汽車輕量化碳纖維復(fù)合材料的制備工藝參數(shù)測試

摘 要：碳纖維單絲進行封閉結(jié)構(gòu)改性后，制得碳纖維復(fù)合材料并制成測試樣，將實施例1-3和對比例相比，通過封閉結(jié)構(gòu)改性的碳纖維單絲加工成碳纖維復(fù)合材料性能明顯提高。隨著封閉結(jié)構(gòu)改性的工藝參數(shù)繼續(xù)加大，制作成的碳纖維復(fù)合材料性能繼續(xù)提高，但提高幅度有所減小。實施例3雖然繼續(xù)加大了工藝參數(shù)，其碳纖維復(fù)合材料制作成的測試樣較實施例2變化不大。考慮到生產(chǎn)實際，場地、材料、人工、時間等成本，實施例2制作碳纖維復(fù)合材料的工藝參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化 碳纖維復(fù)合材料 實施例 測試對比 性能 最佳工藝參數(shù)

在國家實施十四五規(guī)劃的關(guān)鍵階段，新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。研究獲取一種汽車用碳纖維復(fù)合材料的最佳制備工藝參數(shù)，有效促進新能源汽車在設(shè)計中應(yīng)用輕量化材料，在保證其結(jié)構(gòu)強度和安全性的同時，顯著減輕其重量，有效促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)的健康良好有序發(fā)展，推動汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。作為輕質(zhì)材料之一的碳纖維材料內(nèi)部存在大量細小的碳纖維束，難以修復(fù)，同時碳纖維存在脆性和韌性上的缺陷。碳纖維復(fù)合材料因其高強度、低密度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)秀的疲勞抗力等特性，在航空航天、汽車制造、體育器材等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

為了進一步提升碳纖維復(fù)合材料的性能，研究者們對其制備工藝進行了深入研究，以期在保持或增強其物理和化學(xué)性能的同時，優(yōu)化其加工工藝，降低生產(chǎn)成本，并提高生產(chǎn)效率。杜今等對碳纖維的制備過程進行了介紹，包括碳化和纖維拉伸以及復(fù)合材料的制備方法，如預(yù)浸法和自動化制備技術(shù)；郭新羽認為T016快速固化樹脂相比較于使用了傳統(tǒng)潛伏性固化體系T015固化速度更快，其碳纖維復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能尤其是沖擊性能明顯更為優(yōu)異；金瑛棟等論述了近年來國內(nèi)外各種碳纖維鋁基復(fù)合材料制備工藝，分析了各種制備工藝的特點，總結(jié)了基體合金化對界面反應(yīng)和潤濕性的影響；李兵輝等使用濃硝酸改性碳纖維，同時利用SiO2改性環(huán)氧樹脂制備出碳纖維復(fù)合材料，通過試驗分析其力學(xué)性能；李偉文提出不同BN復(fù)合納米材料改性上漿劑可以用來提升碳纖維復(fù)合材料的綜合性能；黃純可等在《汽車輕量化用碳纖維復(fù)合材料國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀》一文中提出“由于碳纖維復(fù)合材料是一種新型汽車生產(chǎn)材料，為可以保持原有生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)線的生產(chǎn)需要，會在一定程度上影響到了碳纖維復(fù)合材料在輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用；付浩博在《汽車輕量化的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用分析》一文中提出“采用碳纖維復(fù)合材料代替部分金屬材料是實現(xiàn)汽車輕量化最具潛力的途徑之一”；本文作者傅松橋已在《輕量化材料在汽車設(shè)計中的應(yīng)用》簡單提到“將極細的碳纖維增強材料嵌入塑料樹脂，產(chǎn)生的一種質(zhì)量小、強度高的復(fù)合材料，即碳纖維復(fù)合材料”。

目前，研究者們對碳纖維復(fù)合材料制備工藝優(yōu)化進行了深入研究，但對其具體制備工藝參數(shù)獲取研究寥寥無幾。作者和項目成員通過文獻查閱、反復(fù)實驗，已梳理出一套用于汽車輕量化的碳纖維復(fù)合材料的制備工藝流程。由于研究進度和實驗條件，梳理出的碳纖維復(fù)合材料的工藝流程制備參數(shù)在一定參考范圍內(nèi)，未確定具體參數(shù)。文章將3種實施例和1種對比例的碳纖維復(fù)合材料制成測試樣，并對其進行測試對比，分析結(jié)果，總結(jié)出最佳工藝參數(shù)。

