一种缠绕增强纤维、纤维增强复合材料及其制备方法与流程

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种缠绕增强纤维、纤维增强复合材料及其制备方法。

背景技术：

现有技术中，提高纤维增强复合材料的压缩强度的方式主要有两种：一种是通过对树脂进行改性，以提高树脂强度、或者提高树脂与纤维之间的界面力；另一种方式是通过增强纤维的铺层设计、混杂、或者三维织造等方式来提高纤维织物的强度。

但上述两种方式存在如下缺陷：第一种方式对于纤维增强复合材料的压缩强度提升效果有限；第二种方式中，纤维的铺层和混杂对于纤维增强复合材料的压缩强度提升效果也并不明显，而三维织造的设备费用十分昂贵，大大提高了纤维增强复合材料的生产成本。

此外，目前国内外关于提高连续纤维增强复合材料轴向压缩性能的专利还较少。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种抗弯强度高的纤维增强复合材料，以及一种增强效果好的缠绕增强纤维及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种缠绕增强纤维的制备方法包括步骤：

a.紧固：将增强纤维束两端固定拉紧；

b.缠绕：将多条缠绕纤维束同时缠绕至增强纤维束表面，或者先将一条缠绕纤维束缠绕至增强纤维束表面，再依次将其它缠绕纤维束缠绕至增强纤维束表面。

也就是说，缠绕纤维束是多层而非单层缠绕在增强纤维束表面的。需说明的是，这里的单层缠绕的定义为：一条缠绕纤维束缠绕在增强纤维束表面；多层缠绕的定义为：多条缠绕纤维束缠绕在增强纤维束表面，并非多条缠绕纤维束层层包裹缠绕在增强纤维束表面。

这样的多层缠绕可以在不增加缠绕纤维束的密度下大大提高缠绕增强纤维的抗弯强度，在高性能材料领域提供一种新的材料和制备方法。

进一步的，上述缠绕增强纤维的制备方法中所述步骤b中缠绕纤维束缠绕在增强纤维束表面时，控制缠绕纤维的张力在2-8n。这是为了使得缠绕增强后的缠绕增强纤维具有更好的抗弯强度。

进一步的，上述缠绕增强纤维的制备方法中所述步骤a中控制增强纤维束的拉紧张力为2-8n。这是为了在后期制备纤维增强复合材料时控制树脂流入纤维内部的渗透率，从而使得树脂与纤维结合适当，渗入的树脂能够对纤维本身有增强的作用，但不至于过多影响抗弯强度，最终使得制备的纤维增强复合材料强度更好，耐弯耐折性更优。

进一步的，上述缠绕增强纤维的制备方法中所述增强纤维束的组成纤维为无机纤维；所述缠绕纤维束的组成纤维为有机纤维。无机纤维通常具有高模量和低抗弯强度，当然这里优选使用的增强纤维束组成纤维为高模量无机纤维，高模量无机纤维即由无机材料组成的纤维，并且其模量不低于176cn/dkex。

进一步优选的，上述缠绕增强纤维的制备方法中所述增强纤维束的组成纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或多种混合；所述缠绕纤维束的组成纤维为丙纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维中的一种或多种混合。超高分子量聚乙烯纤维是分子量在100万-500万的聚乙烯所纺出的高强高模聚乙烯纤维。

进一步的，上述缠绕增强纤维的制备方法中所述缠绕纤维束螺旋缠绕在增强纤维束的表面；所述缠绕纤维束为多条，每条缠绕纤维束在增强纤维束表面螺旋缠绕的螺旋角的角度为30-75°，每条缠绕纤维束在增强纤维束表面螺旋缠绕的螺旋角相同。螺旋角的定义：增强纤维束所在的圆柱表面上，缠绕纤维束缠绕形成的螺旋线的切线与通过切点的圆柱面直母线之间所夹的锐角；螺旋角相同即每条缠绕纤维束相互之间是平行的。

进一步的，上述缠绕增强纤维的制备方法中所述增强纤维束每束含有1000-12000根增强纤维，所述增强纤维的的规格为594-7200旦；所述缠绕纤维束每束含有50-200根增强纤维，所述缠绕纤维的的规格为5-50旦。

