具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈的制作方法
【專利摘要】一種具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈包含一輪圈主體，該輪圈主體具有一適于接觸剎車塊的剎車接觸部分且是由一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所制成；該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括一樹脂基質(zhì)及強(qiáng)化纖維的至少一纖維層，該纖維層被嵌入及浸潤于該樹脂基質(zhì)中，該樹脂基質(zhì)是由一含有石墨烯及一樹脂的樹脂組成物所制成；基于該樹脂組成物的總重量，該石墨烯的用量范圍為0.1wt％至30wt％，該樹脂的用量范圍為70wt％至99.5wt％。借此可搭配玻璃轉(zhuǎn)移溫度相對較低的樹脂制造纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，以節(jié)省加工成型所須能源的消耗。
【專利說明】具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，特別是涉及一種包含一由一含有石墨烯的組成物制成的剎車接觸部分的具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈。

【背景技術(shù)】
[0002]由于輕量及優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，針對高端自行車輪圈的發(fā)展，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)越來越受歡迎?，F(xiàn)有的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通常包括一種樹脂材料構(gòu)成的樹脂基質(zhì)及嵌入于該樹脂基質(zhì)中的碳纖維。
[0003]現(xiàn)有的輪圈由于剎車所引起的輪圈溫度上升(以下簡稱為「剎車溫度」)而遭受熱磨耗。剎車的溫度越高，輪圈的熱磨耗越嚴(yán)重，且輪圈的使用壽命會縮短。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，需要使用玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg)遠(yuǎn)高于剎車時輪圈的潛在最大剎車溫度的樹脂材料。該樹脂材料的玻璃轉(zhuǎn)移溫度越高，該樹脂材料承受剎車應(yīng)力的能力越好。然而，該樹脂材料的玻璃轉(zhuǎn)移溫度越高，該樹脂材料所需的費(fèi)用越高，且輪圈的制造過程將會更加地復(fù)雜且困難，例如成形溫度、硬化時間增加，不僅浪費(fèi)能源更導(dǎo)致樹脂變得硬又脆、成本增加。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種可以克服與先前技術(shù)相關(guān)的上述缺點(diǎn)的具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈。
[0005]本發(fā)明提供一種具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈。該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈包含一具有一適于接觸剎車塊的剎車接觸部分的輪圈主體。該輪圈主體是由一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所制成。該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括一樹脂基質(zhì)及強(qiáng)化纖維的至少一纖維層。該纖維層被嵌入及浸潤于該樹脂基質(zhì)中，該樹脂基質(zhì)是由一含有石墨烯及一樹脂的樹脂組成物所制成。基于該樹脂組成物的總重量，該石墨烯的用量范圍為0.lwt%至30wt%，該樹脂的用量范圍為7(^丨％至99.5wt%。
[0006]本發(fā)明的有益效果在于:將含有石墨烯的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于制造纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，可以緩解先前技術(shù)相關(guān)的上述缺點(diǎn)且當(dāng)添加較多的石墨烯時，該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在剎車期間的散熱熱導(dǎo)率越高，從而可搭配Tg相對較低的樹脂，節(jié)省加工成型所須能源的消耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是剖視圖，說明本發(fā)明一個實(shí)施例的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈。

【具體實(shí)施方式】
[0008]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0009]參閱圖1根據(jù)本發(fā)明揭示一個具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈I的實(shí)施例。該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈I有一具有一對分別適于接觸剎車塊(圖未示)的剎車接觸部分12的輪圈主體11。可以理解的是，具體實(shí)施時，該剎車接觸部分12也可以僅設(shè)置一個。