1 試驗對象與方法

1.1 試驗對象

試驗對象是一種碳釬維預(yù)浸材料，采用T300（3K）的紗線種類和斜紋編織形式。具體特征參數(shù)為：1000mm幅寬，42%的樹脂含量，厚度為0.35mm，拉伸強度為3530Mpa，拉伸模量230Gpa，伸長率1.5%，每立方密度1.76g。具體特征參數(shù)見表1。

采用的樹脂材料是一種熱固性環(huán)氧樹脂，固化溫度在120-150攝氏度，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度120攝氏度，推薦應(yīng)用領(lǐng)域為汽車改裝件、卷管、模壓批量化生產(chǎn)等，具體見表2。

1.2 試驗方法

1.2.1 實施例1

步驟1，將碳纖維材料放入乙醇水溶液中超聲處理40min，經(jīng)過濾后烘干，得到表面潔凈的碳纖維材料，所述碳纖維材料在乙醇水中的濃度為200g/L，所述乙醇水溶液中的乙醇體積占比為60%，所述超聲處理的超聲頻率為60kHz，溫度為50℃；所述烘干在氮氣氛圍下，且烘干溫度為100℃。

步驟2，將表面潔凈的碳纖維材料浸泡至雙氧水中密封靜置3h，過濾后得到表面氧化的碳纖維材料；所述雙氧水的體積百分比為20%，所述表面潔凈的碳纖維材料在雙氧水中的濃度為100g/L，密封靜置的溫度為40℃。

步驟3，將三氯甲基硅烷和乙基纖維素加入至乙醚中攪拌均勻形成硅醚液，然后將表面氧化的碳纖維材料加入并浸泡10min，取出后密封靜置2h，抽真空得到鍍膜碳纖維材料；所述三氯甲基硅烷在乙醚中的濃度為100g/L，所述乙基纖維素在乙醚中的濃度為50g/L，攪拌速度為200r/min，所述表面氧化的碳纖維材料在硅醚液的濃度為50g/L，浸泡的溫度為5℃，所述密封靜置的溫度為5℃，靜置氛圍為氮氣與水蒸氣的混合氛圍，且水蒸氣的體積占比為8%，所述抽真空的溫度為10℃。

步驟4，將數(shù)根鍍膜碳纖維材料纏繞形成單絲，并靜置反應(yīng)1h，經(jīng)乙醇超聲處理后取出得到碳纖維單絲；所述纏繞的鍍膜碳纖維是3根，且纏繞采用螺旋編織；所述靜置反應(yīng)的溫度為50℃，氛圍為氮氣氛圍；所述乙醇超聲處理的超聲頻率為60kHz，溫度為5℃。

步驟5，將異丙醇鋁加入至乙醇中攪拌均勻，并噴霧至碳纖維單絲內(nèi)，并烘干得到二次鍍膜碳纖維材料，經(jīng)升溫靜置和常溫靜置后得到預(yù)制碳纖維單絲；所述異丙醇鋁在乙醇中的濃度為300g/L，攪拌速度為200r/min，所述噴霧的噴霧量是2mL/cm2，烘干的溫度為80℃；所述升溫靜置的溫度為120℃；所述常溫靜置的氛圍為氮氣與水蒸氣的混合氛圍，且混合氛圍中的水蒸氣體積占比為10%。

步驟6，將甲基硅酸鈉水溶液噴霧至預(yù)制碳纖維單絲表面，經(jīng)靜置與恒溫?zé)Y(jié)處理，得到封閉結(jié)構(gòu)的改性碳纖維單絲，所述甲基硅酸鈉水溶液中的甲基硅酸鈉質(zhì)量分數(shù)為30%，噴霧量為5mL/cm2，所述靜置的溫度為90℃；所述恒溫?zé)Y(jié)在氮氣氛圍下進行，且燒結(jié)的溫度為250℃。

步驟7，將封閉結(jié)構(gòu)的改性碳纖維單絲與聚丙烯、潤滑劑、1010抗氧化劑、硅烷偶聯(lián)劑混合，然后進行雙螺桿擠出機得到碳纖維復(fù)合材料，所述改性碳纖維復(fù)合材料與聚丙烯的質(zhì)量比為3：2，所述潤滑劑采用聚乙烯蠟，且聚乙烯蠟的使用量是聚丙烯質(zhì)量的1%，所述1010抗氧化劑的使用量是聚丙烯質(zhì)量的0.5%，所述硅烷偶聯(lián)劑采用KH-570硅烷偶聯(lián)劑，且該硅烷偶聯(lián)劑的加入量是聚丙烯質(zhì)量的0.7%。