进一步的，上述缠绕增强纤维的制备方法中所述多条缠绕纤维束每条之间的间隔相等，其间隔为2-6mm。这是为了进一步提高增强复合材料的压缩强度和压缩性能。

进一步优选的，上述缠绕增强纤维的制备方法中所述缠绕纤维束包括两条缠绕纤维束：第一缠绕纤维束和第二缠绕纤维束；所述第一缠绕纤维束与第二缠绕纤维束之间的距离相等。缠绕纤维束的数量为两束，即缠绕增强纤维是双层缠绕的方式，这对于生产设备来说更好调整，同时制备的缠绕增强纤维的抗弯强度较优。

本发明还提供一种缠绕增强纤维，按照如上所述的制备方法制备而得。

本发明还提供一种纤维增强复合材料，其包括如上所述的缠绕增强纤维和树脂；所述缠绕增强纤维和树脂的体积比为(45-60)：(40-55)。多条缠绕增强纤维平行排列均匀分布在树脂内，两者可以通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺进行成型，也可以通过其它方式复合在一起形成纤维增强树脂材料。

综上所述，本发明提供的缠绕增强纤维通过在增强纤维束外表面缠绕上多层缠绕纤维束，使得增强复合材料的压缩强度和压缩性能能够较原增强纤维束提高50％左右，比单层缠绕的纤维增强复合材料的抗弯强度高25％左右，该方法简单易操作，生产设备改动和调整较小，能够便于普遍推广，利用简单的方法获得高性能纤维，为高性能纺织材料领域提供一种新途径，也符合集约型产业发展的趋势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一实施例提供的缠绕增强纤维的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的单层缠绕纤维增强复合材料的破坏试验的断面照片；

图3为本发明一实施例提供的双层缠绕纤维增强复合材料的破坏试验的断面照片；

图4为本发明实施例中无缠绕、单层缠绕、双层缠绕的纤维增强复合材料的抗弯强度对比图。

具体实施方式

下面结合图1至图4以及具体的实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，本发明所记载的实施例仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将增强纤维束1两端固定拉紧，控制增强纤维束1的拉紧张力为8n；将两条缠绕纤维束同时螺旋缠绕至增强纤维束1表面，控制缠绕纤维的张力在6n。每条缠绕纤维束在增强纤维束1表面螺旋缠绕的螺旋角的角度为45°，每条缠绕纤维束在增强纤维束1表面螺旋缠绕的螺旋角相同，且两条缠绕纤维束之间的距离为4mm。

增强纤维束1的组成纤维为碳纤维，每束含有5000根增强纤维，所述增强纤维的的规格为1000旦；缠绕纤维束的组成纤维为丙纶纤维，每束含有150根增强纤维，所述缠绕纤维的的规格为40旦。.

为更直观的理解，上述文字结合附图阐述如下：制备所得缠绕增强纤维如图1所示，所述缠绕纤维束包括两条缠绕纤维束：第一缠绕纤维束2和第二缠绕纤维束3，第一缠绕纤维束2的螺旋角α为45°，第二缠绕纤维束3的螺旋角β也为45°。

将按上述方法制得的缠绕增强纤维和环氧树脂按体积比为60：40，在固化剂的作用下通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺进行成型得纤维增强复合材料。

实施例2

将增强纤维束1两端固定拉紧，控制增强纤维束1的拉紧张力为6n；将两条缠绕纤维束同时螺旋缠绕至增强纤维束1表面，控制缠绕纤维的张力在2n。每条缠绕纤维束在增强纤维束1表面螺旋缠绕的螺旋角的角度为60°，每条缠绕纤维束在增强纤维束1表面螺旋缠绕的螺旋角相同，且两条缠绕纤维束之间的距离为2mm。

增强纤维束1的组成纤维为玄武岩纤维，每束含有1000根增强纤维，所述增强纤维的的规格为594旦；缠绕纤维束的组成纤维为聚对苯撑苯并二噁唑纤维，每束含有100根增强纤维，所述缠绕纤维的的规格为10旦。

将按上述方法制得的缠绕增强纤维和环氧树脂按体积比为45：55，在固化剂的作用下通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺进行成型得纤维增强复合材料。

