本公開涉及材料制備
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地，涉及一種熱塑性碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：碳纖維復(fù)合材料是將碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合所制成的結(jié)構(gòu)材料，其具有耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定、密度低、力學(xué)性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因而在航空、航天和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的迅速拓展也對材料技術(shù)性能的改進(jìn)提出了更進(jìn)一步的要求。目前熱塑性碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品主要有兩種制備方法，第一種方法是在碳纖維布鋪覆完成后，將熱塑性樹脂熔融后浸漬碳纖維布，再冷卻制成零部件，該技術(shù)的缺陷在于熱塑性樹脂的高粘度特征增加了其浸漬碳纖維的難度，導(dǎo)致加工的周期長且樹脂在體系中分散不均勻，從而影響產(chǎn)品的力學(xué)性能；第二種方法是先將熱塑性樹脂與碳纖維布復(fù)合制成預(yù)浸料，然后將預(yù)浸料進(jìn)行鋪覆，加熱使熱塑性樹脂熔融制成目標(biāo)零部件，該技術(shù)的缺陷在于需要對熱塑性樹脂進(jìn)行反復(fù)加熱，加工周期長，耗能高且反復(fù)加熱導(dǎo)致產(chǎn)品性能降低。因此需要提供一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、力學(xué)性能高、生產(chǎn)周期短的熱塑性碳纖維復(fù)合材料及其制備工藝。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本公開的目的是克服現(xiàn)有的熱塑性碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品加工技術(shù)中所存在的上述缺陷，提供一種力學(xué)性能好、制造過程不需反復(fù)加熱的熱塑性碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本公開第一方面：提供一種制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：S1、將連續(xù)碳纖維絲束與熱塑性樹脂絲束進(jìn)行編織獲得復(fù)合編織物，在所述復(fù)合編織物中，連續(xù)碳纖維絲束呈斜紋編織方式排布，所述熱塑性樹脂絲束沿斜紋編織所形成的斜向紋路的延伸方向平行編織在所述復(fù)合編織物中；S2、將所述復(fù)合編織物置于模具中進(jìn)行加熱后模壓成型。優(yōu)選地，按重量份計，所述熱塑性樹脂絲束的用量為35-60份，所述連續(xù)碳纖維絲束的用量為40-65份。優(yōu)選地，在步驟S2中，加熱的溫度為從15-25℃升溫至熱塑性樹脂絲束的熔融溫度，并在所述熔融溫度保溫至熱塑性樹脂絲束完全熔化。優(yōu)選地，復(fù)合編織物中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的夾角為50°-130°；經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束與所述斜向紋路之間的銳角夾角為25°-65°。優(yōu)選地，所述熱塑性樹脂絲束的直徑為8D-40D，熱塑性樹脂絲束中熱塑性樹脂單絲的直徑為80-100μm；所述連續(xù)碳纖維絲束的規(guī)格為6K、12K、24K或48K，所述連續(xù)碳纖維絲束中連續(xù)碳纖維絲的直徑為7-9μm。優(yōu)選地，所述熱塑性樹脂絲束為聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯和聚酰胺中的至少一種。優(yōu)選地，所述復(fù)合編織物的編織密度為500-700g/m2。優(yōu)選地，所述模壓成型的壓力為0.4-0.7MPa。優(yōu)選地，所述方法還包括將所述復(fù)合編織物剪切為尺寸為長90-110mm、寬70-90mm的復(fù)合編織物絲段，再對所述復(fù)合編織物絲段進(jìn)行模壓成型。本公開的第二方面，提供一種熱塑性碳纖維復(fù)合材料，該熱塑性碳纖維復(fù)合材料是由本公開的第一方面的方法制備得到的。通過上述技術(shù)方案，本公開提供的方法生產(chǎn)過程的周期短耗能低，所制備的熱塑性碳纖維復(fù)合材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、力學(xué)性能高。本公開的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說明。附圖說明附圖是用來提供對本公開的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本公開，但并不構(gòu)成對本公開的限制。