摘 要:本发明公开了一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料及其制备方法;本发明首次利用纤维金属层板(FMLs)结构,采用生物环氧树脂,同时结合VARTM工艺,使得生物环氧树脂在纤维中均匀分布,并在金属层与纤维织物之间提供良好的界面粘附性,使该复合材料表现出优异的性能;另外,本发明通过将剑麻纤维和菠萝叶纤维应用于复合材料中代替一部分碳纤维,有效减少废弃物和降低材料成本;结果表明,该复合材料不仅具有优异的力学性能,并改善了环境友好性;本发明既响应了环保需求,又在性能和成本之间实现了良好平衡,为未来的材料发展提供了新的方向?
权利要求书
1.一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)对选取的铝合金进行预处理;
2)对菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物进行改性处理;
3)生物环氧树脂的改性处理;
4)采用真空辅助树脂传递模塑工艺合成复合材料?
2.根据权利要求1所述的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其特征在于,步骤1)中所述预处理包括:对铝合金依次进行钻孔?打磨?刻蚀以及阳极氧化?
3.根据权利要求1所述的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其特征在于,步骤2)中所述菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?
4.根据权利要求1所述的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其特征在于,步骤2)中所述改性处理具体为:采用氢氧化钠溶液浸渍菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物,随后清洗至中性,干燥,得到改性处理后的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?
5.根据权利要求4所述的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其特征在于,步骤3)中改性处理具体为:在环氧树脂中添加碳纳米管,混合均匀,即得生物环氧树脂?
6.根据权利要求1所述的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其特征在于,所述碳纳米管长为30 50μm,外径为6 12nm,内径为2 4nm?
7.根据权利要求7所述的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其特征在于,所述碳纳米纤维在环氧树脂中的质量占比为0.2 0.5wt%?
8.根据权利要求4所述的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其特征在于,步骤4)中所述真空辅助树脂传递模塑工艺具体为:1)将铝合金?碳纤维?菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?碳纤维和铝合金,脱模布,浸渍网进行依次堆叠,然后用聚乙烯真空袋覆盖整个堆叠,并将其固定在玻璃模具上;2)将生物环氧树脂与固化剂混合,进行脱气处理后,转移至进料储罐,开启真空泵让树脂完全浸渍复合材料?
9.一种根据权利要求1 8中任一项所述的制备方法制得的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料,其特征在于,其包括菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物,所述菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物的上下表面均依次设置有碳纤维和铝合金,所述铝合金?碳纤维?菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?碳纤维和铝合金之间均填充有含碳纳米管的生物环氧树脂?
10.根据权利要求7所述的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其特征在于,所述铝合金的厚度为0.2 0.6mm,所述碳纤维的厚度为0.2 0.4mm?所述菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物的厚度为0.6 1.0mm?
技术领域
本发明属于汽车材料技术领域,具体涉及一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维 的复合材料及其制备方法?
背景技术
为了实现可持续发展,汽车制造商积极创新新型材料,以取代传统金属?这些材料不仅能提高燃油效率,还能降低制造成本,同时不影响安全性?目前,汽车工业中广泛使用的材料包括铝合金和碳纤维复合材料?这些材料因其轻量化和高强度特性而受到青睐?铝合金因其优异的耐腐蚀性和可加工性而被广泛应用,而碳纤维复合材料则因其卓越的强度重量比而成为高性能汽车的理想选择?尽管现有铝合金和碳纤维复合材料在许多方面表现出色,但在成本?环境影响和性能平衡方面仍存在不足?碳纤维的高成本使其在大规模应用中受到限制,而铝合金的生产过程则伴随着高能耗和碳排放?此外,现有复合材料的可持续性较差,难以满足日益增长的环保要求?
