增强纤维

申请号 CN201520162768.9 申请日 2015-03-20 公开(公告)号 CN204749302U 公开(公告)日 2015-11-11
申请人 福特环球技术公司; 发明人 赵海波; 帕特里克·詹姆斯·布兰卡德;
摘要 本实用新型提供一种增强 纤维 ,其包括具有长度和外表面及内表面的 碳 纤维,该长度和外表面及内表面限定了壁。该壁具有限定了外直径和内直径以及壁厚的第一横截面。圆柱形 碳纤维 的壁厚大于或等于2μm。本实用新型节省大量的材料并且使纤维甚至更轻。
权利要求

1.一种增强纤维,其特征在于,包括:
具有长度和外表面及内表面的纤维,所述长度和外表面及内表面限定了壁,所述壁具有限定了外直径和内直径以及壁厚的第一横截面,所述壁厚大于或等于2μm,且所述外直径和内直径沿着所述长度变化。
2.根据权利要求1所述的增强纤维,其特征在于,所述壁为圆柱形壁。
3.根据权利要求1所述的增强纤维,其特征在于,还包括在沿着所述长度的第二位置处截取的第二横截面,并且所述第二横截面具有的横截面面积等于所述第一横截面的横截面面积。
4.根据权利要求1所述的增强纤维,其特征在于,还包括在沿着所述长度的第二位置处截取的第二横截面,并且与所述第一横截面的面积的变化一样所述第二横截面的横截面面积变化小于50%。
5.根据权利要求1所述的增强纤维,其特征在于,所述外直径大于7μm。
6.根据权利要求1所述的增强纤维,其特征在于,所述内直径大于4μm。
7.根据权利要求1所述的增强纤维,其特征在于,所述碳纤维还包括第一和第二开口端。
8.一种增强纤维,其特征在于,包括:
具有限定了管的长度和外表面及内表面以及具有限定了外直径和内直径的第一横截面的碳纤维,其中所述外直径和内直径沿着所述长度变化。
9.根据权利要求8所述的增强纤维,其特征在于,所述外直径和内直径沿着所述长度而线性地增加。
10.根据权利要求8所述的增强纤维,其特征在于,所述外直径和内直径沿着所述长度反复地增加和减小。