1.2.2 實施例2

步驟1，將碳纖維材料放入乙醇水溶液中超聲處理50min，經(jīng)過濾后烘干，得到表面潔凈的碳纖維材料，所述碳纖維材料在乙醇水中的濃度為300g/L，所述乙醇水溶液中的乙醇體積占比為65%，所述超聲處理的超聲頻率為70kHz，溫度為55℃；所述烘干在氮氣氛圍下，且烘干溫度為110℃。

步驟2，將表面潔凈的碳纖維材料浸泡至雙氧水中密封靜置4h，過濾后得到表面氧化的碳纖維材料；所述雙氧水的體積百分比為23%，所述表面潔凈的碳纖維材料在雙氧水中的濃度為300g/L，密封靜置的溫度為50℃。

步驟3，將三氯甲基硅烷和乙基纖維素加入至乙醚中攪拌均勻形成硅醚液，然后將表面氧化的碳纖維材料加入并浸泡15min，取出后密封靜置4h，抽真空得到鍍膜碳纖維材料；所述三氯甲基硅烷在乙醚中的濃度為150g/L，所述乙基纖維素在乙醚中的濃度為80g/L，攪拌速度為300r/min，所述表面氧化的碳纖維材料在硅醚液的濃度為70g/L，浸泡的溫度為8℃，所述密封靜置的溫度為8℃，靜置氛圍為氮氣與水蒸氣的混合氛圍，且水蒸氣的體積占比為9%，所述抽真空的溫度為15℃。

步驟4，將數(shù)根鍍膜碳纖維材料纏繞形成單絲，并靜置反應(yīng)2h，經(jīng)乙醇超聲處理后取出得到碳纖維單絲；所述纏繞的鍍膜碳纖維是5根，且纏繞采用螺旋編織；所述靜置反應(yīng)的溫度為60℃，氛圍為氮氣氛圍；所述乙醇超聲處理的超聲頻率為70kHz，溫度為8℃。

步驟5，將異丙醇鋁加入至乙醇中攪拌均勻，并噴霧至碳纖維單絲內(nèi)，并烘干得到二次鍍膜碳纖維材料，經(jīng)升溫靜置和常溫靜置后得到預(yù)制碳纖維單絲；所述異丙醇鋁在乙醇中的濃度為400g/L，攪拌速度為300r/min，所述噴霧的噴霧量是4mL/cm2，烘干的溫度為85℃；所述升溫靜置的溫度為125℃；所述常溫靜置的氛圍為氮氣與水蒸氣的混合氛圍，且混合氛圍中的水蒸氣體積占比為11%。

步驟6，將甲基硅酸鈉水溶液噴霧至預(yù)制碳纖維單絲表面，經(jīng)靜置與恒溫?zé)Y(jié)處理，得到封閉結(jié)構(gòu)的改性碳纖維單絲，所述甲基硅酸鈉水溶液中的甲基硅酸鈉質(zhì)量分數(shù)為33%，噴霧量為8mL/cm2，所述靜置的溫度為95℃；所述恒溫?zé)Y(jié)在氮氣氛圍下進行，且燒結(jié)的溫度為280℃。

步驟7，將封閉結(jié)構(gòu)的改性碳纖維單絲與聚丙烯、潤滑劑、1010抗氧化劑、硅烷偶聯(lián)劑混合，然后進行雙螺桿擠出機得到碳纖維復(fù)合材料，所述改性碳纖維復(fù)合材料與聚丙烯的質(zhì)量比為3∶2.2，所述潤滑劑采用聚乙烯蠟，且聚乙烯蠟的使用量是聚丙烯質(zhì)量的1.2%，所述1010抗氧化劑的使用量是聚丙烯質(zhì)量的0.7%，所述硅烷偶聯(lián)劑采用KH-570硅烷偶聯(lián)劑，且該硅烷偶聯(lián)劑的加入量是聚丙烯質(zhì)量的0.9%。

1.2.3 實施例3

步驟1，將碳纖維材料放入乙醇水溶液中超聲處理60min，經(jīng)過濾后烘干，得到表面潔凈的碳纖維材料，所述碳纖維材料在乙醇水中的濃度為400g/L，所述乙醇水溶液中的乙醇體積占比為75%，所述超聲處理的超聲頻率為80kHz，溫度為60℃；所述烘干在氮氣氛圍下，且烘干溫度為120℃。

