、锡0.72％、钴0.1％。

碳纤维复合材料伞骨的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，①去胶：将碳纤维加热至460℃，保温50min，自然冷却至室温；

②粗化：将冷却后的碳纤维置于质量浓度为70％的浓硝酸中搅拌60min，然后用去离子水水洗至中性；

③敏化：将粗化后的碳纤维置于敏化液中，敏化18min，然后用去离子水水洗至中性；

④活化：接着将碳纤维置于活化液中搅拌3min，再用去离子水水洗至中性，活化温度为55℃；

⑤还原：随后将碳纤维置于12g/l的亚磷酸钠溶液中搅拌1min，然后用去离子水水洗至中性；

⑥干燥：置于100℃下真空干燥3h；

步骤二，将金属铜熔化后，喷涂至步骤一处理后的碳纤维，干燥得到镀铜碳纤维；

步骤三，将单质铝、镧、硅、铁、锗、钇、锡和钴混合熔化，在800℃下保温1.8h，得到铝熔体；

步骤四，将步骤二得到的镀铜碳纤维在860℃下与步骤三得到的铝熔体混合后倒入模具中浇筑，即可得到碳纤维复合材料伞骨；

敏化液为sncl2·h2o溶液与hcl溶液按体积比1:1混合的混合液，sncl2·h2o溶液的溶度为40g/l，hcl溶液的溶度为30ml/l。

活化液包括6g/l苯甲酸钠、0.8g/l硼氢化钠、2.5g/l六偏磷酸钠、4g/l溴化镍。

通过上述方法制得的碳纤维复合材料伞骨，其密度可达2.4g/cm3，抗拉强度达240mpa，硬度为92hb，弹性模量117gpa，比强度236mpa，比弹性模量68gpa，在5*106循环周次下疲劳强度为124(s)/mpa。

实施例2

一种伞，包括伞面和伞骨组件1，伞骨组件1包括多根碳纤维复合材料伞骨11。

碳纤维复合材料伞骨由以下重量百分比的原料组成：碳纤维22％、铝72％、铜0.3％、镧0.15％、硅1.2％、铁0.4％、锗0.4％、钇2.8％、锡0.6％、钴0.15％。

碳纤维复合材料伞骨的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，①去胶：将碳纤维加热至490℃，保温40min，自然冷却至室温；

②粗化：将冷却后的碳纤维置于质量浓度为65％的浓硝酸中搅拌70min，然后用去离子水水洗至中性；

③敏化：将粗化后的碳纤维置于敏化液中，敏化22min，然后用去离子水水洗至中性；

④活化：接着将碳纤维置于活化液中搅拌5min，再用去离子水水洗至中性，活化温度为45℃；

⑤还原：随后将碳纤维置于10g/l的亚磷酸钠溶液中搅拌2min，然后用去离子水水洗至中性；

⑥干燥：置于110℃下真空干燥2.5h；

步骤二，将金属铜熔化后，喷涂至步骤一处理后的碳纤维，干燥得到镀铜碳纤维；

步骤三，将单质铝、镧、硅、铁、锗、钇、锡和钴混合熔化，在850℃下保温1.5h，得到铝熔体；

步骤四，将步骤二得到的镀铜碳纤维在880℃下与步骤三得到的铝熔体混合后倒入模具中浇筑，即可得到碳纤维复合材料伞骨；

敏化液为sncl2·h2o溶液与hcl溶液按体积比1:2混合的混合液，sncl2·h2o溶液的溶度为50g/l，hcl溶液的溶度为20ml/l。

活化液包括8g/l苯甲酸钠、0.5g/l硼氢化钠、2g/l六偏磷酸钠、5g/l溴化镍。

通过上述方法制得的碳纤维复合材料伞骨，其密度可达2.36g/cm3，抗拉强度达248mpa，硬度为98hb，弹性模量122gpa，比强度242mpa，比弹性模量69gpa，在5*106循环周次下疲劳强度为128(s)/mpa。

实施例3

一种伞，包括伞面和伞骨组件1，伞骨组件1包括多根碳纤维复合材料伞骨11。

碳纤维复合材料伞骨由以下重量百分比的原料组成：碳纤维20％、铝74％、铜0.27％、镧0.2％、硅1.35％、铁0.35％、锗0.53％、钇2.5％、锡0.68％、钴0.12％。

碳纤维复合材料伞骨的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，①去胶：将碳纤维加热至475℃，保温45min，自然冷却至室温；

②粗化：将冷却后的碳纤维置于质量浓度为68％的浓硝酸中搅拌65min，然后用去离子水水洗至中性；

③敏化：将粗化后的碳纤维置于敏化液中，敏化20min，然后用去离子水水洗至中性；

④活化：接着将碳纤维置于活化液中搅拌4min，再用去离子水水洗至中性，活化温度为50℃；

⑤还原：随后将碳纤维置于11g/l的亚磷酸钠溶液中搅拌1.5min，然后用去离子水水洗至中性；

⑥干燥：置于105℃下真空干燥2.7h；

步骤二，将金属铜熔化后，喷涂至步骤一处理后的碳纤维，干燥得到镀铜碳纤维；

步骤三，将单质铝、镧、硅、铁、锗、钇、锡和钴混合熔化，在825℃下保温1.6h，得到铝熔体；

步骤四，将步骤二得到的镀铜碳纤维在870℃下与步骤三得到的铝熔体混合后倒入模具中浇筑，即可得到碳纤维复合材料伞骨；

敏化液为sncl2·h2o溶液与hcl溶液按体积比1:1.5混合的混合液，sncl2·h2o溶液的溶度为45g/l，hcl溶液的溶度为25ml/l。

活化液包括7g/l苯甲酸钠、0.7g/l硼氢化钠、2.2g/l六偏磷酸钠、4.5g/l溴化镍。

通过上述方法制得的碳纤维复合材料伞骨，其密度可达2.31g/cm3，抗拉强度达253mpa，硬度为97hb，弹性模量127gpa，比强度243mpa，比弹性模量71gpa，在5*106循环周次下疲劳强度为132(s)/mpa。

本发明以碳纤维与铝配合，并加入其他金属配合，其中，铝和其他金属单质主要起强化作用，通过加入钇增强伞骨抗氧化性和延展性，增加伞骨的拉伸强度，加入锗、锡和钴以增强伞骨的强度，使制得碳纤维复合材料伞骨具有较高的拉伸强度、比强度、比弹性模量、疲劳强度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。