阅读说明：本技术 一种夹层结构的碳纤维复合材料及其制备方法 (Sandwich-structured carbon fiber composite material and preparation method thereof ) 是由 严兵 郎鸣华 刘成 施刘生 张可可 王升 李秋秋 于 2019-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种夹层结构的碳纤维复合材料及其制备方法。所述的碳纤维复合材料具有多层结构,包括碳纤维层和改性聚芳醚酮层。采用该结构,使得碳纤维复合材料各个方向的机械强度均满足要求,并且一致性很高,并且具有质轻、热膨胀系数低、耐腐蚀等优点。(The invention relates to a carbon fiber composite material with a sandwich structure and a preparation method thereof. The carbon fiber composite material has a multilayer structure and comprises a carbon fiber layer and a modified polyaryletherketone layer. By adopting the structure, the mechanical strength of the carbon fiber composite material in all directions meets the requirements, the consistency is very high, and the carbon fiber composite material has the advantages of light weight, low thermal expansion coefficient, corrosion resistance and the like.)

一种夹层结构的碳纤维复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种夹层结构的碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子轻量化的发展，传统的铝镁合金材料无法满足要求，例如笔记本电脑从传统的产品降到1公斤以下，Ipad从900克要向700克甚至500g发展，而与此同时其功能越来越强大，因此迫切需要新型的材料来解决。而碳纤维复合材料，具有质轻、强度高、热膨胀系数低、耐腐蚀等优点，可以解决设备轻量化、小型化的问题，特别是碳纤维制品的多元化发展，受到人们的广泛关注。

公开号为CN101835596A的中国专利申请公开了一种复合成型品，所述复合成型品由板状构件和树脂构件构成，具有该板状构件与该树脂构件在互相对置的侧端面以凹凸形状接合的凹凸形状接合面，所述板状构件是将位于上面侧和下面侧的表层基材和位于它们之间的芯层基材进行一体化而得到的，其中，连续的、连接上述各表层基材描绘出的凹凸形状中的相邻凸部的顶部的直线线段形成凸部通过线，相对于每1mm长度的上述凸部通过线，沿着该凹凸形状中的凹凸而形成的实际接合线的长度为1.05mm以上。在该申请中，利用制得的碳纤维片材，加工出一定的形成，然后进行注塑包胶，可以用于笔记本电脑等电子产品外壳。

公开号为CN101231538A的中国专利申请公开了一种便携式电子装置盖板，具有外层板、内层板与保护层。保护层设置于外层板与内层板之间，且为一均匀网状结构。外层板还可包含第一层板、第二层板及第三层板，让外层板可以作外观上的设计，提升产品价值。

公开号为CN204414676U的中国实用新型专利公开了一种复合板材及电子设备，该板材包括：第一板材层、第二板材层以及实体层，第一板材层包含至少一层第一增强材料；且包含至少一层第二增强材料；实体层位于第一板材层和第二板材层之间，实体层在第一预设条件下从第一板材层和第二板材层之间的夹层空间中凸出。由于实体层为热塑性树脂，具有较轻的重量，故可减少复合板材的整体重量，且在进行二次成型处理时，实体层可以有效防止注塑塑料渗透到复合板材中，从而防止因渗透导致复合板材的表面板材层的形变的问题，使得复合板材能够保持较好的形状，提高了产品质量。

公开号为CN106183135A的中国专利申请一种碳纤维片材，包括不多于六层碳纤维预浸料以及不多于两层的玻璃微珠填充的环氧薄板叠层，所述玻璃微珠填充的环氧薄板叠层设置在若干碳纤维预浸料的中间层位置，所述碳纤维预浸料与碳纤维预浸料、碳纤维预浸料与玻璃微珠填充的环氧薄板叠层之间添加一层碳纤维编制布预浸料。本发明制得碳纤维片材具有阻燃，变形度低，重量轻，易于批量化生产，特别是适合电子产品的轻量化应用。

碳纤维复合材料的片材，两边的碳纤维增强材料，多为热固性树脂如环氧树脂等，而中间夹心层为热塑性树脂的话就会存在粘结的问题。国内外的各大公司有尝试过发泡聚丙烯夹心层、以及其他热塑性材料，但是所取得的效果都不尽如人意，片材在在加热或冷却时，会发生膨胀或收缩不一致，造成变形。现有技术中还未有能够在各个方向上机械强度都一致的优良的片材材料。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种夹层结构的碳纤维复合材料及其制备方法。所述的碳纤维复合材料具有多层结构，包括碳纤维层和改性聚芳醚酮层。采用该结构，使得碳纤维复合材料各个方向的机械强度均满足要求，并且一致性很高，并且具有质轻、热膨胀系数低、耐腐蚀等优点。

