本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種纏繞增強(qiáng)纖維、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，提高纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度的方式主要有兩種：一種是通過(guò)對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行改性，以提高樹(shù)脂強(qiáng)度、或者提高樹(shù)脂與纖維之間的界面力；另一種方式是通過(guò)增強(qiáng)纖維的鋪層設(shè)計(jì)、混雜、或者三維織造等方式來(lái)提高纖維織物的強(qiáng)度。

但上述兩種方式存在如下缺陷：第一種方式對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度提升效果有限；第二種方式中，纖維的鋪層和混雜對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度提升效果也并不明顯，而三維織造的設(shè)備費(fèi)用十分昂貴，大大提高了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)成本。

此外，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于提高連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料軸向壓縮性能的專(zhuān)利還較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種抗彎強(qiáng)度高的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，以及一種增強(qiáng)效果好的纏繞增強(qiáng)纖維及其制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供的一種纏繞增強(qiáng)纖維的制備方法包括步驟：

a.緊固：將增強(qiáng)纖維束兩端固定拉緊；

b.纏繞：將多條纏繞纖維束同時(shí)纏繞至增強(qiáng)纖維束表面，或者先將一條纏繞纖維束纏繞至增強(qiáng)纖維束表面，再依次將其它纏繞纖維束纏繞至增強(qiáng)纖維束表面。

也就是說(shuō)，纏繞纖維束是多層而非單層纏繞在增強(qiáng)纖維束表面的。需說(shuō)明的是，這里的單層纏繞的定義為：一條纏繞纖維束纏繞在增強(qiáng)纖維束表面；多層纏繞的定義為：多條纏繞纖維束纏繞在增強(qiáng)纖維束表面，并非多條纏繞纖維束層層包裹纏繞在增強(qiáng)纖維束表面。

這樣的多層纏繞可以在不增加纏繞纖維束的密度下大大提高纏繞增強(qiáng)纖維的抗彎強(qiáng)度，在高性能材料領(lǐng)域提供一種新的材料和制備方法。

進(jìn)一步的，上述纏繞增強(qiáng)纖維的制備方法中所述步驟b中纏繞纖維束纏繞在增強(qiáng)纖維束表面時(shí)，控制纏繞纖維的張力在2-8n。這是為了使得纏繞增強(qiáng)后的纏繞增強(qiáng)纖維具有更好的抗彎強(qiáng)度。

進(jìn)一步的，上述纏繞增強(qiáng)纖維的制備方法中所述步驟a中控制增強(qiáng)纖維束的拉緊張力為2-8n。這是為了在后期制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)控制樹(shù)脂流入纖維內(nèi)部的滲透率，從而使得樹(shù)脂與纖維結(jié)合適當(dāng)，滲入的樹(shù)脂能夠?qū)w維本身有增強(qiáng)的作用，但不至于過(guò)多影響抗彎強(qiáng)度，最終使得制備的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度更好，耐彎耐折性更優(yōu)。

進(jìn)一步的，上述纏繞增強(qiáng)纖維的制備方法中所述增強(qiáng)纖維束的組成纖維為無(wú)機(jī)纖維；所述纏繞纖維束的組成纖維為有機(jī)纖維。無(wú)機(jī)纖維通常具有高模量和低抗彎強(qiáng)度，當(dāng)然這里優(yōu)選使用的增強(qiáng)纖維束組成纖維為高模量無(wú)機(jī)纖維，高模量無(wú)機(jī)纖維即由無(wú)機(jī)材料組成的纖維，并且其模量不低于176cn/dkex。

進(jìn)一步優(yōu)選的，上述纏繞增強(qiáng)纖維的制備方法中所述增強(qiáng)纖維束的組成纖維為碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維中的一種或多種混合；所述纏繞纖維束的組成纖維為丙綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚對(duì)苯撐苯并二噁唑纖維中的一種或多種混合。超高分子量聚乙烯纖維是分子量在100萬(wàn)-500萬(wàn)的聚乙烯所紡出的高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。

進(jìn)一步的，上述纏繞增強(qiáng)纖維的制備方法中所述纏繞纖維束螺旋纏繞在增強(qiáng)纖維束的表面；所述纏繞纖維束為多條，每條纏繞纖維束在增強(qiáng)纖維束表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為30-75°，每條纏繞纖維束在增強(qiáng)纖維束表面螺旋纏繞的螺旋角相同。螺旋角的定義：增強(qiáng)纖維束所在的圓柱表面上，纏繞纖維束纏繞形成的螺旋線的切線與通過(guò)切點(diǎn)的圓柱面直母線之間所夾的銳角；螺旋角相同即每條纏繞纖維束相互之間是平行的。

進(jìn)一步的，上述纏繞增強(qiáng)纖維的制備方法中所述增強(qiáng)纖維束每束含有1000-12000根增強(qiáng)纖維，所述增強(qiáng)纖維的的規(guī)格為594-7200旦；所述纏繞纖維束每束含有50-200根增強(qiáng)纖維，所述纏繞纖維的的規(guī)格為5-50旦。