随着材料科学的显著发展和环境保护意识的提高,对更加环保材料的需求日益增加,这些材料被称为“生态复合材料”?因此,研究人员致力于生物纤维金属层板(Bio FMLs)的研发,特别是利用天然资源中的天然纤维?剑麻纤维(KF)是一种从剑麻植物中提取的天然纤维,以其高强度和轻质特性著称?由于其可再生性和生物降解性,剑麻纤维被认为是一种环保材料,适用于增强复合材料的强度和可持续性?同时,菠萝叶废料作为农业废弃物数量巨大,而菠萝叶的利用非常有限,如果能将农业浪费中的菠萝叶废料转化为菠萝叶纤维并应用于工程复合材料中,不仅可以有效减少农业废弃物,还能提升材料的环保性和可持续性?
真空辅助树脂传递模塑(VARTM)是一种单面刚性模具复合材料生产技术;该工艺首先在模具表面涂上脱模剂和凝胶涂层?随后,将金属层和干纤维织物排列在模具上,并用柔性袋膜覆盖;然后,在模具腔内产生真空,引导树脂流入模具,一旦腔体充满树脂,材料就会固化并形成复合材料?VARTM工艺在制造纤维金属层合板(FMLs)方面具有多项优势,可生产高纤维含量?低空隙率和优良增强材料润湿性的复合组件?此外,该工艺成本效益高且节省时间,同时在性能?精度和成本之间保持和谐平衡?
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一?为此,本发明的主要目的在于提供一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料,通过将剑麻纤维和菠萝叶纤维应用于复合材料中代替一部分碳纤维,不仅可以有效减少废弃物,还能为材料提供优良的机械性能和环境效益?
本发明还提供了所述铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法?
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,包括如下步骤:
1)对选取的铝合金进行预处理;
2)对菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物进行改性处理;
3)生物环氧树脂的改性处理;
4)采用真空辅助树脂传递模塑工艺合成复合材料?
在某些具体的实施方式中,步骤1)中所述预处理包括:对铝合金依次进行钻孔?打磨?刻蚀以及阳极氧化?
在某些具体的实施方式中,步骤2)中所述菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?
在某些具体的实施方式中,步骤2)中所述改性处理具体为:采用氢氧化钠溶液浸渍菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物,随后清洗至中性,干燥,得到改性处理后的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?
在某些具体的实施方式中,步骤3)中改性处理具体为:在环氧树脂中添加碳纳米管,混合均匀,即得生物环氧树脂?
在某些具体的实施方式中,所述碳纳米管长为30 50μm,外径为6 12nm,内径为2 4nm?
在某些具体的实施方式中,所述碳纳米纤维在环氧树脂中的质量占比为0.2 0.5wt%?
在某些具体的实施方式中,步骤4)中所述真空辅助树脂传递模塑工艺具体为:
1)将铝合金?碳纤维?菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?碳纤维和铝合金,脱模布,浸渍网进行依次堆叠,然后用聚乙烯真空袋覆盖整个堆叠,并将其固定在玻璃模具上;
2)将生物环氧树脂与固化剂混合,进行脱气处理后,转移至进料储罐,开启真空泵让树脂完全浸渍复合材料?
作为同一发明构思,本发明还提供了一种所述的制备方法制得的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料,其包括菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物,所述菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物的上下表面均依次设置有碳纤维和铝合金,所述铝合金?碳纤维?菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?碳纤维和铝合金之间均填充有含碳纳米管的生物环氧树脂?
在某些具体的实施方式中,所述铝合金的厚度为0.2 0.6mm,所述碳纤维的厚度为0.2 0.4mm?所述菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物的厚度为0.6 1.0mm?
与现有技术相比,本发明至少具有以下优点:
1)本发明所提供的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料,该复合材料不仅具有与现有的铝合金碳纤维复合材料相当的力学性能,并改善了环境友好性,比如其具有1)轻量化:在保持结构强度的同时,减轻了车身重量,提高了燃油效率;2)成本降低:利用可再生的菠萝叶纤维和剑麻纤维代替部分碳纤维材料,降低了材料成本;3)环保性:通过使用天然纤维和生物环氧树脂,降低了环境影响,符合绿色制造的趋势;代替了部分碳纤维降低了成本,符合未来汽车绿色材料的发展方向,因此这种新型复合材料为汽车设计提供了更多的可能性,在汽车上具有很高的实用价值,推动了行业的可持续发展?
