一种具有多层结构的碳纤维复合结构件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有多层结构的碳纤维复合结构件，包括：第一金属层和第二金属层；形成在第一金属层和第二金属层之间的合金层和碳纤维层。合金层和碳纤维交替层叠设置。第一金属层和第二金属层分别具有超过合金层和碳纤维层的第一延伸部和第二延伸部，第一延伸部和第二延伸部固定连接能够方便与其它结构件连接。本发明专利技术通过低熔点的合金层将碳纤维层和外层高熔点的金属层连接在一起，合金层能够充分浸润碳纤维层。第一金属层和第二金属层可以通过点焊接等方式固定连接第一延伸部和第二延伸部，从而保证成型时合金层和碳纤维层位置固定。通过本发明专利技术制备的结构件强度高、质量轻，易于焊接，无传统金属基复合材料易老化，层间结合力低等问题。

A carbon fiber composite structure with multilayer structure and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有多层结构的碳纤维复合结构件及其制备方法
本专利技术涉及了碳纤维复合材料领域和热成型领域，尤其涉及一种具有多层结构的碳纤维复合结构件以及其制备方法。
技术介绍
现有技术中，单层或多层连续碳纤维增强环氧树脂的热模压技术提供了结构件的轻量化高强度解决方案。连续碳纤维增强树脂结构件虽然具有轻质高强的优点，但限于树脂热模压工艺中需要较长时间加热固化的特点，制造节拍偏低，制造成本偏高。同时树脂材料易老化，不耐磕碰，强度偏低。因此，在此基础上进行改进，将连续碳纤维增强树脂结构件与金属板结合，构成强度较大的复合结构件。并且，现有的单层钢板的热成型冲压技术提供了结构件的轻量化高强度解决方案。然而热冲压结构件的材质为钢铁，密度依然较大，因此无法与轻质材料具有同样的轻量化效果，并且抗拉强度虽然达到了1500MPa，但延伸率偏低，碰撞时吸能能力不强。另外，在结构件之间进行连接时，树脂材料几乎只有胶粘一种，同样有易老化问题。因此在此基础上进行了改进，专利技术了金属基连续碳纤维结构。金属基连续碳纤维结构虽然有效了解决了树脂基碳纤维结构的以上不足，但现有技术中金属基连续碳纤维增强结构的制备方法不适合于制备薄壁结构件。另外，多层金属板与连续碳纤维布夹层结构虽然也有应用，但这种结构各层材料之间没有融合，属于各层单独承载，在结构件承载时连续碳纤维的高强度承载能力不易得到有效发挥。而专利CN101057003A金属基碳纤维复合材料及其制造方法里面，介绍了一种金属基复合材料的方法，即将短碳纤维附着到片状或箔状的金属技撑体上，制成预成型体，然后在预成型体叠体，加热到熔融状态压接。通过此专利技术制备的金属基复合材料，解决了半导体的传热问题。但是由于采用短纤维制成的复合材料，通过加热到熔融温度，铝合金难以与碳纤维充分浸润，只能包裹在碳纤维束的周围，强度增加有限；另外，制备而成的金属基复合材料难以与其它结构件进行连接。各层之间难以充分浸润导致各层之间结合力低。另外熔融状态的金属本身不易传送，且容易变形，因此对热压辊或者模具的温度要求很高。
技术实现思路
为了克服现有技术中的缺陷，本专利技术实施例提供了一种具有多层结构的碳纤维复合结构件，该碳纤维复合结构件具有高强度、轻质量、更高延展率、更好的耐腐蚀性，并且具有与其他构件更方便的连接条件，从而使用效果更好，寿命更长。该碳纤维复合结构件包括：第一金属层；位于所述第一金属层下方的第二金属层；形成在所述第一金属层和所述第二金属层之间的中间单元；所述中间单元包括交替层叠设置的合金层和碳纤维层；位于所述中间单元中最上方的合金层与所述第一金属层固定连接；位于所述中间单元中最下方的合金层与所述第二金属层固定连接；所述第一金属层还具有用于覆盖所述中间单元的第一覆盖部和自所述第一覆盖部向外延伸的第一延伸部；所述第二金属层还具有用于覆盖所述中间单元的第二覆盖部和自所述第二覆盖部向外延伸的第二延伸部；所述第一延伸部与所述第二延伸部固定连接。所述第一金属层和/或第二金属层的外表面具有第一涂层；所述第一金属层和/或所述第二金属层的内表面具有第二涂层。进一步地，所述第一金属层和所述第二金属层的局部设置有装配板，所述装配板采用拼焊板或差厚板或补丁板，所述装配板用于改变所述第一金属层和所述第二金属层的厚度，从而方便连接第一延伸部和第二延伸部。进一步地，所述第一涂层可以采用铝合金、锌合金、锰合金和镍合金，优选为锌合金和/或锰合金；所述第一涂层的厚度为1μm-100μm，优选为20μm，所述涂层可以增加抗氧化耐腐蚀性能。进一步地，所述第二涂层可以采用铝合金、锌合金、锰合金和镍合金，优选为锌合金；所述第二涂层的厚度为1μm-40μm，优选为20μm，所述第二涂层可以增加抗氧化耐腐蚀性能。