阅读说明：本技术 一种连续纤维增强复合材料、工字梁型材、格栅及光伏组件边框 (Continuous fiber reinforced composite material, I-beam profile, grating and photovoltaic module frame ) 是由 陈湛 朱旭华 许嘉浚 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种连续纤维增强复合材料、工字梁型材、格栅及光伏组件边框,所述复合材料包括基体材料和增强材料,基体材料包括无机凝胶材料、有机聚合物材料或金属材料,增强材料包含有连续的单向纤维材料；复合材料具有不均匀的单向纤维含量分布,其在承受弯曲载荷时受压的部分的单向纤维含量大于受拉的部分的单向纤维含量。所述工字梁型材具有上翼板、下翼板和腹板,上翼板和下翼板通过腹板连接,型材具有工字型截面；上翼板中的单向纤维体积含量大于腹板中的单向纤维体积含量。所述格栅由多个工字梁、凸销和凹销相互扣接制成,所述工字梁采用前述的连续纤维增强复合材料制备而成。所述光伏组件边框采用前述的连续纤维增强复合材料制备而成。(The invention provides a continuous fiber reinforced composite material, an I-beam profile, a grid and a photovoltaic module frame, wherein the composite material comprises a base material and a reinforcing material, the base material comprises an inorganic gel material, an organic polymer material or a metal material, and the reinforcing material comprises a continuous unidirectional fiber material; the composite material has a non-uniform distribution of unidirectional fiber content with the unidirectional fiber content of the portion in compression being greater than the unidirectional fiber content of the portion in tension when subjected to a bending load. The I-beam section is provided with an upper wing plate, a lower wing plate and a web plate, wherein the upper wing plate is connected with the lower wing plate through the web plate, and the section has an I-shaped section; the unidirectional fiber volume content in the upper wing panel is greater than the unidirectional fiber volume content in the web. The grid is formed by mutually buckling a plurality of I-beams, convex pins and concave pins, and the I-beams are prepared from the continuous fiber reinforced composite material. The photovoltaic module frame is prepared from the continuous fiber reinforced composite material.)

一种连续纤维增强复合材料、工字梁型材、格栅及光伏组件 边框

技术领域

本发明涉及复合材料及其制备工艺技术领域，具体涉及一种连续纤维增强复合材料、工字梁型材、格栅及光伏组件边框。

背景技术

复合材料是两种及以上的材料混合形成的具有明显分相特征的材料，其形态和性能不同于其中任何一种单独的材料，其主要组分为基体材料和增强材料，其中纤维是最常用的增强材料。通常复合材料指的是处于成型后的最终形态的材料，而基体材料与增强材料混合后处于最终成型前的形态的材料被称为复合材料前体。

拉挤成型工艺是将浸透过液态基体材料的连续纤维纱及织物等，在牵引力的作用下，通过具有等截面型腔的模具固化或者定型，连续不断地生产出长度不限的复合材料。目前复合材料拉挤模具一般长度在600毫米到1000毫米之间，其中900～1000毫米长的拉挤模具被广泛使用。

已有的复合材料拉挤成型工艺中，树脂连续注射法浸渍纤维是一种有效的方法，它将树脂按照实际需求量连续不断地注入专门设计的注胶盒的型腔中，使通过所述注胶盒型腔的纤维迅速被浸透后进入连接在注胶盒后段的模具型腔中固化或者定型，在不少设计中，注胶盒被设计成模具入口的一部分发挥着同样的功能。现有的树脂连续注射法中注胶口开在注胶盒的型腔中间，在采用的基体树脂粘度很大或者含有填料比较多的时候，尤其是在使用纤维毡或者织物的时候，树脂难以浸透纤维，或者填料难以渗透入纤维，造成复合材料性能瑕疵，存在改进之处。

复合材料耐火格栅的关键承力部件是玻璃纤维增强酚醛树脂工字梁，采用玻璃纤维直接纱和玻璃纤维毡和酚醛树脂用拉挤工艺制造，由于酚醛树脂的脆性很大，所以力学强度偏低，同时，现有工艺通常采用通体一致的纤维含量，其纤维的体积含量为40～70％。这种复合材料工字梁在承受弯曲载荷时，上翼板会很快被压断，无法充分发挥复合材料应有的性能，存在很大的改进空间。