2)本发明所提供的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其首次利用纤维金属层板(FMLs)结构,采用生物环氧树脂,通过VARTM合成了一种新型的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维绿色复合材料?同时,通过对自然纤维和生物环氧树脂的改性增强了层面间的结合力,使该复合材料的性能得到了进一步优化?结果表明,该新型材料结合了金属和纤维增强塑料的优点,并克服了两者的缺点?同时,由于VARTM过程中空隙形成减少,通过该方法制备的新材料,生物环氧树脂在纤维中均匀分布,并在金属层与纤维织物之间提供良好的界面粘附性,使该复合材料表现出优异的性能;本发明通过将剑麻纤维和菠萝叶纤维应用于复合材料中代替一部分碳纤维,不仅可以有效减少废弃物,还能为材料提供优良的机械性能和环境效益?这种创新方法既响应了环保需求,又在性能和成本之间实现了良好平衡,为未来的材料发展提供了新的方向?
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式,下面将对具体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?
图1为本发明中铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻叶纤维的复合材料的结构示意图;
图1
图2为本发明的制备方法中采用真空辅助树脂传递模塑工艺合成复合材料的工艺示意图?
图2
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述,以下实施例只是描述性的,不是限定性的,不能以此限定本发明的保护范围?
当以范围?优选范围?或者优选的数值上限以及下限的形式表述某个量?浓度或其它值或参数的时候,应当理解相当于具体揭示了通过将任意一对范围上限或优选数值与任意范围下限或优选数值结合起来的任何范围,而不考虑该范围是否具体揭示?除非另外指出,本文所列出的数值范围值在包括范围的端点,和该范围之内的所有整数和分数?
除非另外说明,本文中所有的百分比?份数?比值等均是按重量计?
本文的材料?方法和实施例均是示例性的,并且除非特别说明,不应理解为限制性的?
下述实施例中,所述碳纳米管的长为30 50μm,外径为6 12nm,内径为2 4nm;
所述菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物购自MSEB公司,平均厚度为0.8mm;其中菠萝叶纤维和剑麻纤维混合编制方向为(+45°? 45°),菠萝叶纤维和剑麻纤维按照1:1的比例进行混合编织;以及碳纤维购自MSEB公司,所述碳纤维的编织方向为(+90°? 90°),厚度为0.28mm?
其中所述环氧树脂为选用Sicomin公司的生物环氧树脂SR GreenPoxy 28和固化剂SD3304,其中生物环氧树脂的密度为1.17g/cm 3,抗拉强度为67MPa,拉伸模量为3.3GPa?
下述实施例中,所述碳纳米管平均长为40μm,平均外径为8nm,平均内径为3nm?
下述实施例中采用的测试方法包括了:
通过分别测试各试验样品的主要性能,来体现产品的层间结合力性能;本申请中所测试的主要性能有剪切强度等?
1)层间结合力测试;
设备:Instron 5967万能试验机.测试方法按照ASTM D2344标准进行;样品尺寸:40mm×12mm?在整个测试过程中保持1mm/min的架空速度?长度与厚度之比始终保持在4:1,以减小拉压应力,导致剪切破坏?
2)机械力学性能测试
其中拉伸测试:采用Instron 3382设备,测试方法按照ASTM D3039标准进行;弯曲测试:采用Instron 5567设备,测试方法按照ASTM°D790标准进行;冲击测试:采用ImatekIM10设备,测试方法按照ASTM D7136标准进行?
实施例1
本实施例提供了一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其包括如下步骤:
1)对选取的铝合金进行预处理;
选取规格型号为0.4×300×300mm的Aluminum 6061 T6铝板,通过水刀切割在铝板上以75mm的间距钻出直径为1mm的圆孔,以增强真空辅助树脂传递模塑(VARTM)过程间树脂的渗透力;接着采用180号砂纸对铝板进行机械磨蚀?然后用NaOH碱性蚀刻和硫酸阳极氧化(具体为:NaOH碱性蚀刻工艺参数为:NaOH浓度:5%;温度:60℃;处理时间:50秒;结束后立即用去离子水冲洗,自然干燥;硫酸阳极氧化工艺参数:硫酸浓度:15%,电流密度:1.2 1.5A/dm2,电压:15V(直流),温度:20±2℃,时间:30分钟,氧化层厚度:约10 15μm(对应粗糙度~2μm);结束后用去离子水冲洗,自然干燥),以增加表面粗糙度(其粗糙度为2μm),从而增强铝片与纤维增强塑料层面之间的粘附性?