进一步地，所述第一金属层和/或所述第二金属层的内表面经过粗糙化处理，所述表面粗糙化处理方式包括喷砂、拉丝、压花等方式，增加外层高熔点金属与内层低熔点金属的结合力。进一步地，所述第一金属层和/或所述第二金属层可以为钢板或者钛合金板，厚度为0.1-2.0mm，优选为热冲压钢板22MnB5，厚度为0.3mm。进一步地，所述碳纤维层是由0.1-0.5mm碳纤维丝束展纤成0.05-0.2mm碳纤维展纤丝束，将碳纤维展纤丝束真空加热去胶处理后，在碳纤维层的表面涂覆有第三涂层，所述第三涂层采用铜或镍或氧化铝，再由碳纤维展纤丝束织成网格间距3-10mm网格布。通过将原有碳纤维丝束进行展线变薄，碳纤维丝的密度变小，间距变大，加热后中间层低熔点合金液体能充分与碳纤维丝进行润湿、接触，增加材料强度。本专利技术还一种具有多层结构的碳纤维复合结构件的制备方法，该制备方法具有更快的生产节拍，更低的制造成本。包括以下步骤：分别将第一金属层、第二金属层、合金层和碳纤维层进行落料；将所述第一金属层、所述第二金属层、所述合金层和所述碳纤维层如权利要求1的层叠形式排列成多层结构；固定连接所述第一延伸部和所述第二延伸部，使得所述多层结构形成连接件；对所述连接件先冲压再加热，或者先加热再冲压，使得所述连接件成形为成形件；将所述成形件进行保压冷却；对经过保压冷却后的所述成形件进行切边和冲孔，从而最终得到所述碳纤维复合结构件。进一步地，所述碳纤维层是由碳纤维丝束织成碳纤维布制备而成，所述碳纤维层的表面涂覆有涂层，所述涂层采用铜、镍、氧化铝。进一步地，加热环境为无氧环境，含氧量小于5％，优选为0.0002％。进一步地，在保压冷却的步骤中，所述金属板的冷却速率大于30K/秒。进一步地，固定连接所述第一延伸部和所述第二延伸部的方式可以为点焊，连续焊，密封焊或铆接；其中，所述密封焊可以采用叠焊或缝焊。进一步地，固定连接所述第一延伸部和所述第二延伸部时可以采用将所述多层板压住以消除多层板之间的间隙。进一步地，在进行切边及冲孔时，确保所述点焊的焊点不被切边和冲孔去除。本专利技术的有益效果如下：1、该碳纤维复合结构件的金属层具有第一延伸部和第二延伸部，并且第一延伸部和第二延伸部固定连接，可以有效地解决碳纤维复合材料常有的与其他结构件连接困难的问题。2、第一金属层和/或第二金属层的外表面具有第一涂层、第一金属层和/或所述第二金属层的内表面具有第二涂层，第一涂层和第二涂层通过加热熔化，能够更加紧密地连接金属层和合金层，从而使中间单元加热熔化与金属层的扩散形成固溶体，实现了中间单元与外层的金属层的“焊合”。3、在制备该碳纤维复合结构件的制备方法中，通过固定连接第一延伸部和第二延伸部，对中间单元的各层有固定作用，使得各层不易在成型过程中移动，改变位置。同时避免所述连接件在加热时各层之间产生间隙影响加热时热量由外层向内层材料传导。4、在加热过程中选用无氧环境，避免了碳纤维的遇热氧化问题。在大气中进行保压冷却时，连续碳纤维层已经被合金层完全包裹浸润，避免了产生氧化问题。为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有多层结构的碳纤维复合结构件，其特征在于，包括：/n第一金属层；/n位于所述第一金属层下方的第二金属层；/n形成在所述第一金属层和所述第二金属层之间的中间单元；/n所述中间单元包括交替层叠设置的合金层和碳纤维层；/n位于所述中间单元中最上方的合金层与所述第一金属层固定连接；/n位于所述中间单元中最下方的合金层与所述第二金属层固定连接；/n所述第一金属层还具有用于覆盖所述中间单元的第一覆盖部和自所述第一覆盖部向外延伸的第一延伸部；/n所述第二金属层还具有用于覆盖所述中间单元的第二覆盖部和自所述第二覆盖部向外延伸的第二延伸部；/n所述第一延伸部与所述第二延伸部固定连接。/n所述第一金属层和/或第二金属层的外表面具有第一涂层；所述第一金属层和/或所述第二金属层的内表面具有第二涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有多层结构的碳纤维复合结构件，其特征在于，包括：
第一金属层；
位于所述第一金属层下方的第二金属层；
形成在所述第一金属层和所述第二金属层之间的中间单元；
所述中间单元包括交替层叠设置的合金层和碳纤维层；
位于所述中间单元中最上方的合金层与所述第一金属层固定连接；
位于所述中间单元中最下方的合金层与所述第二金属层固定连接；
所述第一金属层还具有用于覆盖所述中间单元的第一覆盖部和自所述第一覆盖部向外延伸的第一延伸部；
所述第二金属层还具有用于覆盖所述中间单元的第二覆盖部和自所述第二覆盖部向外延伸的第二延伸部；
所述第一延伸部与所述第二延伸部固定连接。
所述第一金属层和/或第二金属层的外表面具有第一涂层；所述第一金属层和/或所述第二金属层的内表面具有第二涂层。


