(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010926979.0
(22)申请日 2020.09.07
(71)申请人 深圳市碳创新材料有限公司
地址 518110 广东省深圳市龙华区福城街
道章阁社区章阁老村东区168号2栋
102
申请人 哈尔滨工业大学（深圳）
(72)发明人 何亮 刘栋材 郭早阳 陈良斌
(74)专利代理机构 合肥华利知识产权代理事务
所(普通合伙) 34170
代理人 蒋玉娇
(51)Int.Cl.
B29C 70/34(2006.01)
B29C 70/54(2006.01)
B29C 70/02(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本申请公开了一种改善碳纤维结构件力学
薄片可以根据产品的形状、服役状态等实际条
件，以适当的形式加入；及针对一些形状较小或
者曲率变化较大的产品，使用精密冲床在二维非
晶薄片上预先冲压出合适的微小圆孔。由此大幅
提升碳纤维结构件的抗弯等力学性能，显著改善
抗冲击特性，采用的非晶薄片为二维材料，添加
在碳纤维夹层内，不存在之前一些专利采取的非
晶丝、非晶带等形态增强体在入模具固化过程中
的位移导致的品质不可控等隐患，同时所需的人
工耗时也非常低，
具有明显的经济效益。权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 112140584 A 2020.12.29
C N 112140584
A
1.一种改善碳纤维结构件力学性能的方法，其特征在于，包括：
选取二维非晶薄片；
二维非晶薄片根据产品的形状、服役状态实际条件，以适当的形式加入：
对于规则性的管材、板材等产品，在制作碳纤维预浸布阶段将非晶薄片加入，制备成双层或者多层的非晶片/碳纤维复合预浸布，后续的铺层、预成型、入模固化工序则与常规碳纤维预浸布一样；
对于一些仅仅特定位置或者特定区域需要进行力学增强的产品，可以采用额外添加的工艺；
针对一些形状较小或者曲率变化较大的产品，使用精密冲床在二维非晶薄片上预先冲压出合适的微圆孔，所述微圆孔的排布交错错开。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维非晶薄片为非晶宽带材。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在制作碳纤维预浸布阶段将非晶薄片加入，制备成双层或者
多层的非晶片/碳纤维复合预浸布的步骤，包括：
在非晶薄片两面刷上30-40％比重的环氧树脂，贴于碳纤维预浸布上，以塑料片将其压平并排出内部气体。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微圆孔的直径为0.5-1.0mm，微孔彼此间距为5-10mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，精密冲床的模具配合精度在30微米以下，每次选择5-10层的叠层冲裁。
权 利 要 求 书1/1页CN 112140584 A
一种改善碳纤维结构件力学性能的方法
技术领域
[0001]本发明实施例涉及碳纤维结构件力学性能改善技术领域，具体涉及一种改善碳纤维结构件力学性能的方法。
背景技术
[0002]碳纤维是一种力学性能优异的特种纤维，其密度只有1.8g/cm3，而其模量超过200GPa，抗拉强度一般都在3500Mpa以上，因此具有非常高的比模量及比强度，在航空航天、汽车轻量化等领域具有非常广泛的应用。
