[发明专利]一种改善碳纤维结构件力学性能的方法

说明书

本申请公开了一种改善碳纤维结构件力学性能的方法，包括选取二维非晶薄片；二维非晶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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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：

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；