实施例3

将增强纤维束1两端固定拉紧，控制增强纤维束1的拉紧张力为2n；先将一条缠绕纤维束缠绕至增强纤维束1表面，再将另一条缠绕纤维束缠绕至增强纤维束1表面，控制缠绕纤维的张力在8n。每条缠绕纤维束在增强纤维束1表面螺旋缠绕的螺旋角的角度为30°，每条缠绕纤维束在增强纤维束1表面螺旋缠绕的螺旋角相同，且两条缠绕纤维束之间的距离为6mm。

增强纤维束1的组成纤维为玻璃纤维，每束含有10000根增强纤维，所述增强纤维的的规格为6000旦；缠绕纤维束的组成纤维为超高分子量聚乙烯纤维，每束含有50根增强纤维，所述缠绕纤维的的规格为45旦。

将按上述方法制得的缠绕增强纤维和环氧树脂按体积比为55：50，在固化剂的作用下通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺进行成型得纤维增强复合材料。

对比例1

1.无缠绕纤维增强复合材料cfrp：增强纤维和环氧树脂按体积比为50：50，在固化剂的作用下通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺进行成型得cfrp。增强纤维为碳纤维束，规格：每束含有3000根增强纤维，所述增强纤维的的规格为1000旦。

2.单层缠绕纤维增强复合材料scy/cfrp：单层缠绕增强纤维和环氧树脂按体积比为50：50，在固化剂的作用下通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺进行成型得scy/cfrp。所用单层缠绕增强纤维按如下方法制备：

将增强纤维束1两端固定拉紧，控制增强纤维束1的拉紧张力为6n；将一条缠绕纤维束同时螺旋缠绕至增强纤维束1表面，控制缠绕纤维的张力在6n。缠绕纤维束在增强纤维束1表面螺旋缠绕的螺旋角的角度为45°，缠绕纤维束在圆柱形增强纤维束1的母线上的间距为4mm。

增强纤维束1的组成纤维为碳纤维，每束含有3000根增强纤维，所述增强纤维的的规格为1000旦；缠绕纤维束的组成纤维为丙纶纤维，每束含有150根增强纤维，所述缠绕纤维的的规格为40旦。

3.双层缠绕纤维增强复合材料dcy/cfrp：双层缠绕增强纤维和环氧树脂按体积比为50：50，在固化剂的作用下通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺进行成型得dcy/cfrp。所用单层缠绕增强纤维按如下方法制备：

将增强纤维束1两端固定拉紧，控制增强纤维束1的拉紧张力为6n；将两条缠绕纤维束同时螺旋缠绕至增强纤维束1表面，控制缠绕纤维的张力在6n。每条缠绕纤维束在增强纤维束1表面螺旋缠绕的螺旋角的角度为45°，每条缠绕纤维束在增强纤维束1表面螺旋缠绕的螺旋角相同，且两条缠绕纤维束之间的距离为4mm。

增强纤维束1的组成纤维为碳纤维，每束含有3000根增强纤维，所述增强纤维的的规格为1000旦；缠绕纤维束的组成纤维为丙纶纤维，每束含有150根增强纤维，所述缠绕纤维的的规格为40旦。

将制备所得cfrp、scy/cfrp、dcy/cfrp进行抗弯测试，压力方向垂直于增强纤维长度方向：

测试样片尺寸：长78mm、宽12.5±0.5mm、高2±0.2mm，按照标准jisk7076-1991进行测试，测试结果如图2、图3、图4所示。

从图2可以看出单层缠绕纤维增强复合材料在破坏试验中，整片的破坏效果明显，断面断裂彻底且断裂点较为集中，说明其抗弯强度较差，并且易从某点开始失效，进而引发整片断裂；从图2可以看出双层缠绕纤维增强复合材料在破坏试验中，断面断裂并不彻底，且断裂面十分不平整，说明其抗弯强度较好，不易因某点的失效引发整片的断裂。

将cfrp、scy/cfrp、dcy/cfrp三者的测试结果集中对比显示于图4中，可以看出，双层缠绕纤维增强复合材料的抗弯强度远大于无缠绕或单层缠绕纤维增强复合材料。