2.根据权利要求1所述的具有多层结构的碳纤维复合结构件，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层的局部设置有装配板，所述装配板采用拼焊板或差厚板或补丁板，所述装配板用于改变所述第一金属层和所述第二金属层的厚度，从而方便连接第一延伸部和第二延伸部。


3.根据权利要求1所述的具有多层结构的碳纤维复合结构件，其特征在于，所述第一涂层和第二涂层可以采用铝合金、锌合金、锰合金和镍合金；所述第一涂层的厚度为1-100μm，所述第二涂层的厚度为1-40μm。


4.根据权利要求3所述的具有多层结构的碳纤维复合结构件，其特征在于，所述第一涂层和所述第二涂层的厚度为20μm。


5.根据权利要求1所述的具有多层结构的碳纤维复合结构件，其特征在于，所述第一金属层和/或所述第二金属层的内表面经过粗糙化处理，所述表面粗糙化处理方式包括喷砂、拉丝、压花方式。


6.根据权利要求1所述的具有多层结构的碳纤维复合结构件，其特征在于，所述第一金属层和/或所述第二金属层可以为钢板或者钛合金板，厚度为0.1-2.0mm。


7.根据权利要求6所述的具有多层结构的碳纤维复合结构件，其特征在于，所述第一金属层和/或所述第二金属层采用热冲压钢板22MnB5，厚度为0.3mm。


8.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：安健，陈汉杰，
申请(专利权)人：苏州普热斯勒先进成型技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32