在附圖中：圖1是熱塑性碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品中，連續(xù)碳纖維絲束的排布情況。圖2是實(shí)施例1中在圓柱形芯材表面編織的復(fù)合編織物的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是實(shí)施例1中編織獲得的閉合圓環(huán)狀的復(fù)合編織物。圖4是實(shí)施例1模壓成型后獲得的電池托盤零件。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對本公開的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說明和解釋本公開，并不用于限制本公開。本公開第一方面，提供一種制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：S1、將連續(xù)碳纖維絲束與熱塑性樹脂絲束進(jìn)行編織獲得復(fù)合編織物，在所述復(fù)合編織物中，連續(xù)碳纖維絲束呈斜紋編織方式排布，所述熱塑性樹脂絲束沿斜紋編織所形成的斜向紋路的延伸方向平行編織在所述復(fù)合編織物中；S2、將所述復(fù)合編織物置于模具中進(jìn)行加熱后模壓成型。其中，所述熱塑性樹脂絲束為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)和聚酰胺(尼龍，PA)中的至少一種。優(yōu)選的，當(dāng)所述熱塑性樹脂絲束為PA時，樹脂在產(chǎn)品中的分散效果更均勻，產(chǎn)品的力學(xué)性能更高，化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定。其中，所述熱塑性樹脂絲束的直徑和所述連續(xù)碳纖維絲束的直徑可以為本領(lǐng)域制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料所常規(guī)使用的尺寸，優(yōu)選的，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的力學(xué)性能，所述熱塑性樹脂絲束的直徑為8D-40D，熱塑性樹脂絲束中熱塑性樹脂單絲的直徑為80-100μm；所述連續(xù)碳纖維絲束的規(guī)格為6K、12K、24K或48K，所述連續(xù)碳纖維絲束中連續(xù)碳纖維絲的直徑為7-9μm。根據(jù)本公開的第一方面，按重量份計，所述熱塑性樹脂絲束的用量為35-60份，所述連續(xù)碳纖維絲束的用量為40-65份；優(yōu)選的，所述熱塑性樹脂絲束的用量為45-55份，所述連續(xù)碳纖維絲束的用量為45-55份。根據(jù)本公開的第一方面，復(fù)合編織物中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的夾角為50°-130°；經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束與所述斜向紋路之間的銳角夾角為25°-65°。所述熱塑性樹脂絲束是沿所述斜向紋路的延伸方向編織的，所述熱塑性樹脂絲束與所述經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的銳角夾角為25°-65°。在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述復(fù)合編織物中，熱塑性樹脂絲束的編織位置可以為斜向紋路中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束的交叉點(diǎn)，在該交叉點(diǎn)處，熱塑性樹脂絲束位于緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間，從而使得產(chǎn)品中熱塑性樹脂對于連續(xù)碳纖維絲束的浸潤包裹更為均勻和穩(wěn)固，加強(qiáng)產(chǎn)品在受到不同方向拉伸力時的強(qiáng)度。根據(jù)本公開的第一方面，對于編織的過程沒有特別的限制，只要能夠獲得所述復(fù)合編織物即可，例如，可以使用編織機(jī)完成材料的編織。所述復(fù)合編織物可以為三維編織獲得的具有三維結(jié)構(gòu)的復(fù)合編織物，也可以為二維編織獲得的二維編織布形式的復(fù)合編織物。根據(jù)本公開的第一方面，所述復(fù)合編織物的編織密度為500-700g/m2。優(yōu)選的，當(dāng)所述復(fù)合編織物的編織密度為550-600g/m2時，獲得的復(fù)合材料最終產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度及模量更高?？蛇x的，可以根據(jù)所需要產(chǎn)品的形狀選擇相應(yīng)的編織芯材，在所述編織芯材表面編織三維復(fù)合編織物，編織后將芯材抽出，獲得三維的具有閉合圓環(huán)狀的復(fù)合編織物，而后將這種閉合圓環(huán)狀的復(fù)合編織物鋪放在模具內(nèi)，進(jìn)行加熱及模壓成型，這種利用閉合圓環(huán)狀的復(fù)合編織物獲得的產(chǎn)品可以具有雙層結(jié)構(gòu)，也可根據(jù)所需產(chǎn)品的特點(diǎn)將多個所述閉合圓環(huán)狀的復(fù)合編織物共同放入模具內(nèi)進(jìn)行模壓成型，從而獲得具有多層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。