同时，玻璃纤维增强酚醛树脂工字梁的制造过程中，需要采用玻璃纤维连续毡或者缝编毡，如果酚醛树脂中加入填料较多，则很难完全浸透纤维，这样就使对酚醛树脂改性受到很多限制。

建筑一体化光伏构件通常采用铝合金制作边框和支架，在使用中需要接地来防止雷击和漏电，同时还很难满足建筑防火要求，而普通的复合材料边框和支架虽然绝缘，但是防火等级达不到建筑防火要求，基于酚醛树脂的复合材料是理想的选择，可是传统的酚醛复合材料强度低，韧性差，达不到要求。

总之，现有的连续纤维增强复合材料和它的生产方式存在诸多需要改进之处。只有解决了这些技术难题，才能使这种材料满足诸如格栅和光伏组件边框等等应用的要求。

发明专利内容

为解决上述问题，本发明提供一种连续纤维增强复合材料，通过对受力类型和受力大小不同的区域填充不同含量的单向纤维，有效提升了复合材料在使用中的综合性能。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种连续纤维增强复合材料，其包括基体材料和增强材料，所述基体材料包括无机胶凝材料、有机聚合物材料或金属材料，所述增强材料包含有连续的单向纤维材料；所述复合材料具有不均匀的单向纤维含量分布，其在承受弯曲载荷时受压的部分的单向纤维含量大于受拉的部分的单向纤维含量。其技术效果为：增加了受压部分的单向纤维含量，提高了这部分的强度和模量，同时降低了受拉部分的单向纤维含量，降低了这部分的强度和模量，这样就使复合材料整体在受弯曲载荷的工况下各个部分的应变与该部分的许用应变相适应，避免许用应变小的受压部分过早地破坏，于是，在整体上保持了单向纤维含量不增加的情况下，既提高了整体复合材料的抗弯强度，又避免纤维含量太高导致的脆性。

进一步，作为一个优化的案例，所述复合材料在承受弯曲载荷时受压部分的单向纤维体积含量为40—65％；受拉部分的单向纤维体积含量为20—60％。

进一步，所述复合材料的单向纤维体积含量随着该部分复合材料的中心轴与整体复合材料弯曲方向的中性轴的距离减小而逐步减少。

进一步，所述增强材料包括束状的单向纤维、纤维毡、纤维轴向布中的一种或多种。

一种制造连续纤维增强复合材料的基体材料，所述基体材料包括酚醛树脂，用于配制所述酚醛树脂的固化前体组合物的原料中的组分包含：

酚醛树脂100重量份；

间苯二酚3～10重量份；

PVB(聚乙烯醇缩丁醛)粉末0.1～10重量份。

进一步，所述PVB(聚乙烯醇缩丁醛)粉末细度大于20目。

进一步，配制所述酚醛树脂的固化前体组合物的原料中还含有以下一种或多种组分：

内脱模剂1～5重量份；

UV稳定剂0.1～1重量份；偶联剂0.1～1重量份；氢氧化铝5～50重量份；填料5～50重量份；晶须2～20重量份；乌洛托品2～10重量份；分子筛活化粉1～10重量份；硅酸钠或偏硅酸钠1～15重量份；磷酸二氢铝2～15重量份；硼酸锌5～15重量份；红磷2～15重量份；氯化钙2～20重量份；硫酸镁2～20重量份；氧化镁2～20重量份；热塑性树脂粉末0.5～10份；所述固化前体组合物的粘度为500～4000mPa.s。