步驟2，將表面潔凈的碳纖維材料浸泡至雙氧水中密封靜置5h，過濾后得到表面氧化的碳纖維材料；所述雙氧水的體積百分比為25%，所述表面潔凈的碳纖維材料在雙氧水中的濃度為400g/L，密封靜置的溫度為60℃。

步驟3，將三氯甲基硅烷和乙基纖維素加入至乙醚中攪拌均勻形成硅醚液，然后將表面氧化的碳纖維材料加入并浸泡20min，取出后密封靜置5h，抽真空得到鍍膜碳纖維材料；所述三氯甲基硅烷在乙醚中的濃度為200g/L，所述乙基纖維素在乙醚中的濃度為100g/L，攪拌速度為400r/min，所述表面氧化的碳纖維材料在硅醚液的濃度為90g/L，浸泡的溫度為10℃，所述密封靜置的溫度為10℃，靜置氛圍為氮氣與水蒸氣的混合氛圍，且水蒸氣的體積占比為10%，所述抽真空的溫度為20℃。

步驟4，將數(shù)根鍍膜碳纖維材料纏繞形成單絲，并靜置反應(yīng)1-2h，經(jīng)乙醇超聲處理后取出得到碳纖維單絲；所述纏繞的鍍膜碳纖維是3-7根，且纏繞采用螺旋編織；所述靜置反應(yīng)的溫度為70℃，氛圍為氮氣氛圍；所述乙醇超聲處理的超聲頻率為80kHz，溫度為10℃。

步驟5，將異丙醇鋁加入至乙醇中攪拌均勻，并噴霧至碳纖維單絲內(nèi)，并烘干得到二次鍍膜碳纖維材料，經(jīng)升溫靜置和常溫靜置后得到預(yù)制碳纖維單絲；所述異丙醇鋁在乙醇中的濃度為500g/L，攪拌速度為400r/min，所述噴霧的噴霧量是5mL/cm2，烘干的溫度為90℃；所述升溫靜置的溫度為130℃；所述常溫靜置的氛圍為氮氣與水蒸氣的混合氛圍，且混合氛圍中的水蒸氣體積占比為12%。

步驟6，將甲基硅酸鈉水溶液噴霧至預(yù)制碳纖維單絲表面，經(jīng)靜置與恒溫?zé)Y(jié)處理，得到封閉結(jié)構(gòu)的改性碳纖維單絲，所述甲基硅酸鈉水溶液中的甲基硅酸鈉質(zhì)量分數(shù)為35%，噴霧量為10mL/cm2，所述靜置的溫度為100℃；所述恒溫?zé)Y(jié)在氮氣氛圍下進行，且燒結(jié)的溫度為300℃。

步驟7，將封閉結(jié)構(gòu)的改性碳纖維單絲與聚丙烯、潤滑劑、1010抗氧化劑、硅烷偶聯(lián)劑混合，然后進行雙螺桿擠出機得到碳纖維復(fù)合材料，所述改性碳纖維復(fù)合材料與聚丙烯的質(zhì)量比為3∶2.5，所述潤滑劑采用聚乙烯蠟，且聚乙烯蠟的使用量是聚丙烯質(zhì)量的1.5%，所述1010抗氧化劑的使用量是聚丙烯質(zhì)量的0.8%，所述硅烷偶聯(lián)劑采用KH-570硅烷偶聯(lián)劑，且該硅烷偶聯(lián)劑的加入量是聚丙烯質(zhì)量的1.0%。

1.2.4 對比例

一種碳纖維復(fù)合材料，是將碳纖維材料與聚丙烯、潤滑劑、1010抗氧化劑、硅烷偶聯(lián)劑混合，然后進行雙螺桿擠出機得到碳纖維復(fù)合材料，所述碳纖維材料與聚丙烯的質(zhì)量比為3∶2.2，所述潤滑劑采用聚乙烯蠟，且聚乙烯蠟的使用量是聚丙烯質(zhì)量的1.2%，所述1010抗氧化劑的使用量是聚丙烯質(zhì)量的0.7%，所述硅烷偶聯(lián)劑采用KH-570硅烷偶聯(lián)劑，且該硅烷偶聯(lián)劑的加入量是聚丙烯質(zhì)量的0.9%。