[0010]該輪圈主體11是由一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成。該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括一樹脂基質(zhì)及至少一纖維層。該纖維層包括多個強(qiáng)化纖維并被嵌入及浸潤于該樹脂基質(zhì)中，該樹脂基質(zhì)是由一含有石墨烯及一樹脂的樹脂組成物所制成。在樹脂組成物中添加石墨烯顯著地增加了該剎車接觸部分12的熱導(dǎo)率及散熱能力，進(jìn)而可使用具有較低Tg的樹脂。
[0011]較佳地,基于該樹脂組成物的總重量,該石墨烯的用量范圍為0.1￥1:%至30wt%,該樹脂的用量范圍為70被％至99.5wt%。
[0012]較佳地，基于該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的總重量，該樹脂基質(zhì)的用量范圍為15wt%至60wt%,所述強(qiáng)化纖維的用量范圍為40wt%至85wt%。
[0013]更佳地,基于該樹脂組成物的總重量,該石墨烯的用量范圍為0.5界1:%至10wt%,該樹脂的用量范圍為90wt%至99.5wt%。最佳地，基于該樹脂組成物的總重量，該石墨烯的用量為0.5wt%，該樹脂的用量為99.5wt%。
[0014]較佳地,該石墨烯的碳含量大于95wt% ,更佳地是大于99.5wt%。
[0015]市售的石墨烯的形式可以是干粉狀或分散在溶劑中的懸浮液。溶劑的實(shí)例包括丙酮、甲基乙基酮(methyl ethyl ketone,簡稱 MEK)、二甲基甲酸胺(dimethylformamide)、N-甲基批咯燒酮(N-methylpyrrolidone,簡稱NMP),及前述的組合。石墨烯粉末的顆粒尺寸較佳地是小于lOOnm，更佳地是小于20nm。
[0016]該樹脂可例如是選自于由下列所構(gòu)成群組的樹脂:環(huán)氧樹脂、乙烯酯、不飽和聚酯類樹脂、酚醛樹脂，及前述之一組合。較佳地，該樹脂是環(huán)氧樹脂。
[0017]所述強(qiáng)化纖維可例如是選自于由下列所構(gòu)成群組的強(qiáng)化纖維:無機(jī)纖維、有機(jī)纖維，及前述之一組合。該無機(jī)纖維可以是碳纖維、玻璃纖維，及玄武巖纖維。該有機(jī)纖維可以是克維拉纖維(Kevlar fibers)、超高分子量聚乙烯(Ultra-high-molecular-weightpolyethylene,簡稱 UHMWPE)纖維，及液晶聚合物(liquid crystal polymer)纖維。較佳地，所述強(qiáng)化纖維是碳纖維。
[0018]本發(fā)明的樹脂組成物可視實(shí)際的要求選擇性地包含合適的添加劑。該添加劑可包括增塑劑、加工助劑、增強(qiáng)劑、著色劑、熱穩(wěn)定劑、偶合劑、固化劑等等。較佳地，該樹脂組成物還含有一固化劑及一抗沖擊改質(zhì)劑。
[0019]較佳地，該輪圈主體11的適于接觸剎車塊的剎車接觸部分12是由一第一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所制成，且該輪圈主體11的其他部分是由一第二纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所制成。該第一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、該第二纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分別可為如前所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。該第一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的石墨烯含量是大于或等于該第二纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的石墨烯含量，以促進(jìn)散熱。
[0020]該樹脂組成物的制備可以是通過在一溶劑中混合石墨烯及該樹脂。該溶劑可例如丙酮、甲基乙基酮、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮，及前述之一組合。較佳地，石墨烯及該樹脂的混合物對該溶劑的重量比例是2:1。
[0021]該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈I的形成可以是采用傳統(tǒng)的方法，為求簡潔不在此進(jìn)一步討論。
[0022]本發(fā)明將就以下實(shí)施例來作進(jìn)一步說明，但應(yīng)了解的是，該實(shí)施例僅為例示說明之用，而不應(yīng)被解釋為本發(fā)明實(shí)施之限制。
[0023]<制備例I至5及制備比較例I >
[0024]制備例I的樹脂組成物及該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈(PEl)
[0025]將0.5wt%的石墨烯(購自于Vittoria,具有小于50nm的顆粒尺寸)均勻地分散于MEK中以提供一石墨烯溶液。一邊攪拌一邊將99.5wt%的環(huán)氧樹脂加入該石墨烯溶液以形成一樹脂組成物漿料。石墨烯和環(huán)氧樹脂混合物對溶劑的重量比例是2:1。將該樹脂組成物漿料的溶劑干燥以提供一樹脂組成物。該樹脂組成物是記載于表I。