优选地，所述热塑性树脂粉末包括聚酰胺、聚乙烯醇中的一种或多种；

进一步，对纤维进行浸润时，将所述酚醛树脂的固化前体组合物的温度控制在35℃～90℃之间。

其技术效果为：加入了PVB(聚乙烯醇缩丁醛)粉末而取代传统的办法即加入PVB(聚乙烯醇缩丁醛)的酒精溶液，这样避免引入大量的酒精而导致在固化过程中因为酒精挥发导致在复合材料中形成大量孔隙而降低强度，同时，由于PVB(聚乙烯醇缩丁醛)粉末以微溶的微细固体状存在与酚醛树脂中，也不至于导致树脂粘度大到无法浸透纤维，同时，高分子量的PVB(聚乙烯醇缩丁醛)与酚醛树脂一起固化，大大增强了复合材料的韧性，同时，将所述酚醛树脂的固化前体组合物的温度控制在35℃～90℃之间，降低了其粘度，可以保证其对纤维的良好浸润质量。

本发明还提供一种复合材料工字梁型材，所述工字梁型材采用前述的复合材料制备而成。

进一步，所述工字梁型材具有上翼板、下翼板和腹板，上翼板和下翼板通过腹板连接，型材具有工字型截面；上翼板中的单向纤维体积含量大于腹板中的单向纤维体积含量。

进一步，所述工字梁型材整体的纤维体积含量为40％～65％，所述上翼板的单向纤维体积含量为40％～70％，所述腹板的单向纤维体积含量为20％～60％，其中，腹板受压段的单向纤维体积含量为15％～60％，受拉段的单向纤维体积含量为5％～55％。

进一步，所述上翼板的单向纤维体积含量大于所述下翼板的单向纤维体积含量。

进一步，所述上翼板的单向纤维体积含量为40～70％，所述下翼板的单向纤维体积含量为35～65％。

其技术效果为：在承受弯曲载荷的工况下避免了上翼板和受压腹板提前被压坏而导致工字梁提前失效。

本发明进一步提供一种复合材料栅格，所述格栅由多个工字梁、凸销和凹销相互扣接制成，所述工字梁型材采用前述的复合材料工字梁型材制备而成。

进一步，所述工字梁型材的腹板上设有穿透其厚度的通孔，凸销上设有用于与工字梁型材扣接的横向槽口，横向槽口的结构与工字梁型材上的通孔内端面结构相适应；凸销上与横向槽口错位地设有纵向延伸的凸块，凸块的结构与凹销的凹槽结构相适应，装配完成后的栅格中凸销与凹销的延伸方向垂直于工字梁的延伸方向。

进一步，工字梁上的通孔为圆形通孔，凹销具有与该圆形通孔相适应的弧形外廓；凸销上与工字梁扣接的横向槽口全部朝向压力来源方向，即在平铺状态下使用时，凸销上的横向槽口全部朝上。

其技术效果为:在格栅承受弯曲载荷和落槌冲击载荷时使格栅中的所有工字梁能够协同受力，不至于因为某一根工字梁提前破坏而连锁地导致整个格栅破坏。

本发明还提供一种光伏边框或者支架，所述光伏边框或者支架采用前述的复合材料制备而成。

其技术效果为:使光伏的边框或者既能够满足承载要求，又具有绝缘、耐火性能，减少光伏组件因为边框漏电引起的诱导性发电能力衰减(PID)，减少甚至免除接地的工作量，减少安装维护成本，延长光伏组件的工作寿命，增加光伏组件的安全性。

本发明具有以下优点：

1、在几何尺寸不变、总体纤维含量不变的情况下复合材料的承载能力大大提高；

2、创造性地通过在酚醛树脂中加入热塑性树脂粉末的方法大大提高了玻璃纤维增强酚醛复合材料工字梁及格栅的韧性；

3、通过采用对通过对制酚醛树脂加温的方式实现了用高粘度的酚醛树脂制造复合材料，从而拓展了酚醛树脂的改性空间；

4、创造性地通过特殊的凹凸销、工字梁互锁结构使格栅中的所有工字梁都能够协同受力，大大提高了格栅的抗弯强度和抗冲击强度。

5.应用于光伏组件中，降低其成本、提高其寿命和安全性。

需要说明的是，本说明中列明的方向上和下是相对的，上是指弯曲载荷下朝向压应力的方向，下是在弯曲载荷下与上相对的方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例加以说明：