为了实现发明目的，本发明采用如下技术方案：一种夹层结构的碳纤维复合材料，具有多层结构，包括碳纤维层和改性聚芳醚酮层。

本发明还保护上述的一种夹层结构的碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)碳纤维层的制备：将碳纤维编织成立体结构，然后在5-10MPa、130-160℃的条件下加热20-30min，，然后冷却至室温，得到碳纤维层；

2)改性聚芳醚酮层的制备

S1：树脂改性：将聚芳醚酮树脂和空心玻璃微珠按照100:10-20的质量比进行混合，然后在挤出机中进行造粒，得到粒度小于50微米的粒料；

S2：立体纤维网改性：将碳纤维编织成立体结构，然后在模具中放入立体碳纤维后，再铺上步骤S1得到的粒料，震荡30-60分钟，使得粒料均匀分布于立体碳纤维中，然后在10-20MPa、150-170℃的条件下进行压制，然后冷却至室温，得到改性聚芳醚酮层；

3)碳纤维复合材料的制备：将得到的碳纤维层和改性聚芳醚酮层交替叠合形成复合多层结构，并对叠合材料进行加压、加热固化，在20-30MPa、150-170℃的条件下进行压制，保温20-30min，然后冷却至室温，恢复常压，得到所述的夹层结构的碳纤维复合材料。

在本发明的优选的实施方式中，所述的编织采用交叉编织的方法或是静电纺丝的方法。

在本发明的优选的实施方式中，所述的空心玻璃微珠的密度不大于0.3克/立方厘米。

在本发明的优选的实施方式中，所述的聚芳醚酮选自PEEK、PEK、PEKK、PEEKK中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用空心玻璃微珠和立体纤维网对聚芳醚酮树脂进行改性，使其在各个方向上起到协同改善聚芳醚酮树脂层的机械性能的作用，其各个方向的机械强度均较好，并且各方向上机械强度的一致性很高。

2、本发明采用立体结构的碳纤维层，使其重量又得到进一步的减轻。

3、本发明通过碳纤维层和改性聚芳醚酮层交替形成的夹层结构的碳纤维复合材料，在碳纤维层和改性聚芳醚酮树脂层的共同作用下，实现了材料的各个方向机械强度一致，膨胀系数一致，强度高，变形度低，重量轻，易于批量化生产，特别是适合电子产品的轻量化应用。

附图说明

图1为本发明的实施例一、实施例二的结构示意图。

图2为本发明的实施例三、实施例四的结构示意图。

图中：1-碳纤维层、2-改性聚芳醚酮层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面结合实施例，对本发明作进一步地描述。

实施例一

其结构如图1所述，碳纤维片材包括五层结构，其中中间层为碳纤维层，两边分别为改性聚芳醚酮层，最外侧为碳纤维层。其制备方法如下：

1)碳纤维层的制备：将碳纤维编织成立体结构，然后在5MPa、130℃的条件下加热30min，，然后冷却至室温，得到碳纤维层；

2)改性聚芳醚酮层的制备

S1：树脂改性：将聚芳醚酮树脂和空心玻璃微珠按照100:10的质量比进行混合，然后在挤出机中进行造粒，得到粒度为30微米左右的粒料；

S2：立体纤维网改性：将碳纤维编织成立体结构，然后在模具中放入立体碳纤维后，再铺上步骤S1得到的粒料，震荡30分钟，使得粒料均匀分布于立体碳纤维中，然后在10MPa、150℃的条件下进行压制，然后冷却至室温，得到改性聚芳醚酮层；

3)碳纤维复合材料的制备：将得到的碳纤维层和改性聚芳醚酮层交替叠合形成复合多层结构，以改性聚芳醚酮层为中间层，采用平板热压机对叠合材料进行加压、加热固化，在20MPa、150℃的条件下进行压制，保温30min，然后冷却至室温，恢复常压，得到所述的夹层结构的碳纤维复合材料。