[0026]將該樹脂組成物漿料涂布于94個強(qiáng)化纖維并排的纖維層(FAW075)的頂面及底面以形成一經(jīng)涂布的纖維薄片。該經(jīng)涂布的纖維薄片經(jīng)熱壓(熨燙)浸潤后形成一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(此【技術(shù)領(lǐng)域】也稱此類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為預(yù)浸物(prepreg))。該熱壓溫度為90至120°C且該熱壓時間為0.1至0.5分鐘。制備例I的該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的組成物是記載于表2。
[0027]制備例2至5的樹脂組成物及該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈(PE2至PE5)
[0028]制備例2至5的樹脂組成物及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制程及條件是與制備例I類似，不同處在于石墨烯及環(huán)氧樹脂的用量。
[0029]制備例2至5的樹脂組成物是記載于表I。
[0030]制備比較例I的樹脂組成物及該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈(CPEl)
[0031]制備比較例I的樹脂組成物及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制程及條件是與制備例I類似，不同處在于制備比較例I不含有石墨烯。
[0032]制備比較例I的樹脂組成物及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是分別記載于表I及表2。
[0033]〈物性測試〉
[0034]制備例1、2及制備比較例I之纖維增強(qiáng)復(fù)合材料依據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)裁成試片。制備例1、2及制備比較例I之纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的試片及制備例I至5及制備比較例I之樹脂組成物進(jìn)行下列測試:
[0035]樹脂組成物的熱導(dǎo)率(Thermal conductivity, κ )是依據(jù)ASTME1461方法測試；
[0036]樹脂組成物的抗彎強(qiáng)度(Flexural strength)是依據(jù)ASTM D790方法測試；
[0037]樹脂組成物的彎曲模量(Flexural modulus)是依據(jù)ASTM D790方法測試；
[0038]樹脂組成物的拉伸強(qiáng)度(Tensile strength)是依據(jù)ASTM D638方法測試；
[0039]樹脂組成物的拉伸模量(Tensile modulus)是依據(jù)ASTM D638方法測試；
[0040]樹脂組成物的伸長率(Elongat1n)是依據(jù)ASTM D638方法測試；
[0041]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試片的熱導(dǎo)率(Thermal conductivity, κ )是依據(jù)ASTME1461方法測試；
[0042]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試片的抗彎強(qiáng)度(Flexural strength)是依據(jù)ASTM D7264方法測試；
[0043]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試片的彎曲模量(Flexural modulus)是依據(jù)ASTM D7264方法測試 '及
[0044]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試片的層間剪切強(qiáng)度(Interlaminar shear strength, ILSS)是依據(jù)ASTM D2344方法測試。
[0045]測試結(jié)果記錄于表I及表2。
[0046]表I
[0047]
樹脂組成物I制備例制裕比
_____較例
_ I I 2I345I
石墨烯(vt%) I O:5 I[11520O樹脂■ 99.5 99I908580100
K........................[...........................:............................1..........................:——IL 2141.4761.7050.741
i)i^@ K 126.58^ ―-1:--102.35
(MPa) I I 1:彎曲模量 3887 — I ——— 3660
(GPa)______—拉伸強(qiáng)—It——45:—32——: —: —- 34, 02
(MPa)_I___
1? ?φ:?.............3550.35 J::-- 3284.26 i
(MPa)_I______
伸長率(%)....................................1——1:45—1.........................:..........................1.........................:...........................-- 1.02
[0048]「-」表不未測試。
[0049]表2
[0050]
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料I制備例11制備例2I制備比較例?