说明书全文

增强纤维

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种具有内腔的纤维及其制造方法。

背景技术

[0002] 复合板通常用于制造车辆的结构和车身面板并且用于其他产品中。复合板通常由通过碳纤维、玻璃纤维、天然纤维或者与分散在基体中类似的纤维来增强的聚合树脂制成。复合板通常为坚固的、重量轻的并且可用在各种各样的产品应用中。
实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的在于提供一种增强纤维,以节省大量的材料并且使纤维甚至更轻。
[0004] 本实用新型提供一种增强纤维,包括:
[0005] 具有长度和外表面及内表面的碳纤维,所述长度和外表面及内表面限定了壁,所述壁具有限定了外直径和内直径以及壁厚的第一横截面,所述壁厚大于或等于2μm。
[0006] 优选地,所述碳纤维的具体拉伸强度大于5X 104米。
[0007] 优选地,所述壁为圆柱形壁。
[0008] 优选地,增强纤维还包括在沿着所述长度的第二位置处截取的第二横截面,并且所述第二横截面具有的横截面面积基本上等于所述第一横截面的横截面面积。
[0009] 优选地,增强纤维还包括在沿着所述长度的第二位置处截取的第二横截面,并且与所述第一横截面的面积的变化一样所述第二横截面的横截面面积变化小于50%。
[0010] 优选地,所述外直径大于7μm。
[0011] 优选地,所述内直径大于4μm。
[0012] 优选地,所述碳纤维还包括第一和第二开口端。
[0013] 优选地,所述碳纤维还包括在沿着所述长度的第二位置处截取的第二横截面,其中所述横截面的内直径或外直径变化小于5μm。
[0014] 本实用新型还提供一种增强纤维,包括:
[0015] 具有限定了管的长度和外表面及内表面以及具有限定了外直径和内直径的第一横截面的碳纤维,其中所述外直径和内直径沿着所述长度变化。
[0016] 优选地,所述外直径和内直径沿着所述长度而线性地增加。
[0017] 优选地,所述外直径和内直径沿着所述长度反复地增加和减小。
[0018] 本实用新型还提供一种方法,包括:
[0019] 由聚合物材料形成聚合物前驱体(polymer precursor),所述聚合物前驱体具有限定了圆柱形管的长度和外表面及内表面,所述圆柱形管具有限定了外直径和内直径以及壁厚的第一横截面,所述壁厚大于或等于2μm。
[0020] 优选地,所述聚合物材料为片材形式。
[0021] 优选地,所述聚合物材料为流动的聚合物材料;
[0022] 对第一薄膜和第二薄膜进行加热以使其变得可成型;
[0023] 将所述第一薄膜和所述第二薄膜一起按压在具有半圆通道的板上,所述半圆通道具有通过所述半圆通道的中心的销;以及
[0024] 在纵向方向上拉动所述第一薄膜和所述第二薄膜穿过所述半圆通道,其中气体流动通过所述销以形成中空的丝状物。
[0025] 优选地,所述聚合物材料为第一和第二前驱体薄膜;
[0026] 在纵向方向上抽吸液体前驱体通过衬套,所述衬套具有气体输送管;以及[0027] 使气体流动通过所述输送管以形成中空的丝状物。
[0028] 优选地,所述聚合物材料为第一和第二聚合物薄膜;
[0029] 对弯曲工装板供给所述第一薄膜和所述第二薄膜;
[0030] 在纵向方向上拉动所述第一薄膜和所述第二薄膜穿过所述弯曲工装板以形成两个部分的管;
[0031] 通过邻接的且纵向对齐的所述两个管而将所述第一薄膜匹配至所述第二薄膜;
[0032] 按压所述两个管以形成一系列的管;以及
[0033] 将所述管分成单独的中空丝状物。
[0034] 优选地,所述的方法还包括将所述中空丝状物卷绕在卷轴上。
[0035] 优选地,所述第一薄膜和所述第二薄膜的供给从初始方向为大于15度。
[0036] 优选地,所述的方法还包括将中空丝状物卷绕在卷轴上。
[0037] 根据本实用新型的一个方面,提供一种增强纤维,包括具有长度和外表面及内表面的碳纤维,该长度和外表面及内表面限定了壁。该壁具有限定了外直径和内直径及壁厚的第一横截面。圆柱形碳纤维管的壁厚大于或等于2μm。
[0038] 根据本实用新型的其他方面,本实用新型包括增强纤维,其包括具有限定了管的长度和内表面及外表面以及具有限定了外直径和内直径的第一横截面的碳纤维,其中该外直径和内直径沿着该长度变化。
[0039] 根据本实用新型的另一个方面,提供一种方法,用以由聚合物材料形成聚合物前驱体。该聚合物前驱体具有限定了圆柱形管的长度和外表面及内表面。该管具有限定了外直径和内直径以及壁厚的横截面。该壁厚大于或等于2μm。
[0040] 本实用新型的有益效果在于:节省大量的材料并且使纤维甚至更轻。附图说明
[0041] 图1为具有内腔的碳纤维的局部透视图;
[0042] 图2A、图2B以及图2C为具有内腔的碳纤维的局部透视图,每一个视图示出了一个形状变化;
[0043] 图3A和图3B为与用于具有内腔的碳纤维的聚合物前驱体的制造方法相关的透视图;
[0044] 图4A为与用于具有内腔的碳纤维的聚合物前驱体的另一个制造方法有关的透视图;
[0045] 图4B为在制造图4A的聚合物前驱体的方法中所使用的梳状微销的透视图;
[0046] 图4C为与制造图4A的聚合物前驱体的方法有关的工装板的侧视图;
[0047] 图5A为用于由液体聚合物材料来制造聚合物前驱体的方法的气体输送管的横截面视图。
[0048] 图5B为在图5A中所示出的气体输送管的衬套的端部视图。
[0049] 图6A和图6B为在制造具有内腔的碳纤维的方法中的步骤的示意图。