2)对菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物进行改性处理;
将干燥的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物(其中菠萝叶纤维和剑麻纤维的比例为1:1)浸泡在1000毫升重量百分比分别为3%氢氧化钠(NaOH)溶液中,浸泡时间为室温下30 60min;其中NaOH溶液与菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物的重量比固定为20:1;随后用蒸馏水多次清洗浸渍后的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物,直到pH值为中性,再将洗净的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物在70℃的干燥箱中干燥5小时,并在室温下放置3天,得到改性后的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?
3)制备复合环氧树脂;
将占环氧树脂0.2wt%的重量百分比的碳纳米管(CNTs)使用磁力搅拌器添加到环氧树脂中混合10分钟,然后用超声波分散器进行分散,得到复合环氧树脂;
4)采用真空辅助树脂传递模塑工艺合成复合材料(如图2所示);
a)用丙酮清洁玻璃模具的表面以消除杂质和污垢,然后在玻璃模具上涂三层蜡,并放置20分钟使其硬化,以便于移除,然后擦去蜡;然后层叠材料,各个材料的层叠顺序为:在玻璃模具上依次层叠金属/纤维复合材料预制件(其中金属/纤维复合材料预制件包括依次层叠的铝合金?碳纤维?菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?碳纤维和铝合金),一层脱模布,一层浸渍网,然后用聚乙烯真空袋覆盖整个堆叠,并使用密封胶带固定在玻璃模具上;将进料管连接到树脂储罐,出口管连接到真空泵;
b)将质量比为100:24的复合环氧树脂与固化剂混合均匀,接着迅速使用超声波设备进行5分钟的脱气处理,得到浸渍环氧树脂;
c)将浸渍环氧树脂通过进料管转移至树脂储罐,通过真空泵以60kPa的压力注入浸渍环氧树脂,浸渍过程中,当浸渍环氧树脂分布到金属/纤维复合材料预制件的层中间时,压力增加到100kPa;当浸渍环氧树脂完全浸湿金属/纤维复合材料预制件后,关闭真空泵,得到浸渍复合材料;
d)静置24小时,将浸渍复合材料冷却至室温,保证浸渍复合材料完全固化,最后,去除真空袋和脱模布,即得铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料(结构如图1所示)?
实施例2
本实施例提供了一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其包括如下步骤:
1)对选取的铝合金进行预处理;
选取规格型号为0.4×300×300mm的Aluminum 6061 T6铝板,通过水刀切割在铝板上以75mm的间距钻出直径为1mm的圆孔,以增强真空辅助树脂传递模塑(VARTM)过程间树脂的渗透力;接着采用180号砂纸对铝板进行机械磨蚀?然后用NaOH碱性蚀刻和硫酸阳极氧化(具体为:NaOH碱性蚀刻工艺参数为:NaOH浓度:5%;温度:60℃;处理时间:50秒;结束后立即用去离子水冲洗,自然干燥;硫酸阳极氧化工艺参数:硫酸浓度:15%,电流密度:1.2 1.5A/dm2,电压:15V(直流),温度:20±2℃,时间:30分钟,氧化层厚度:约10 15μm(对应粗糙度~2μm);结束后用去离子水冲洗,自然干燥),以增加表面粗糙度(其粗糙度为2μm),从而增强铝片与纤维增强塑料层面之间的粘附性,
2)对菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物进行改性处理;
将干燥的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物(其中菠萝叶纤维和剑麻纤维的比例为1:1)浸泡在1000毫升重量百分比分别为3%氢氧化钠(NaOH)溶液中,浸泡时间为室温下30 60min;其中NaOH溶液与菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物的重量比固定为20:1;随后用蒸馏水多次清洗浸渍后的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物,直到pH值为中性,再将洗净的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物在70℃的干燥箱中干燥5小时,并在室温下放置3天,得到改性后的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?