纖維(Wt % )636363
樹脂組成物Ut % )373737
~1.116~ 1.1231.076
抗彎強(qiáng)度(MPa)1632.95 1570.591452.61
彎曲模量(GPa)148.79 115.3119.96
ILSS (kgf/mm2)76.20~ 69.0260.21
[0051]「_」表不未測試。
[0052]<實(shí)施例1及2及比較例I >
[0053]實(shí)施例1的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈(El)
[0054]將制備例I纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(含有石墨烯0.5wt %，環(huán)氧樹脂99.5wt % )的兩個試片相互貼合并置入一模具中。將一充氣袋置入該模具中，之后將該模具關(guān)閉并加熱至120至200°C的成型溫度0.5至2小時。當(dāng)該模具被加熱到成型溫度，該充氣袋被充氣至可以壓迫該模具的內(nèi)壁以按壓所述試片。
[0055]實(shí)施例1的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈是依航翊公司型號700C制造，具有60_高的輪廊及23.5mm的覽度。
[0056]實(shí)施例2的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈(E2)
[0057]實(shí)施例2的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈的制程及條件是與實(shí)施例1類似，除了所用的是制備例2的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(含有石墨烯Iwt %，環(huán)氧樹脂99wt% )。
[0058]比較例I的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈(CEl)
[0059]比較例I的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈的制程及條件是與實(shí)施例1類似，除了所用的是制備比較例I纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(不含石墨烯)。
[0060]〈性能測試〉
[0061]將實(shí)施例1及2及比較例I的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈進(jìn)行下列測試。測試結(jié)果記錄于表3。
[0062]剎車溫度測試:
[0063]將輪圈的輪軸荷重65kg以進(jìn)行三階段的剎車溫度測試。記錄每一階段的起始溫度及最終溫度。
[0064]第一階段:轉(zhuǎn)動輪圈至速度為50km/hr，之后，持續(xù)30分鐘交替地施加一剎車塊至該輪圈，然后將該剎車塊自該輪圈移開。每次施加剎車塊是持續(xù)5秒鐘，每次放開剎車塊也是持續(xù)5秒鐘。
[0065]第二階段:施加一剎車塊至該輪圈并維持輪圈以20至23km/hr的速度轉(zhuǎn)動，持續(xù)9分鐘。
[0066]第三階段:施加一剎車塊至該輪圈并維持輪圈以20至23km/hr的速度轉(zhuǎn)動，持續(xù)15分鐘。
[0067]輻條孔的強(qiáng)度:
[0068]將四個輻條分別設(shè)置于輪圈0°、90°、180°及270。位置的四個模制輪輻孔(spoke hole)。每一輻條的一端分別是由一個抵制于輪輻孔周緣的螺紋接頭固定。將每一輻條未被固定的一端往與被固定的一端相反的方向拉扯至該輪圈損壞且該輻條脫出。記錄該拉力值(pull force),且該拉力值必須大于275kg。
[0069]橫向剛性測試:
[0070]橫向剛性是依據(jù)EN14781:2005-4.10.3.2方法測試。以數(shù)值上來說，剛性和彈性呈反比。
[0071]表3
[0072]纖維增強(qiáng)?介材料輪圈|實(shí)施例1 實(shí)施例2 比較例I
纖維增強(qiáng)纖維I 7070__70
復(fù)合樹料樹脂.?質(zhì)303030
樹Ii組成物碰烯_I 0.5__I__O
樹脂I 99.599100
剎車溫度 tB'.階段起始I 18.225.319.8
測+MU0C) _ 15終 I 85__72,799.1
第二階段起始 I I?.2 24.7 20.1
圾終 I 13 1118.7 M0.4
第+.:階段起始 I 23.226.920:?終 I 138.2 130.1 154.7
輥條孔的強(qiáng)度477__545__464
(kg)461466430

554582420
_493495456
橫 W 剛性0.160.080.40
(mm)0.10.160.20

I0,050.170.17
[0073]
[0074]如表I及2所示，添加石墨烯會提升本發(fā)明該樹脂組成物及該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和機(jī)械性質(zhì)。值得注意的是，如表2所示，實(shí)施例1的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(含