利用該方法制備所述熱塑性碳纖維復(fù)合材料可以在編織階段即獲得與產(chǎn)品形狀接近的復(fù)合編織物，從而不需要對復(fù)合編織物進(jìn)行進(jìn)一步的裁剪和鋪層后模壓成型，減少了加工的步驟，而且，產(chǎn)品截面方向的纖維為連續(xù)結(jié)構(gòu)，與裁剪后的織物相比，保存了復(fù)合編織中連續(xù)碳纖維之間形成的力學(xué)結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品在受到平行于碳纖維方向的拉伸力時具有更好的拉伸強(qiáng)度，力學(xué)性能更好。在一種可選的實(shí)施方式中，可以將所述復(fù)合編織物剪切為尺寸為長90-110mm、寬70-90mm的復(fù)合編織物絲段，再利用所述絲段為原料，進(jìn)行加熱和模壓成型，獲得所述熱塑性碳纖維復(fù)合材料。根據(jù)本公開的第一方面，在步驟S2中，加熱的溫度為從15-25℃升溫至熱塑性樹脂絲束的熔融溫度，并在所述熔融溫度保溫至熱塑性樹脂絲束完全熔融。其中，可以通過利用調(diào)節(jié)模具內(nèi)部的導(dǎo)熱油油溫來控制模具的溫度。所述模壓成型的壓力為0.4-0.7MPa。根據(jù)本公開的第一方面，模壓成型后將產(chǎn)品進(jìn)行冷卻獲得產(chǎn)品，在最終獲得的熱塑性碳纖維復(fù)合材料中，熱塑性樹脂絲束熔融后成為連續(xù)相均勻的浸潤包裹在所述連續(xù)碳纖維絲束上，在所述熱塑性碳纖維復(fù)合材料中，連續(xù)碳纖維絲束的排布情況如圖1所示。在圖1中，連續(xù)碳纖維絲束呈斜紋編織方式排布，從編織物的左上至右下方向具有平行排布的斜向紋路，該斜向紋路是所述復(fù)合編織物中的斜向紋路。本公開的第二方面：提供一種熱塑性碳纖維復(fù)合材料，該熱塑性碳纖維復(fù)合材料是由本公開的第一方面的方法制備得到的。本公開第二方面所提供的熱塑性碳纖維復(fù)合材料中，碳纖維的排布情況如圖1所示，在圖1中，碳纖維呈斜紋編織方式排布，從左上至右下方向均有平行排布的斜向紋路。該熱塑性碳纖維復(fù)合材料中的碳纖維相互編織，熱塑性樹脂連續(xù)均勻的浸潤包裹，材料的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，經(jīng)向與緯向綜合性能良好，碳纖維與樹脂共同發(fā)揮提高力學(xué)性能的作用。以下通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本公開，但是本公開并不因此而受到任何限制。以下實(shí)施例和對比例中，連續(xù)碳纖維絲束的規(guī)格為12K，連續(xù)碳纖維絲束中連續(xù)碳纖維絲的直徑為7μm。熱塑性樹脂絲束為尼龍絲束，直徑為20D，熱塑性樹脂絲束中熱塑性樹脂單絲的直徑為90μm。以下實(shí)施例和對比例中，密度的測試方法參照GB/T9914.3-2013的規(guī)定，拉伸強(qiáng)度及模量的測試方法參照GB/T3362-2005的規(guī)定。實(shí)施例和對比例中所使用的三維編織設(shè)備為法國斯彼樂公司生產(chǎn)的三維編織機(jī)。實(shí)施例1本實(shí)施例用于說明利用本公開所提供的方法制備的電池托盤零件。(1)編織：根據(jù)電池托盤零件的形狀，選擇圓柱形芯材，將芯材固定于編織機(jī)中心，在芯材表面將連續(xù)碳纖維絲束與熱塑性樹脂絲束進(jìn)行編織，連續(xù)碳纖維絲束呈斜紋編織方式排布，熱塑性樹脂絲束沿斜紋編織所形成的斜向紋路的延伸方向平行編織形成復(fù)合編織物，復(fù)合編織物中，緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的夾角為90°；熱塑性樹脂絲束與所述經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的銳角夾角為45°。熱塑性樹脂絲束的編織位置為斜向紋路中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束的交叉點(diǎn)，在該交叉點(diǎn)處，熱塑性樹脂絲束位于緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間，編織密度為580g/m2。按重量份計，熱塑性樹脂絲束的用量為45份，連續(xù)碳纖維絲束的用量為55份。在圓柱形芯材表面編織的復(fù)合編織物的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2中圓柱形芯材表面編織有連續(xù)碳纖維絲束以及平行排布的熱塑性樹脂絲束，圖中以不同深淺程度的顏色區(qū)分表征經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束和緯向的連續(xù)碳纖維絲束。將復(fù)合編織物從芯材上取下，為如圖3所示的閉合圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)半徑40mm，厚度1mm。