实施例1：

本实施例提供一种连续纤维增强复合材料，其包括基体材料和增强材料，基体材料采用酚醛树脂，增强材料采用由单向纤维制备而成的连续纤维材料。复合材料中具有不均匀的单向纤维含量分布，在承受弯曲载荷时受压的部分的单向纤维含量大于受拉的部分的单向纤维含量。其中，用于配制酚醛树脂的固化前体组合物的原料中包含有：酚醛树脂100重量份；间苯二酚3～10重量份；PVB粉末0.1～10重量份，其中PVB粉末细度大于20目。

在优选的实施例中，用于配制酚醛树脂的固化前体组合物的原料中还含有以下一种或多种组分：乌洛托品2～10重量份；内脱模剂1～5重量份；UV稳定剂0.1～1重量份；偶联剂0.1～1重量份；氢氧化铝5～50重量份；填料5～50重量份；晶须2～20重量份；分子筛活化粉1～10重量份；硅酸钠或偏硅酸钠1～15重量份；磷酸二氢铝2～15重量份；硼酸锌5～15重量份；红磷2～15重量份；氯化钙2～20重量份；硫酸镁2～20重量份；氧化镁2～20重量份；热塑性树脂粉末0.5～10份；所述热塑性树脂粉末包括聚酰胺、聚乙烯醇中的一种或多种；所述固化前体组合物的粘度为500～4000mPa.s。

附表1：实施例1的酚醛树脂配方列举

在优选的实施例中，所述复合材料在承受弯曲载荷时受压部分的纤维体积含量为40％～65％；受拉部分的纤维体积含量为20％～60％。

在优选的实施例中，复合材料的单向纤维含量随着其与弯曲时的曲率中心轴的距离的增大而逐渐减小，即所述复合材料的单向纤维体积含量随着该部分复合材料的中心轴与整体复合材料弯曲方向的中性轴的距离减小而逐步减少；

在优选的实施例中，增强材料包括束装的单向纤维、纤维毡、纤维轴向布中的一种或多种。

在其他的实施例中，基体材料也可以采用无机凝胶材料、其他有机聚合物材料或可熔的金属材料。

实施例2：

本实施例提供一种复合材料工字梁型材，该工字梁型材采用实施例1的复合材料制备而成，该工字梁型材1具有上翼板1-4、下翼板1-6和腹板1-5，上翼板1-4和下翼板1-6通过腹板1-5连接，型材具有工字型截面，如图2所示；上翼板1-4中的单向纤维体积含量大于腹板1-5和下翼板1-6中的单向纤维体积含量。本实施例的工字梁在应用时，以第一支撑点2-1和第二支撑点2-1分别支撑在工字梁1长度方向的两个端部，压力施加于作用力点3，上翼板1-4受压应力，下翼板1-6受拉应力，腹板1-5沿着中性轴1-7可分割为与上翼板相连的受压应力的受压段1-51和与下翼板相连的受拉应力的受拉段1-52，腹板受压段1-51的单向纤维体积含量大于受拉段1-52的单向纤维体积含量。上翼板的单向纤维体积含量大于所述下翼板的单向纤维体积含量。

工字梁型材由无碱无捻玻璃纤维粗纱和玻璃纤维连续毡和聚酯表面毡以及酚醛树脂用注射拉挤工艺制成，所采用的无碱玻璃纤维粗纱沿着弯曲正应力方向分布成为单向纤维，在拉挤工艺中对注胶盒进行加温，使纤维在注胶盒中被树脂浸渍时树脂的温度保持在35～90℃，这样可以达到最优的浸润质量。

在优选的实施例中，工字梁外表面覆以连续毡1-2和表面毡1-1，内部填充单向连续纤维1-3。

工字梁型材整体的单向纤维1-3体积含量为40％～65％，上翼板1-4的单向纤维1-3体积含量为40％～70％，腹板1-5的单向纤维1-3体积含量为20％～60％，其中，腹板受压段1-51的单向纤维1-3体积含量为15％～60％，受拉段1-52的单向纤维1-3体积含量为5％～55％。下翼板1-6的单向纤维1-3体积含量为35～65％。

复合材料的单向纤维1-3的体积含量＝(单向纱重量/单向纱密度)/复合材料的体积。复合材料单向纱重量按照《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》GB/T 2577测试得出，测试中用蒸馏水将燃烧后的残余物中的颗粒杂质和纤维毡清洗去除。