將實施例1-3和對比例的碳纖維復(fù)合材料制成測試樣，并對其進行測試，結(jié)果見表3。

2 試驗結(jié)果討論

對比例是將未經(jīng)封閉結(jié)構(gòu)改性的碳纖維材料與聚丙烯、潤滑劑、1010抗氧化劑、硅烷偶聯(lián)劑混合，然后進行雙螺桿擠出機得到碳纖維復(fù)合材料。將對比例的碳纖維復(fù)合材料制成測試樣，并對其進行測試，所述測試樣拉伸強度為68MPa，缺口沖擊強度為89J/m2，懸臂梁沖擊強度為807J/m2。

實施例1是將碳纖維單絲進行前6個步驟的封閉結(jié)構(gòu)改性后，與聚丙烯、潤滑劑、1010抗氧化劑、硅烷偶聯(lián)劑混合，然后進行雙螺桿擠出機得到碳纖維復(fù)合材料。將實施例1的碳纖維復(fù)合材料制成測試樣，并對其進行測試，所述測試樣拉伸強度為86MPa，缺口沖擊強度為102J/m2，懸臂梁沖擊強869J/m2。與對比例相對比，實施例1所制成的測試樣性能參數(shù)大大提高：拉伸強度提高18MPa，缺口沖擊強度提高13/m2，懸臂梁沖擊強度提高62J/m2，說明通過封閉結(jié)構(gòu)改性的碳纖維單絲加工成碳纖維復(fù)合材料性能明顯提高。得出結(jié)論：碳纖維單絲進行前6個步驟的封閉結(jié)構(gòu)改性后制作成的碳纖維復(fù)合材料性能大大提高。

實施例2同樣是將將碳纖維單絲進行前6個步驟的封閉結(jié)構(gòu)改性后，與聚丙烯、潤滑劑、1010抗氧化劑、硅烷偶聯(lián)劑混合，然后進行雙螺桿擠出機得到碳纖維復(fù)合材料，但在實施例1的基礎(chǔ)上工藝參數(shù)有所加大。將實施例2的碳纖維復(fù)合材料制成測試樣，并對其進行測試，所述測試樣拉伸強度為88MPa，缺口沖擊強度為106J/m2，懸臂梁沖擊強度878J/m2。實施例2所制成的測試樣比實施例1性能參數(shù)繼續(xù)提高，但提高幅度有所減?。豪鞆姸忍岣?MPa，缺口沖擊強度提高4/m2，懸臂梁沖擊強度提高9J/m2。得出結(jié)論：隨著封閉結(jié)構(gòu)改性的工藝參數(shù)加大，制作成的碳纖維復(fù)合材料性能繼續(xù)提高，但提高幅度有所減小。

實施例3繼續(xù)是將碳纖維單絲進行前6個步驟的封閉結(jié)構(gòu)改性后，與聚丙烯、潤滑劑、1010抗氧化劑、硅烷偶聯(lián)劑混合，然后進行雙螺桿擠出機得到碳纖維復(fù)合材料，但在實施例2的基礎(chǔ)上工藝參數(shù)繼續(xù)加大。將實施例3的碳纖維復(fù)合材料制成測試樣，并對其進行測試，所述測試樣拉伸強度為88MPa，缺口沖擊強度為107J/m2，懸臂梁沖擊強度879J/m2。實施例3所制成的測試樣與實施例2性能參數(shù)變化不大：拉伸強度提高0MPa，缺口沖擊強度提高1/m2，懸臂梁沖擊強度提高1J/m2。得出結(jié)論：隨著封閉結(jié)構(gòu)改性的工藝參數(shù)繼續(xù)加大，制作成的碳纖維復(fù)合材料性能提高基本變化不大。

3 結(jié)論

和對比例相比，通過封閉結(jié)構(gòu)改性的碳纖維單絲加工成碳纖維復(fù)合材料性能明顯提高。隨著封閉結(jié)構(gòu)改性的工藝參數(shù)繼續(xù)加大，制作成的碳纖維復(fù)合材料性能繼續(xù)提高，但提高幅度有所減小。實施例3雖然繼續(xù)加大了工藝參數(shù)，其碳纖維復(fù)合材料制作成的測試樣較實施例2性能變化不大?？紤]到生產(chǎn)實際，場地、材料、人工、時間等成本，實施例2制作碳纖維復(fù)合材料的工藝參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。

基金項目：本文系2023年浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院院級科研項目“一種輕量化純電動賽車的設(shè)計和制作”（KY202332）研究成果。

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