具体实施方式

[0050] 按照要求,本文中已披露了本实用新型的详细的实施方式;然而,应当理解的是,所披露的实施例仅为本实用新型的示例性示例的并且可以以不同的和替代的形式来实施。该附图并不一定按比例绘制;一些特征可被放大或缩小以示出特定组件的细部。因此,本文中所披露的具体结构和功能的细部并不应当理解为限制性的,而是仅仅作为用于教导本领域的技术人员来变化地实施本实用新型的代表性基础
[0051] 碳纤维(CF)增强聚合物复合材料作为有前景的轻质材料而在汽车工业中得到越来越多的关注,以满足政府的市政当局平均燃油经济性(CAFE)要求并且满足消费者期望的燃油经济性。为了满足大批量生产汽车复合材料的经济要求,正在研发一种低成本的制造工艺和低成本的材料。
[0052] 由于碳纤维加工方法为劳动密集的且产生多孔碳纤维并且不适于汽车生产量,因而将碳纤维结合入复合结构已经遇到了挑战。这种劳动密集的加工方法包括预浸渍碳纤维复合材料层压件的真空袋高压灭菌法。已经做了一些尝试,已经研发了将围绕玻璃纤维加强件开发的复合材料的加工方法应用至碳纤维加强件的加工方法。这些尝试都面临着挑战。碳纤维的直径通常为玻璃纤维的一半。因而,对于等效的纤维容积负荷(volume loading)而言,与使用玻璃纤维相比,可能需要四倍的碳纤维来填充相同的容积。特别对于随机的纤维复合材料,由于纤维的紧密相互作用以及对于碳纤维所研发的上浆配制剂(聚合物涂层的薄层),因而纤维量的增加增加了切割工艺的复杂性。这种纤维的相互作用可在加工期间使得纤维成一团并且导致纤维不适当地分散性。这将导致纤维的负荷传递退化并且大大降低了复合材料的机械性能。由部分的磺化工艺所产生的中空碳纤维具有仅邻近纤维外表面的石墨烯结构。经磺化生产的纤维的大多数内容物是无定形碳,并且是多孔的。这种低结晶度和高孔隙率可导致比碳增强纤维所需较低的强度和模量。
[0053] 现参考图1,中空碳纤维10(具有内腔或空间11)已经成形为圆柱形管,该圆柱形管具有限定了横截面面积16的壁厚14和外直径12。纤维10的外直径12可为7μm至30μm,优选为10至20μm并且最优选为13至15μm。外直径12和横截面面积16均可被调节且可沿着管的长度变化。该横截面面积16可为总纤维横截面面积的30%至80%。总
2
纤维横截面面积为π(d/2),其中d为外直径12。壁厚14可为1μm至10μm,优选为2μm至5μm并且最优选为2μm至4μm。选择中空碳纤维10的外直径12,以解决在随机的纤维加工中打湿和纤维分散的问题。使用了在一个或多个实施例中所列出的尺寸的碳纤维产生低密度的纤维以用于增强聚合树脂。(纤维10,以及一定容积的聚合树脂所需的较少的纤维,导致较少地纤维相互作用以及成一团)。具有内腔的设计有时称之为空芯设计,该空芯设计减少了在聚合物前驱体管内的化和扩散途径因此将大致保持与当前的用于直径约为7μm的纤维的CF制造相同的稳定和氧化时间。一个或更多个实施例提供的碳纤维10可以以与玻璃纤维近似的直径来生产。一个或更多个实施例的纤维的直径可以是标准的碳纤维的2倍或比2倍更大的直径。本实用新型的一个或更多个实施例的纤维可具有结晶或石墨烯结构并且为非多孔的。高结晶度和低孔隙率产生了良好的机械拉伸强度和拉伸模量。具体拉伸强度为拉伸强度除以密度和重加速度(g)。