3)制备复合环氧树脂;
将占环氧树脂0.3wt%的重量百分比的碳纳米管(CNTs)使用磁力搅拌器添加到环氧树脂中混合10分钟,然后用超声波分散器进行分散,得到复合环氧树脂;
4)采用真空辅助树脂传递模塑工艺合成复合材料;
a)用丙酮清洁玻璃模具的表面以消除杂质和污垢,然后在玻璃模具上涂三层蜡,并放置20分钟使其硬化,以便于移除,然后擦去蜡;然后层叠材料,各个材料的层叠顺序为:在玻璃模具上依次层叠金属/纤维复合材料预制件(其中金属/纤维复合材料预制件包括依次层叠的铝合金?碳纤维?菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?碳纤维和铝合金),一层脱模布,一层浸渍网,然后用聚乙烯真空袋覆盖整个堆叠,并使用密封胶带固定在玻璃模具上;将进料管连接到树脂储罐,出口管连接到真空泵;
b)将质量比为100:24的复合环氧树脂与固化剂混合均匀,接着迅速使用超声波设备进行5分钟的脱气处理,得到浸渍环氧树脂;
c)将浸渍环氧树脂通过进料管转移至树脂储罐,通过真空泵以60kPa的压力注入浸渍环氧树脂,浸渍过程中,当浸渍环氧树脂分布到金属/纤维复合材料预制件的层中间时,压力增加到100kPa;当浸渍环氧树脂完全浸湿金属/纤维复合材料预制件后,关闭真空泵,得到浸渍复合材料;
d)静置24小时,将浸渍复合材料冷却至室温,保证浸渍复合材料完全固化,最后,去除真空袋和脱模布,即得铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料?
实施例3
本实施例提供了一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其包括如下步骤:
1)对选取的铝合金进行预处理;
选取规格型号为0.4×300×300mm的Aluminum 6061 T6铝板,通过水刀切割在铝板上以75mm的间距钻出直径为1mm的圆孔,以增强真空辅助树脂传递模塑(VARTM)过程间树脂的渗透力;接着采用180号砂纸对铝板进行机械磨蚀?然后用NaOH碱性蚀刻和硫酸阳极氧化(具体为:NaOH碱性蚀刻工艺参数为:NaOH浓度:5%;温度:60℃;处理时间:50秒;结束后立即用去离子水冲洗,自然干燥;硫酸阳极氧化工艺参数:硫酸浓度:15%,电流密度:1.2 1.5A/dm2,电压:15V(直流),温度:20±2℃,时间:30分钟,氧化层厚度:约10 15μm(对应粗糙度~2μm);结束后用去离子水冲洗,自然干燥),以增加表面粗糙度(其粗糙度为2μm),从而增强铝片与纤维增强塑料层面之间的粘附性,
2)对菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物进行改性处理;
将干燥的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物(其中菠萝叶纤维和剑麻纤维的比例为1:1)浸泡在1000毫升重量百分比分别为3%氢氧化钠(NaOH)溶液中,浸泡时间为室温下30 60min;其中NaOH溶液与菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物的重量比固定为20:1;随后用蒸馏水多次清洗浸渍后的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物,直到pH值为中性,再将洗净的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物在70℃的干燥箱中干燥5小时,并在室温下放置3天,得到改性后的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?