0.5wt%石墨烯)的機(jī)械性質(zhì)優(yōu)于實(shí)施例2的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(含1.0wt%石墨烯)。
[0075]如表3所示的剎車溫度測試結(jié)果，和比較例I相較，實(shí)施例1及2的輪圈的剎車溫度在第一、第二及第三階段都有明顯地降低。值得注意的是，是當(dāng)石墨烯的含量由0wt%增加到1.0wt%，第二階段剎車測試的剎車溫度由140°C降低到118°C (降低將近20% )，第三階段剎車測試的剎車溫度由154°C降低到130°C (降低將近20%)。因此，在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中添加石墨烯可以解決現(xiàn)有輪圈所遇到的熱磨耗變形的問題。
[0076]此外，對照制備例I及2可以看出，當(dāng)添加較多的石墨烯，該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在剎車期間的散熱熱導(dǎo)率越高，也就是說，可搭配Tg相對較低的樹脂，節(jié)省加工成型所須能源的消耗。
[0077]綜上所述，本發(fā)明通過將含有石墨烯的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于制造纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，與先前技術(shù)相關(guān)的上述缺點(diǎn)可以得到緩解，所以確實(shí)能達(dá)成本發(fā)明之目的。
[0078]以上所述者，僅為本發(fā)明之較佳實(shí)施例而已，當(dāng)不能以此限定本發(fā)明實(shí)施之范圍，即大凡依本發(fā)明權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發(fā)明涵蓋之范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，其特征在于:該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈包含: 一輪圈主體，具有一適于接觸剎車塊的剎車接觸部分且是由一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所制成；該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括一樹脂基質(zhì)及至少一纖維層，該纖維層包括多個強(qiáng)化纖維并被嵌入及浸潤于該樹脂基質(zhì)中，該樹脂基質(zhì)是由一含有石墨烯及一樹脂的樹脂組成物所制成； 基于該樹脂組成物的總重量，該石墨烯的用量范圍為0.lwt%至30wt%，該樹脂的用量范圍為7(^丨％至99.5wt%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，其特征在于:基于該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的總重量，該樹脂基質(zhì)的用量范圍為15wt%至60wt%，所述強(qiáng)化纖維的用量范圍為40wt %至85wt %。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，其特征在于:基于該樹脂組成物的總重量，該石墨烯的用量范圍為0.5wt%至10wt%，該樹脂的用量范圍為90wt % 至 99.5wt %。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，其特征在于:基于該樹脂組成物的總重量，該石墨烯的用量為0.5wt%,該樹脂的用量為99.5wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，其特征在于:該石墨烯的碳含量大于95wt%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，其特征在于:該樹脂是選自于由下列所構(gòu)成群組的樹脂:環(huán)氧樹脂、乙烯酯、不飽和聚酯類樹脂、酚醛樹脂，及前述之一組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，其特征在于:所述強(qiáng)化纖維是選自于由下列所構(gòu)成群組的強(qiáng)化纖維:碳纖維、玻璃纖維、克維拉纖維、玄武巖纖維，及前述之一組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有散熱能力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輪圈，其特征在于:該樹脂組成物還含有一固化劑及一抗沖擊改質(zhì)劑。
【文檔編號】C08L61/06GK104175791SQ201410401780
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】陳英仁, 李紹強(qiáng), 魯?shù)稀た才喽? 瑞尼·提姆曼斯, 史提夫·安東 申請人:維多利亞工業(yè)有限公司