[0054]
[0055] 本实用新型的纤维的具体拉伸强度可在5x 104m至50x 104m之间,更优选地在10x4 4 4 4
10m至40x 10m之间,并且最优选地在20x 10m至30x 10m之间。具体拉伸模量为拉伸模
6 6
量除以密度和重力加速度(g)。本实用新型的纤维的具体拉伸模量可在5x 10m至20x 10m
6 6 6 6
之间,并且更优选地在10x 10m至18x 10m之间,并且最优选地在12x 10m至15x 10m之间。
[0056] 一个或多个实施例提供了一种用于结晶的并且为非多孔的碳纤维增强材料的制造工艺和成本相对较低的材料。本实用新型的其他实施例可提供非圆柱形的中空碳纤维,非圆柱形例如具有正方形或长方形横截面的形状或者任何其他合适的外形。
[0057] 中空碳纤维10的外直径12和内直径18可沿着长度变化。壁厚14和横截面面积16也可变化。参考图2A,中空碳纤维20的外直径12沿着长度线性地变化。内直径18也可以变化以大体上维持相同的横截面面积16或者内直径18可保持为相同,或者内直径18可以与外直径18不同方式变化。参考图2B,示出了碳纤维管22,其中内直径18和外直径
12变化且横截面面积16沿着碳纤维22的长度保持相同。参考图2C,示出了碳纤维管24,其中外直径12和内直径18以手琴形式而一起变化。
[0058] 碳纤维可为限定了不同于管或圆柱的中空结构的形状。中空结构的横截面可为正方形、长方形、矩形或其他形状。在沿着中空碳纤维的长度的第一位置处截取的第一横截面以及在沿着所述长度的第二位置处截取的第二横截面,具有基本上相同或者可变化80%、50%、20%、6%或0.5%的横截面面积。
[0059] CF由其聚合物前驱体经由一系列的拉伸、稳定、碳化工艺等制造而成。前驱体通过这些工艺缩小了约一半。一个或更多个实施例提供了具有相同的中空设计但所有的尺寸加倍的CF前驱体。这种设计的优点包括节省材料并且降低纤维密度。中空芯设计可节省大量的材料并且使纤维甚至更轻。
[0060] 一个或更多个实施例涉及生产用于中空碳纤维的中空聚合物前驱体的不同的制造方法。该实施例可为连续的工艺以符合汽车和其他应用的大批量制造的要求。一旦形成聚合物前驱体,中空聚合物前驱体在大气压力下并且在200℃至300℃下被氧化和稳定化~2小时。然后依据碳纤维级,该聚合物前驱体在1200℃至2900℃下被碳化。聚合物前驱体的直径在碳化工艺期间减小。聚合物前驱体的外直径可从100μm变化至10μm以形成中空碳纤维。
[0061] 图3A和图3B描绘了与由片材或薄膜形式的聚合物材料形成聚合物前驱体的初始步骤有关的透视图。聚合物材料30由CF聚合物颗粒生产为片材或薄膜。聚合物材料30紧靠着一个或更多个工装板32拉动并且经过该一个或跟多个工装板。工装板具有一系列在纵向方向上延伸的半圆部分34,其中这些半圆部分过渡到扁平形状。该薄膜最初在扁平端处接近该工装并且当该薄膜被拉伸时该薄膜被拉紧并且逐渐地形成波纹半管结构。相对于从薄膜接触工装板36之处至工装板的端部38,薄膜方向可在10度至90度的范围内变化。两个半管薄膜最后热压在一起以形成完整的管并且被分成单独的中空丝状物。该中空聚合物前驱体管可被卷轴40收集。