3)制备复合环氧树脂;
将占环氧树脂0.4wt%的重量百分比的碳纳米管(CNTs)使用磁力搅拌器添加到环氧树脂中混合10分钟,然后用超声波分散器进行分散,得到复合环氧树脂;
4)采用真空辅助树脂传递模塑工艺合成复合材料;
a)用丙酮清洁玻璃模具的表面以消除杂质和污垢,然后在玻璃模具上涂三层蜡,并放置20分钟使其硬化,以便于移除,然后擦去蜡;然后层叠材料,各个材料的层叠顺序为:在玻璃模具上依次层叠金属/纤维复合材料预制件(其中金属纤维复合材料预制件包括依次层叠的铝合金?碳纤维?菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?碳纤维和铝合金),一层脱模布,一层浸渍网,然后用聚乙烯真空袋覆盖整个堆叠,并使用密封胶带固定在玻璃模具上;将进料管连接到树脂储罐,出口管连接到真空泵;
b)将质量比为100:24的复合环氧树脂与固化剂混合均匀,接着迅速使用超声波设备进行5分钟的脱气处理,得到浸渍环氧树脂;
c)将浸渍环氧树脂通过进料管转移至树脂储罐,通过真空泵以60kPa的压力注入浸渍环氧树脂,浸渍过程中,当浸渍环氧树脂分布到金属/纤维复合材料预制件的层中间时,压力增加到100kPa;当浸渍环氧树脂完全浸湿金属/纤维复合材料预制件后,关闭真空泵,得到浸渍复合材料;
d)静置24小时,将浸渍复合材料冷却至室温,保证浸渍复合材料完全固化,最后,去除真空袋和脱模布,即得铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料?
实施例4
本实施例提供了一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其包括如下步骤:
1)对选取的铝合金进行预处理;
选取规格型号为0.4×300×300mm的Aluminum 6061 T6铝板,通过水刀切割在铝板上以75mm的间距钻出直径为1mm的圆孔,以增强真空辅助树脂传递模塑(VARTM)过程间树脂的渗透力;接着采用180号砂纸对铝板进行机械磨蚀?然后用NaOH碱性蚀刻和硫酸阳极氧化(具体为:NaOH碱性蚀刻工艺参数为:NaOH浓度:5%;温度:60℃;处理时间:50秒;结束后立即用去离子水冲洗,自然干燥;硫酸阳极氧化工艺参数:硫酸浓度:15%,电流密度:1.2 1.5A/dm2,电压:15V(直流),温度:20±2℃,时间:30分钟,氧化层厚度:约10 15μm(对应粗糙度~2μm);结束后用去离子水冲洗,自然干燥),以增加表面粗糙度(其粗糙度为2μm),从而增强铝片与纤维增强塑料层面之间的粘附性,
2)对菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物进行改性处理;
将干燥的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物(其中菠萝叶纤维和剑麻纤维的比例为1:1)浸泡在1000毫升重量百分比分别为3%氢氧化钠(NaOH)溶液中,浸泡时间为室温下30 60min;其中NaOH溶液与菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物的重量比固定为20:1;随后用蒸馏水多次清洗浸渍后的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物,直到pH值为中性,再将洗净的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物在70℃的干燥箱中干燥5小时,并在室温下放置3天,得到改性后的菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?
3)制备复合环氧树脂;
将占环氧树脂0.5wt%的重量百分比的碳纳米管(CNTs)使用磁力搅拌器添加到环氧树脂中混合10分钟,然后用超声波分散器进行分散,得到复合环氧树脂;
4)采用真空辅助树脂传递模塑工艺合成复合材料;
a)用丙酮清洁玻璃模具的表面以消除杂质和污垢,然后在玻璃模具上涂三层蜡,并放置20分钟使其硬化,以便于移除,然后擦去蜡;然后层叠材料,各个材料的层叠顺序为:在玻璃模具上依次层叠金属/纤维复合材料预制件(其中金属/纤维复合材料预制件包括依次层叠的铝合金?碳纤维?菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?碳纤维和铝合金),一层脱模布,一层浸渍网,然后用聚乙烯真空袋覆盖整个堆叠,并使用密封胶带固定在玻璃模具上;将进料管连接到树脂储罐,出口管连接到真空泵;
b)将质量比为100:24的复合环氧树脂与固化剂混合均匀,接着迅速使用超声波设备进行5分钟的脱气处理,得到浸渍环氧树脂;
c)将浸渍环氧树脂通过进料管转移至树脂储罐,通过真空泵以60kPa的压力注入浸渍环氧树脂,浸渍过程中,当浸渍环氧树脂分布到金属/纤维复合材料预制件的层中间时,压力增加到100kPa;当浸渍环氧树脂完全浸湿金属/纤维复合材料预制件后,关闭真空泵,得到浸渍复合材料;
d)静置24小时,将浸渍复合材料冷却至室温,保证浸渍复合材料完全固化,最后,去除真空袋和脱模布,即得铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料?