進(jìn)一步的，上述纏繞增強(qiáng)纖維的制備方法中所述多條纏繞纖維束每條之間的間隔相等，其間隔為2-6mm。這是為了進(jìn)一步提高增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和壓縮性能。

進(jìn)一步優(yōu)選的，上述纏繞增強(qiáng)纖維的制備方法中所述纏繞纖維束包括兩條纏繞纖維束：第一纏繞纖維束和第二纏繞纖維束；所述第一纏繞纖維束與第二纏繞纖維束之間的距離相等。纏繞纖維束的數(shù)量為兩束，即纏繞增強(qiáng)纖維是雙層纏繞的方式，這對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備來(lái)說(shuō)更好調(diào)整，同時(shí)制備的纏繞增強(qiáng)纖維的抗彎強(qiáng)度較優(yōu)。

本發(fā)明還提供一種纏繞增強(qiáng)纖維，按照如上所述的制備方法制備而得。

本發(fā)明還提供一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其包括如上所述的纏繞增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂；所述纏繞增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂的體積比為(45-60)：(40-55)。多條纏繞增強(qiáng)纖維平行排列均勻分布在樹(shù)脂內(nèi)，兩者可以通過(guò)真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝進(jìn)行成型，也可以通過(guò)其它方式復(fù)合在一起形成纖維增強(qiáng)樹(shù)脂材料。

綜上所述，本發(fā)明提供的纏繞增強(qiáng)纖維通過(guò)在增強(qiáng)纖維束外表面纏繞上多層纏繞纖維束，使得增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和壓縮性能能夠較原增強(qiáng)纖維束提高50％左右，比單層纏繞的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度高25％左右，該方法簡(jiǎn)單易操作，生產(chǎn)設(shè)備改動(dòng)和調(diào)整較小，能夠便于普遍推廣，利用簡(jiǎn)單的方法獲得高性能纖維，為高性能紡織材料領(lǐng)域提供一種新途徑，也符合集約型產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施方式中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例提供的纏繞增強(qiáng)纖維的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例提供的單層纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的破壞試驗(yàn)的斷面照片；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例提供的雙層纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的破壞試驗(yàn)的斷面照片；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中無(wú)纏繞、單層纏繞、雙層纏繞的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖1至圖4以及具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明所記載的實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1

將增強(qiáng)纖維束1兩端固定拉緊，控制增強(qiáng)纖維束1的拉緊張力為8n；將兩條纏繞纖維束同時(shí)螺旋纏繞至增強(qiáng)纖維束1表面，控制纏繞纖維的張力在6n。每條纏繞纖維束在增強(qiáng)纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為45°，每條纏繞纖維束在增強(qiáng)纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角相同，且兩條纏繞纖維束之間的距離為4mm。

增強(qiáng)纖維束1的組成纖維為碳纖維，每束含有5000根增強(qiáng)纖維，所述增強(qiáng)纖維的的規(guī)格為1000旦；纏繞纖維束的組成纖維為丙綸纖維，每束含有150根增強(qiáng)纖維，所述纏繞纖維的的規(guī)格為40旦。.

為更直觀的理解，上述文字結(jié)合附圖闡述如下：制備所得纏繞增強(qiáng)纖維如圖1所示，所述纏繞纖維束包括兩條纏繞纖維束：第一纏繞纖維束2和第二纏繞纖維束3，第一纏繞纖維束2的螺旋角α為45°，第二纏繞纖維束3的螺旋角β也為45°。

將按上述方法制得的纏繞增強(qiáng)纖維和環(huán)氧樹(shù)脂按體積比為60：40，在固化劑的作用下通過(guò)真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝進(jìn)行成型得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

實(shí)施例2

將增強(qiáng)纖維束1兩端固定拉緊，控制增強(qiáng)纖維束1的拉緊張力為6n；將兩條纏繞纖維束同時(shí)螺旋纏繞至增強(qiáng)纖維束1表面，控制纏繞纖維的張力在2n。每條纏繞纖維束在增強(qiáng)纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為60°，每條纏繞纖維束在增強(qiáng)纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角相同，且兩條纏繞纖維束之間的距離為2mm。

增強(qiáng)纖維束1的組成纖維為玄武巖纖維，每束含有1000根增強(qiáng)纖維，所述增強(qiáng)纖維的的規(guī)格為594旦；纏繞纖維束的組成纖維為聚對(duì)苯撐苯并二噁唑纖維，每束含有100根增強(qiáng)纖維，所述纏繞纖維的的規(guī)格為10旦。

將按上述方法制得的纏繞增強(qiáng)纖維和環(huán)氧樹(shù)脂按體積比為45：55，在固化劑的作用下通過(guò)真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝進(jìn)行成型得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