复合材料的整体单向纤维体积含量为56％，其单向纤维的分布、加工工艺参数及工字梁型材性能详情参见见附表2：

附表2：单向纤维的分布、加工工艺参数及工字梁型材性能

比较案例一和案例二可以看到，采用在基体材料、整体单向纤维含量和生产工艺相同的情况下，按照本发明所公开的方案改变单向纤维在复合材料中的分布，就可以明显地提高复合材料的抗弯曲性能。

比较案例二和案例五可以看到，采用在整体单向纤维含量、单向纤维在复合材料中的分布和生产工艺相同的情况下，按照本发明所公开的方案采用优选的比例在酚醛树脂中增加PVB粉末含量，就可以明显地提高复合材料的抗弯曲性能。

比较案例二和案例三可以看到，采用在整体单向纤维含量、单向纤维在复合材料中的分布和生产工艺相同的情况下，按照本发明所公开的优选的方案对采用乌洛托品配合间苯二酚的办法取代单纯的间苯二酚，就可以明显地提高复合材料的抗弯曲性能。

比较案例三和案例四可以看到，采用在基体材料、整体单向纤维含量、单向纤维在复合材料中的分布和生产工艺相同的情况下，按照本发明所公开的优选的方案对注胶盒中的酚醛树脂进行加温，提高注胶盒中的酚醛树脂的温度至80℃左右，就可以明显地提高复合材料的抗弯曲性能。

以上案例都具体体现了本发明的技术效果。

实施例3：

本实施例提供一种格栅，采用凸销和凹销与实施例2的工字梁连接制备而成。如图3～图4所示，采用实施例1的连续纤维增强的酚醛树脂凹销5和凸销4。9根工字梁1平行排列，每一根工字梁1的腹板上间距均匀地开设8个圆孔，9根工字梁的圆孔开在相同位置；凸销4上开有沿宽度方向横向延伸的横向槽口4-1和沿长度方向纵向延伸的凸台4-2，每一个凸销上不设凸台的一面均匀设置9个横向槽口4-1，横向槽口4-1的宽度与相对应的工字梁的腹板壁厚相适应；与工字梁圆孔大小相匹配的圆形凹销5上开有沿其长度方向纵向延伸的凹槽5-1。装配时先在凸销上的横向槽口4-1中抹上环氧树脂胶，将凸销4穿过工字梁上的圆孔，使每根工字梁1都卡在凸销的横向槽口4-1中；再在圆形的凹销的凹槽5-1中抹上环氧树脂胶，通过该凹槽5-1与凸销上的凸台4-2扣接依次将凹销穿过工字梁上的圆孔，实现所述格栅的拼装，环氧树脂胶固化后即得到所述复合材料格栅。

按照ASTM F3059-15制作格栅样品，以竖直向下的力测试格栅的弯曲破坏载荷和做冲击破坏实验，分别按照样品从左到右8个凸销4上的横向槽口4-1全部朝上、上下上下上下上下、全部朝下、上下下上上下下上、下上上下下上上下，根据ASTM F3059-15测试样品的三点弯曲破坏强度和冲击破坏性能，得到结果如附表1。

附表1：不同的凸销上的槽口朝向所对应的弯曲破坏载荷

凸销上的横向槽口方向	弯曲破坏载荷KN	冲击试验
			全部朝上	33.05	通过
上下上下上下上下上	19.81	破坏
			全部朝下	26.97	破坏
上下下上上下下上	26.65	破坏
			下上上下下上上下	22.74	破坏

从上表可以看出，样品上的凸销上的横向槽口从左至右全部朝上的情况下测出的三点弯曲破坏强度最高，说明其承载能力最强；即当凸销上的横向槽口全部朝向压力来源方向时，格栅的抗压抗弯性能和抗冲击性能最好。

实施例4：

本实施例提供一种光伏组件边框，采用实施例1的复合材料制成，并拼装成为如图5和图6所示的光伏组件边框，用于制作光伏组件，具有高强度、低变形、绝缘、耐火、耐腐蚀等优点。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案和应用而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。