[0003]但是，碳纤维是丝束状一维材料，具有非常明显的单向性，因此为了兼顾多个方向的负载工况，在制作碳纤维结构件的时候，铺层需要以不同的角度进行交替叠层。然而，在同一铺层内，碳纤维丝之间呈现平行分布，彼此间仅靠基体树脂连接，因此相互的协调效应较弱，导致无法将碳纤维自身的高强度及高模量等力学性能形成高效的利用。此外，碳纤维是共价键的石墨结构，强度及模量都非常高，但脆性较大，因此在一些外界冲击风险较高的领域，其应用受到了一定的局限。
[0004]非晶合金又称为液体金属，是有别于传统金属的新材料，具有长程无序、短程有序的结构特征，其拉伸强度是传统金属的4-8倍，可以达到1800-4000MPa甚至更高，而其弹性模量只有大约70-100GPa左右；更重要的是，其弹性储能(弹性比功)超过2.3*107J/m3，而且弹性极限可达2％，断裂韧性超过50MPa.m1/2，因此具有极佳的弹性及韧性。除此以外，非晶合金还具有非常好的耐疲劳性、对应力切口不敏感这一特殊的优点。
[0005]利用非晶合金的性能特点，对碳纤维复合材料的不足进行改性、优化，是一种优势互补的全新设计方法。中国发明CN201710305688.8以及CN201710305687.3均尝试了在碳纤维碳纱层内加入非晶丝
或者非晶带材，可以有效的改善碳纤维羽毛球拍的脆性及提升其反弹性能。但是，这两个方案均是采用了丝状或者条带状的非晶作为增强体，这与碳纤维自身一样属于一维单向增强体，无法通过协同效应将层间的碳纤维增强体形成有效的整体，无法充分发挥碳纤维的力学性能；同时对冲击的改善效果也只是针对特定的方向，具有明显的局限性。同时，条带状或者丝状，必须采用手工粘贴的模式，这需要大量的人力资源，一方面造成生产效率低、成本高等经济效益的问题，另一方面也进一步加剧了品质的可控性差。由于碳纤维在高温固化阶段，需要通过模压或者内膨胀等工艺方式对产品进行塑性，而且碳纤维预浸布内的树脂粘度会随着温度的逐渐升高而快速下降；而丝状、条带状增强体在碳纤维夹层中各自分散，相互间没有约束而位移自由度高。这些都导致了丝状或者条带状的增强体在成型阶段的位置偏移、错位，一致性较差。
发明内容
[0006]为此，本发明实施例提供一种改善碳纤维结构件力学性能的方法，通过在碳纤维不同铺层间加入二维的非晶薄片的方法，大幅提升碳纤维结构件的抗弯等力学性能，显著改善抗冲击特性，采用的非晶薄片为二维材料，添加在碳纤维夹层内，不存在之前一些专利
采取的非晶丝、非晶带等形态增强体在入模具固化过程中的位移导致的品质不可控等隐患，同时所需的人工耗时也非常低，具有明显的经济效益。
[0007]为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种改善碳纤维结构件力学性能的方法，包括：
[0008]选取二维非晶薄片；
[0009]二维非晶薄片根据产品的形状、服役状态实际条件，以适当的形式加入：[0010]对于规则性的管材、板材等产品，在制作碳纤维预浸布阶段将非晶薄片加入，制备成双层或者多层的非晶片/碳纤维复合预浸布，后续的铺层、预成型、入模固化工序则与常规碳纤维预浸布一样；
[0011]对于一些仅仅特定位置或者特定区域需要进行力学增强的产品，可以采用额外添加的工艺；
[0012]针对一些形状较小或者曲率变化较大的产品，使用精密冲床在二维非晶薄片上预先冲压出合适的微圆孔，所述微圆孔的排布交错错开。
[0013]进一步地，所述二维非晶薄片为非晶宽带材。
[0014]进一步地，在制作碳纤维预浸布阶段将非晶薄片加入，制备成双层或者多层的非晶片/碳纤维复合预浸布的步骤，包括：
[0015]在非晶薄片两面刷上30-40％比重的环氧树脂，贴于碳纤维预浸布上，以塑料片将其压平并排出内部气体。
[0016]进一步地，所述微圆孔的直径为0.5-1.0mm，微孔彼此间距为5-10mm。
[0017]进一步地，精密冲床的模具配合精度在30微米以下，每次选择5-10层的叠层冲裁。[0018]本发明实施例具有如下优点：