对比例1
本对比例提供了一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其与实施例2基本相同,不同之处在于步骤1)中只采用180号砂纸对铝板进行机械磨蚀,而不使用NaOH碱性蚀刻和硫酸阳极氧化;具体为:
选取规格型号为0.4×300×300mm的Aluminum 6061 T6铝板,通过水刀切割在铝板上以75mm的间距钻出直径为1mm的圆孔,以增强真空辅助树脂传递模塑(VARTM)过程间树脂的渗透力;接着采用180号砂纸对铝板进行机械磨蚀,从而增强铝片与纤维增强塑料层面之间的粘附性;
其余步骤2)?3)和步骤4)与实施例2相同?
对比例2
本对比例提供了一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其与实施例2基本相同,不同之处在于不对菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物进行表面改性,即省略对菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物的改性处理步骤,其余步骤1)?3)和4)与实施例2相同?
对比例3
本对比例提供了一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其与实施例2基本相同,不同之处在于步骤4)中改变各个材料的层叠顺序,具体为将原顺序为碳纤维/菠萝叶纤维混合剑麻纤维/碳纤维,改变为菠萝叶纤维混合剑麻纤维/碳纤维/菠萝叶纤维混合剑麻纤维,具体为:
4)采用真空辅助树脂传递模塑工艺合成复合材料;
a)用丙酮清洁玻璃模具的表面以消除杂质和污垢,然后在玻璃模具上涂三层蜡,并放置20分钟使其硬化,以便于移除,然后擦去蜡;然后层叠材料,各个材料的层叠顺序为:在玻璃模具上依次层叠金属/纤维复合材料预制件(其中金属/纤维复合材料预制件包括依次层叠的铝合金?菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?碳纤维?菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物和铝合金),一层脱模布,一层浸渍网,然后用聚乙烯真空袋覆盖整个堆叠,并使用密封胶带固定在玻璃模具上;将进料管连接到树脂储罐,出口管连接到真空泵;
b)将质量比为100:24的复合环氧树脂与固化剂混合均匀,接着迅速使用超声波设备进行5分钟的脱气处理,得到浸渍环氧树脂;
c)将浸渍环氧树脂通过进料管转移至树脂储罐,通过真空泵以60kPa的压力注入浸渍环氧树脂,浸渍过程中,当浸渍环氧树脂分布到金属/纤维复合材料预制件的层中间时,压力增加到100kPa;当浸渍环氧树脂完全浸湿金属/纤维复合材料预制件后,关闭真空泵,得到浸渍复合材料;
d)静置24小时,将浸渍复合材料冷却至室温,保证浸渍复合材料完全固化,最后,去除真空袋和脱模布,即得铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料?
对比例4
本对比例提供了一种铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的制备方法,其与实施例2基本相同,不同之处在于不在环氧树脂中添加碳纳米管,即省略步骤3),具体为:
采用真空辅助树脂传递模塑工艺合成复合材料;
a)用丙酮清洁玻璃模具的表面以消除杂质和污垢,然后在玻璃模具上涂三层蜡,并放置20分钟使其硬化,以便于移除,然后擦去蜡;然后层叠材料,各个材料的层叠顺序为:在玻璃模具上依次层叠金属/纤维复合材料预制件?(其中金属/纤维复合材料预制件包括依次层叠的铝合金?碳纤维?菠萝叶纤维/剑麻纤维复合编织物?碳纤维和铝合金),一层脱模布,一层浸渍网,然后用聚乙烯真空袋覆盖整个堆叠,并使用密封胶带固定在玻璃模具上;将进料管连接到树脂储罐,出口管连接到真空泵;
b)将质量比为100:24的环氧树脂与固化剂混合均匀,接着迅速使用超声波设备进行5分钟的脱气处理,得到浸渍环氧树脂;
c)将浸渍环氧树脂通过进料管转移至树脂储罐,通过真空泵以60kPa的压力注入浸渍环氧树脂,浸渍过程中,当浸渍环氧树脂分布到金属/纤维复合材料预制件的层中间时,压力增加到100kPa;当浸渍环氧树脂完全浸湿金属/纤维复合材料预制件后,关闭真空泵,得到浸渍复合材料;
d)静置24小时,将浸渍复合材料冷却至室温,保证浸渍复合材料完全固化,最后,去除真空袋和脱模布,即得铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料?