(2)模壓成型：將編織獲得的閉合圓環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合編織物鋪放在模具中，閉合模具，施加0.6MPa的壓力，在模具中通入導(dǎo)熱油使復(fù)合編織物從20℃逐漸升溫到240℃的熔融溫度，而后保持5min后利用導(dǎo)熱油冷卻至25℃獲得電池托盤零件產(chǎn)品1，如圖4所示，輪廓尺寸80mm×80mm×10mm，厚度2mm。檢測所得產(chǎn)品的密度、拉伸強(qiáng)度檢測結(jié)果見表1。實(shí)施例2按照實(shí)施例1的方法制備電池托盤零件產(chǎn)品2，不同的是，按重量份計，熱塑性樹脂絲束的用量為55份，所述連續(xù)碳纖維絲束的用量為45份。檢測所得產(chǎn)品2的密度、拉伸強(qiáng)度檢測結(jié)果見表1。實(shí)施例3按照實(shí)施例1的方法制備電池托盤零件產(chǎn)品3。不同的是，復(fù)合編織物中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的夾角為50°；熱塑性樹脂絲束與所述經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的銳角夾角為25°。檢測所得產(chǎn)品3的密度、拉伸強(qiáng)度，檢測結(jié)果見表1。實(shí)施例4按照實(shí)施例1的方法制備電池托盤零件產(chǎn)品4。不同的是，所述模壓成型的壓力為0.4MPa。檢測所得產(chǎn)品4的密度、拉伸強(qiáng)度，檢測結(jié)果見表1。對比例1首先將連續(xù)碳纖維絲束編織為二維編織布，然后裁剪二維編織物，使其與實(shí)施例1的電池托盤零件產(chǎn)品的輪廓和尺寸相同，共裁剪得到兩片裁剪后的二維編織布，在模具表面均勻灑下粉體尼龍材料，將裁減后的第一片二維編織布鋪覆于模具內(nèi)，然后再次灑下粉體尼龍材料，再鋪覆裁剪后的第二片編織布并繼續(xù)灑下尼龍，按重量份計，粉體尼龍材料的用量為45份，連續(xù)碳纖維絲束的用量為55份。材料擺放結(jié)束后閉合模具，施加0.6MPa的壓力，在模具中通入導(dǎo)熱油使編織物從20℃逐漸升溫到240℃的熔融溫度，而后保持5min后利用導(dǎo)熱油冷卻至25℃獲得產(chǎn)品D1。對比例2先將連續(xù)碳纖維絲束編織為二維編織布，通過擠出機(jī)將尼龍材料在240℃下熔融，然后在尼龍熔融區(qū)域料筒內(nèi)導(dǎo)入二維編織布，使尼龍浸漬編織布，然后逐步冷卻、牽引出料筒完成預(yù)浸料加工，按重量份計，尼龍材料的用量為45份，連續(xù)碳纖維絲束的用量為55份。對預(yù)浸料進(jìn)行裁減使其與實(shí)施例1的電池托盤零件產(chǎn)品的輪廓和尺寸相同，共裁剪得到兩片裁剪后的預(yù)浸料，將預(yù)浸料逐層鋪覆于模具內(nèi)(共鋪覆兩層)，材料擺放結(jié)束后閉合模具，施加0.6MPa的壓力，在模具中通入導(dǎo)熱油使編織物從20℃逐漸升溫到240℃的熔融溫度，而后保持5min后利用導(dǎo)熱油冷卻至25℃獲得產(chǎn)品D2。表1產(chǎn)品編織密度(g/m2)拉伸強(qiáng)度(Fx/Fy)(MPa)拉伸模量(Ex/Ey)(GPa)15801261/125367.4/64.225501155/113461.1/61.336001381/110471.4/58.545801232/117465.8/63.4D15801114/104861.8/60.4D25801142/112861.8/61.5從表1的數(shù)據(jù)可以看出，本公開提供的方法所制備的熱塑性碳纖維復(fù)合材料較傳統(tǒng)熱塑性碳纖維復(fù)合材料解決了樹脂分布不均勻和加工過程中多次加熱而導(dǎo)致產(chǎn)品性能降低的缺陷，使得纖維與聚乳酸材料連接力更強(qiáng)、材料機(jī)械性能更高。并且，優(yōu)選在熱塑性樹脂絲束的用量為45份，所述連續(xù)碳纖維絲束的用量為55份；復(fù)合編織物中緯向的連續(xù)碳纖維絲束與經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的夾角為90°；熱塑性樹脂絲束與所述經(jīng)向的連續(xù)碳纖維絲束之間的銳角夾角為45°。編織密度為550g/m2，模壓成型的壓力為0.6MPa的條件下，材料的拉伸強(qiáng)度及模量較高。以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本公開的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本公開并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本公開的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本公開的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本公開的保護(hù)范圍。另外需要說明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合為了避免不必要的重復(fù)，本公開對各種可能的組合方式不再另行說明。此外，本公開的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本公開的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本公開所公開的內(nèi)容。當(dāng)前第1頁1 2 3