實(shí)施例3

將增強(qiáng)纖維束1兩端固定拉緊，控制增強(qiáng)纖維束1的拉緊張力為2n；先將一條纏繞纖維束纏繞至增強(qiáng)纖維束1表面，再將另一條纏繞纖維束纏繞至增強(qiáng)纖維束1表面，控制纏繞纖維的張力在8n。每條纏繞纖維束在增強(qiáng)纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為30°，每條纏繞纖維束在增強(qiáng)纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角相同，且兩條纏繞纖維束之間的距離為6mm。

增強(qiáng)纖維束1的組成纖維為玻璃纖維，每束含有10000根增強(qiáng)纖維，所述增強(qiáng)纖維的的規(guī)格為6000旦；纏繞纖維束的組成纖維為超高分子量聚乙烯纖維，每束含有50根增強(qiáng)纖維，所述纏繞纖維的的規(guī)格為45旦。

將按上述方法制得的纏繞增強(qiáng)纖維和環(huán)氧樹(shù)脂按體積比為55：50，在固化劑的作用下通過(guò)真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝進(jìn)行成型得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

對(duì)比例1

1.無(wú)纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料cfrp：增強(qiáng)纖維和環(huán)氧樹(shù)脂按體積比為50：50，在固化劑的作用下通過(guò)真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝進(jìn)行成型得cfrp。增強(qiáng)纖維為碳纖維束，規(guī)格：每束含有3000根增強(qiáng)纖維，所述增強(qiáng)纖維的的規(guī)格為1000旦。

2.單層纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料scy/cfrp：?jiǎn)螌永p繞增強(qiáng)纖維和環(huán)氧樹(shù)脂按體積比為50：50，在固化劑的作用下通過(guò)真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝進(jìn)行成型得scy/cfrp。所用單層纏繞增強(qiáng)纖維按如下方法制備：

將增強(qiáng)纖維束1兩端固定拉緊，控制增強(qiáng)纖維束1的拉緊張力為6n；將一條纏繞纖維束同時(shí)螺旋纏繞至增強(qiáng)纖維束1表面，控制纏繞纖維的張力在6n。纏繞纖維束在增強(qiáng)纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為45°，纏繞纖維束在圓柱形增強(qiáng)纖維束1的母線上的間距為4mm。

增強(qiáng)纖維束1的組成纖維為碳纖維，每束含有3000根增強(qiáng)纖維，所述增強(qiáng)纖維的的規(guī)格為1000旦；纏繞纖維束的組成纖維為丙綸纖維，每束含有150根增強(qiáng)纖維，所述纏繞纖維的的規(guī)格為40旦。

3.雙層纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料dcy/cfrp：雙層纏繞增強(qiáng)纖維和環(huán)氧樹(shù)脂按體積比為50：50，在固化劑的作用下通過(guò)真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝進(jìn)行成型得dcy/cfrp。所用單層纏繞增強(qiáng)纖維按如下方法制備：

將增強(qiáng)纖維束1兩端固定拉緊，控制增強(qiáng)纖維束1的拉緊張力為6n；將兩條纏繞纖維束同時(shí)螺旋纏繞至增強(qiáng)纖維束1表面，控制纏繞纖維的張力在6n。每條纏繞纖維束在增強(qiáng)纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角的角度為45°，每條纏繞纖維束在增強(qiáng)纖維束1表面螺旋纏繞的螺旋角相同，且兩條纏繞纖維束之間的距離為4mm。

增強(qiáng)纖維束1的組成纖維為碳纖維，每束含有3000根增強(qiáng)纖維，所述增強(qiáng)纖維的的規(guī)格為1000旦；纏繞纖維束的組成纖維為丙綸纖維，每束含有150根增強(qiáng)纖維，所述纏繞纖維的的規(guī)格為40旦。

將制備所得cfrp、scy/cfrp、dcy/cfrp進(jìn)行抗彎測(cè)試，壓力方向垂直于增強(qiáng)纖維長(zhǎng)度方向：

測(cè)試樣片尺寸：長(zhǎng)78mm、寬12.5±0.5mm、高2±0.2mm，按照標(biāo)準(zhǔn)jisk7076-1991進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示。

從圖2可以看出單層纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在破壞試驗(yàn)中，整片的破壞效果明顯，斷面斷裂徹底且斷裂點(diǎn)較為集中，說(shuō)明其抗彎強(qiáng)度較差，并且易從某點(diǎn)開(kāi)始失效，進(jìn)而引發(fā)整片斷裂；從圖2可以看出雙層纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在破壞試驗(yàn)中，斷面斷裂并不徹底，且斷裂面十分不平整，說(shuō)明其抗彎強(qiáng)度較好，不易因某點(diǎn)的失效引發(fā)整片的斷裂。

將cfrp、scy/cfrp、dcy/cfrp三者的測(cè)試結(jié)果集中對(duì)比顯示于圖4中，可以看出，雙層纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無(wú)纏繞或單層纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。