[0062] 现参考图4A,提供了一种中空管直接压铸的方法。聚合物材料42被加热成可再成型的并且然后通过一个或更多个工装板32与半圆部分34压在一起。在图4B中示出的梳状微销44设置在工装板32的中心位置处以确保形成中空聚合物前驱体。中空纤维被形成并且可被卷轴收集。该薄膜可被持续性按压。聚合物材料42以及聚合物前驱体可拉动穿过工装板32。参考图4C,示出了具有半圆部分34和梳状微销44的工装板32的横截面。
[0063] 现参考图5A和图5B,提供了一种由流动的并可被抽吸的聚合物材料来制备聚合物前驱体的方法。该聚合物材料可为液体、在溶液中或者作为颗粒。碳纤维材料被熔化或溶解在溶液中并且通过衬套50被抽吸。在衬套孔54的中心的空气或气体输送管52使得聚合物前驱体在从衬套50中被引出并且固化之后形成中空管结构。输送管防止中空聚合物前驱体壁塌陷,并且输送管可为中空管或歧管或者可由多孔的杆制成。其可在具有或不具有气体流动的情形下使用。其还可为实心管。当气体通过气体输送管52而被引入时,气体从歧管出口56流出。
[0064] 形成用于中空碳纤维的聚合物前驱体的方法,可利用具有不相等尺寸的两部分或者部分管的配合。聚合物前驱体形成在工装板上,工装板的尺寸设置为制造出聚合物前驱体的其中横截面大于待形成的横截面的一半的一部分,以及小于最终横截面的一半的一部分。然后完整的横截面形状通过将并不是待形成的碳纤维的每一半的部分管结合而形成。形成碳纤维的方法可包括:工装板和衬套被成型为生产不同的横截面形状的聚合物前驱体,诸如正方形或矩形的中空纤维。
[0065] 现参考图6A和图6B,提供了制造中空碳纤维的方法中的步骤的流程图。在步骤1中提供了片材60、液体62、溶液或颗粒形式的聚合物材料。在步骤2中提供了一侧或两侧上具有部件64的工装板元件。该部件可为半圆或者待形成的最终管的一部分。该部件在工装板的一个端部上可为扁平的并且在工装板的第二端部处转变成期望的形状。可替代地,工装板元件可成型为具有孔54或开口以通过使得步骤1中提供的聚合物材料为液体62并且流动通过该开口的材料而提供所述部件。在步骤3中,聚合物前驱体的部分通过热压结合以形成具有壁的最终聚合物前驱体形状。在步骤4中,连接的成型壁被分开呈分离的聚合物前驱体。对于被设计为用于流动的聚合物材料的工装板元件而言可以不需要步骤3和步骤4。如果期望的话,聚合物前驱体可在步骤5中卷绕在卷轴上。卷绕在卷轴上提供了在下一个步骤(步骤6)中输送和供给聚合物前驱体的方法,其中聚合物前驱体被氧化且稳定化。步骤6中的氧化可在大气压力和200-300℃下进行大约两个小时。被氧化和稳定化的聚合物前驱体然后在步骤7中在1200℃至2900℃下被碳化。所需要的温度取决于所使用的聚合物前驱体的质量。最后,在步骤8中,形成了非多孔的结晶的碳纤维10,其具有较聚合物前驱体小的直径。在步骤6和7中纤维直径被减小并且可在尺寸上可减少到二分之一。
[0066] 虽然上述描述了示例性实施例,然而这些实施例并不旨在描述本实用新型的所有可能的形式。相反地,在说明书中使用的词语仅为描述性的词语而非限制性,并且应理解的是,在未脱离本实用新型的精神和范围的情况下可进行各种改变。另外,不同的执行的实施例的特征可以相结合以形成进一步的实施例。
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