实施例二

其结构如图1所述，碳纤维片材包括五层结构，其中中间层为碳纤维层，两边分别为改性聚芳醚酮层，最外侧为碳纤维层。其制备方法如下：

1)碳纤维层的制备：将碳纤维编织成立体结构，然后在10MPa、160℃的条件下加热20min，，然后冷却至室温，得到碳纤维层；

2)改性聚芳醚酮层的制备

S1：树脂改性：将聚芳醚酮树脂和空心玻璃微珠按照100:20的质量比进行混合，然后在挤出机中进行造粒，得到粒度小于35微米的粒料；

S2：立体纤维网改性：将碳纤维编织成立体结构，然后在模具中放入立体碳纤维后，再铺上步骤S1得到的粒料，震荡60分钟，使得粒料均匀分布于立体碳纤维中，然后在20MPa、170℃的条件下进行压制，然后冷却至室温，得到改性聚芳醚酮层；

3)碳纤维复合材料的制备：将得到的碳纤维层和改性聚芳醚酮层交替叠合形成复合多层结构，以改性聚芳醚酮层为中间层，并对叠合材料进行加压、加热固化，在30MPa、170℃的条件下进行压制，保温20min，然后冷却至室温，恢复常压，得到所述的夹层结构的碳纤维复合材料。

实施例三

其结构如图2所述，碳纤维片材包括五层结构，其中中间层为改性聚芳醚酮层，两边分别为两层碳纤维层。其制备方法如下：

1)碳纤维层的制备：将碳纤维编织成立体结构，然后在10MPa、130℃的条件下加热30min，，然后冷却至室温，得到碳纤维层；

2)改性聚芳醚酮层的制备

S1：树脂改性：将聚芳醚酮树脂和空心玻璃微珠按照100:15的质量比进行混合，然后在挤出机中进行造粒，得到粒度为30微米左右的粒料；

S2：立体纤维网改性：将碳纤维编织成立体结构，然后在模具中放入立体碳纤维后，再铺上步骤S1得到的粒料，震荡40分钟，使得粒料均匀分布于立体碳纤维中，然后在15MPa、160℃的条件下进行压制，然后冷却至室温，得到改性聚芳醚酮层；

3)碳纤维复合材料的制备：将得到的碳纤维层和改性聚芳醚酮层交替叠合形成复合多层结构，以改性聚芳醚酮层为中间层，采用平板热压机对叠合材料进行加压、加热固化，在20MPa、160℃的条件下进行压制，保温30min，然后冷却至室温，恢复常压，得到所述的夹层结构的碳纤维复合材料。

实施例四

其结构如图2所述，碳纤维片材包括五层结构，其中中间层为改性聚芳醚酮层，两边分别为两层碳纤维层。其制备方法如下：

1)碳纤维层的制备：将碳纤维编织成立体结构，然后在5MPa、130℃的条件下加热20min，，然后冷却至室温，得到碳纤维层；

2)改性聚芳醚酮层的制备

S1：树脂改性：将聚芳醚酮树脂和空心玻璃微珠按照100:20的质量比进行混合，然后在挤出机中进行造粒，得到粒度为35微米左右的粒料；

S2：立体纤维网改性：将碳纤维编织成立体结构，然后在模具中放入立体碳纤维后，再铺上步骤S1得到的粒料，震荡50分钟，使得粒料均匀分布于立体碳纤维中，然后在20MPa、150℃的条件下进行压制，然后冷却至室温，得到改性聚芳醚酮层；

3)碳纤维复合材料的制备：将得到的碳纤维层和改性聚芳醚酮层交替叠合形成复合多层结构，以改性聚芳醚酮层为中间层，采用平板热压机对叠合材料进行加压、加热固化，在30MPa、150℃的条件下进行压制，保温30min，然后冷却至室温，恢复常压，得到所述的夹层结构的碳纤维复合材料。

测试实施例一、实施例二、实施例三、实施例四与现有市售碳纤维片材的机械性能，结果如表一所示：

表一 实施例与现有市售碳纤维片材的性能对比

本发明利用空心玻璃微珠和立体纤维网改性聚芳醚酮树脂，作为电子产品用碳纤维片材的夹心层，该改性聚芳醚酮层的加入，不仅进一步减轻重量，还可以起到加强筋的作用，同时通过碳纤维层和改性聚芳醚酮层交替形成的夹层结构的碳纤维复合材料，在碳纤维层和改性聚芳醚酮树脂层的共同作用下，实现了材料的强度高，变形度低，各个方向机械强度一致，膨胀系数一致，重量轻，易于批量化生产，特别是适合电子产品的轻量化应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。