[0019]1、非晶薄片为宏观二维结构增强体，在平面上具有力学性能各项同性，因此，除了自身可以承受来自平面上各方向的载荷外，还可以通过界面结合，将相邻两单向一维碳纤维铺层从二维角度进行面约束，形成协调性的力学整体结构件，大幅提升碳纤维结构件的抗弯等力学性能，显著改善抗冲击特性，尤其类似管材类的闭环结构件，例如羽毛球拍、无人机旋翼及支撑件等的领域，其抗扭性能可以提升20％以上，而抗弯强度则可以提升15％以上。
[0020] 2.碳纤维的弹性模量超过200GPa，断裂伸长率一般不超过1.5％，而非晶的弹性模量只有大约70-100GPa左右，而且弹性极限可达2％，将二维非晶薄片以夹心的形式加入碳纤维铺层内，利用其模量及断裂伸长率的错配，在结构件受到瞬间冲击时，可以通过非晶的优先预形变及内耗效应而有效的提升结构件的耐冲击性能，对羽毛球拍、无人机旋翼及支撑件等的领域，其抗冲击性能可以提升30％以上，振动衰减周期降低15％以上。
[0021] 3.对部分层间结合强度要求较高的碳纤维结构件，选择在二维非晶薄片上冲裁出合适的微孔，碳纤维层间的树脂会贯穿微孔，固化后可以形成有效的钉扎作用，一方面有效改善层间结合强度，防止层
间开裂，另一方面，微孔钉扎效应也增强了二维非晶薄片对相邻一维碳纤维丝束间的束缚效应，从而优化了碳纤维铺层间的协同效应，大幅提升整体刚性，改善其力学强度。
[0022] 4.用于增强的二维非晶薄片原材料，直接采用的是当前已经比较成熟的商业化甩带工艺及设备，具有工艺简单、成本较低、工艺一致性好的特点，而且采用的锆基、铁基、钴
基、镍基等非晶体系均已经具有商业化的成分配方及生产工艺，无需再进行过多的开发及投入。
[0023] 5.由于二维非晶薄片的厚度仅有30-50微米，适当的添加，不会明显的增加产品的重量，没有明显弱化碳纤维自身比强度及比模量高的性能优点。
[0024] 6.采用的非晶薄片为二维材料，添加在碳纤维夹层内，不存在之前一些专利采取的非晶丝、非晶带等形态增强体在入模具固化过程中的位移导致的品质不可控等隐患，同时所需的人工耗时也非常低，具有明显的经济效益。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
[0026]本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。[0027]图1为本发明提供的二维非晶薄片开孔示意图；
[0028]图2为本发明提供的二维非晶薄片/碳纤维预浸布成型方法图；
[0029]图3为本发明提供的未加二维非晶薄片羽毛球拍振动衰减图；
[0030]图4为本发明提供的添加二维非晶薄片羽毛球拍振动衰减图；
[0031]图5为本发明提供的未加二维非晶薄片板材振动衰减图；
[0032]图6为本发明提供的添加二维非晶薄片板材振动衰减图；
具体实施方式
[0033]以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
[0034]实施例1：
[0035]本发明提供一种改善碳纤维结构件力学性能的方法，具体步骤如下：
[0036]选取二维非晶薄片，二维非晶薄片选用当前已经大规模商品的非晶宽带材，宽带材厚度为常规的30-50微米，成型方法是当前已经成熟并商业化的快淬甩带工艺，材质可以是锆基、铁基、镍基、钴基等商品化的非晶宽带材；优选为综合力学性能最佳的锆基非晶，例如，常见的ZrCuNiAlEr配方体系，其配方内添加有过渡金属元素Er，按原子百分比计包括：30-70％的Zr、5-40％的Cu、5-30％的Ni、0-20％的Al以及0-10％的过渡金属元素；[0037]二维非晶薄片根据产品的形状、服役状态等实际条件，以适当的形式加入：[0038]对于规则性的管材、板材等产品，在制作碳纤维预浸布阶段将非晶薄片加入，制备成双层或者多层的非晶片/碳纤维复合预浸布，后续的铺层、预成型、入模固化工序则与常
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