其余步骤1)和2)同实施例2?
性能测试:
本申请对实施例1 4和对比例1 4制备得到的复合材料进行性能测试,具体为:
1)层面间结合力
本测试通过层间剪切强度测试(ILSS)检测复合材料的层面间结合力,结果如表1所示:
表1 各个实施例和对比例中复合材料的层面间结合力
从表中数据可知,其中从实施例1 3的层面间结合力数据可以看出,随着碳纳米管(CNTs)添加量的增加(从0.2wt%增至0.4wt%),复合材料的层面间结合力显著提升(从23.89MPa增至30.04MPa)?这表明CNTs的加入有效增强了树脂基体的力学性能,并通过界面强化作用提高了纤维与树脂的粘附性?
其中,实施例3(0.4wt%CNTs)的性能最优,说明CNTs的分散和含量在合理范围内对复合材料性能具有正向影响?但需注意过量添加(如实施例4的0.5wt%)可能导致团聚,反而使结合力略降至25.17MPa,因此CNTs的添加量需控制在最佳范围?
接着,从实施例2与对比例1/2/3/4的对比数据可以看出:对比例1(未进行NaOH碱性蚀刻和硫酸阳极氧化):层面间结合力(18.45MPa)显著低于实施例2(26.08MPa),说明铝板表面粗糙度(2μm)和化学处理对增强铝 纤维界面的粘附性至关重要?
对比例2(未改性天然纤维):结合力(20.98MPa)低于实施例2,表明NaOH溶液处理能有效去除菠萝叶/剑麻纤维表面的杂质和羟基,提高其与树脂的相容性?
对比例3(改变层叠顺序):结合力(19.70MPa)下降,说明碳纤维作为外层(实施例2的结构)能更有效地传递载荷,而天然纤维置于外层可能导致界面应力集中?
对比例4(未添加CNTs):结合力(19.04MPa)最低,验证了CNTs对树脂基体的增强作用,其通过纳米效应改善树脂的机械性能和界面结合力?
综上可知,本专利的复合材料通过优化铝板表面处理(粗糙度2μm)?天然纤维改性?CNTs添加量(0.3 0.4wt%)及层叠顺序(碳纤维包覆天然纤维),实现了层面间结合力的显著提升(最高达30.04MPa)?而从其与对比例数据的对比可知,任一环节的缺失或改动(如未处理铝板?未改性纤维?层叠顺序调整或省略CNTs)均会导致性能下降,说明本申请中的各技术方案的本专利的复合材料通过优化铝板表面处理(粗糙度2μm)?天然纤维改性?CNTs添加量(0.3 0.4wt%)及层叠顺序(碳纤维包覆天然纤维),是协同发挥作用的?
2)力学性能
本申请以实施例3为例,对制备得到的铝碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料的机械力学性能进行测试,具体的:
表2 实施例3中复合材料的机械力学性能
从表2的数据可知,本申请所提供的铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维复合材料通过优化制备工艺和材料组合,显著提升了力学性能?即本申请中的复合材料具有优异的力学性能,并改善了环境友好性,代替部分碳纤维降低了成本,符合未来汽车绿色材料的发展方向?因此,混合Al/CF/PALF复合材料在汽车上具有很高的实用价值?
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中?
文章摘自国家发明专利,铝/碳纤维/菠萝叶纤维/剑麻纤维的复合材料及其制备方法,发明人:肖含月,张琳舒,毛新宇,毛巍杰,杨雨萍,沈文豪,申请号:202510521635.4,申请日:2025.04.24
