本發(fā)明屬于電子設(shè)備外殼材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳纖維復(fù)合材料及制備方法，以及將碳纖維復(fù)合材料用于制備電子設(shè)備外殼。
背景技術(shù)：
超薄是目前電視發(fā)展的一個趨勢，導致屏幕的結(jié)構(gòu)強度急劇下降，屏碎率上升，如何在有限的厚度條件下，提供具有充分剛性和強度的背板材料，對材料提出了更高的要求。
目前電視背板材料一般采用VCM板(覆膜鋁板或覆膜鋼板)或鋁塑復(fù)合板(鋁+聚乙烯+鋁)；VCM板的優(yōu)勢是可以降低厚度，但是會相應(yīng)的降低材料的強度；鋁塑復(fù)合板的優(yōu)勢是可以滿足產(chǎn)品對于材料高剛性的要求，但是厚度需要在2.5mm以上。隨著電視或手機等智能電子設(shè)備趨向超薄化的發(fā)展趨勢，由于VCM板的強度限制，無法滿足65寸以上大尺寸電視對于背板的強度要求，而當背板采用鋁塑復(fù)合板材料時，以目前常用的鋁塑復(fù)合板為例，0.3mm鋁+2.0mm聚乙烯+0.3mm鋁的厚度復(fù)合，材料的彎曲模量可以達到26GPa，但2.6mm厚度無法滿足超薄需求，無法滿足電視超薄化的產(chǎn)品發(fā)展趨勢?？紤]到高剛性需求，電視背板材料還可以使用玻璃、SGCC鋼板等，但存在產(chǎn)品密度大的缺陷，同樣厚度情況下，密度越高，產(chǎn)品越重，玻璃的密度為2.5-3.0g/cm3，SGCC鋼板的密度為7.9g/cm3。結(jié)合高剛性、輕量化要求，最合適的材料方案為碳纖維復(fù)合材料，其密度為1.6g/cm3，若能有合適方法進行改進，既能保持高剛性，又能降低材料密度，則對于有高剛性、輕量化需求的產(chǎn)品具有重要的意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為了解決單純使用碳纖維材料密度大，無法滿足電子產(chǎn)品輕量化的技術(shù)問題，提供了一種既可以降低電子設(shè)備外殼的厚度，又能保證其力學性能的碳纖維復(fù)合材料及制備方法，同時提供一種由上述材料制備的電子設(shè)備外殼。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
本發(fā)明提供了一種碳纖維復(fù)合材料，包括4-10層碳纖維布和中空玻璃纖維布的復(fù)合材料，在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤后熱壓成型，其中所述中空玻璃纖維布所占比例為20％-60％。
本發(fā)明還提供了一種碳纖維復(fù)合材料的制備方法，步驟為
1)按配方比例，將雙酚A型環(huán)氧樹脂、固化劑、消泡劑、流平劑在攪拌釜中攪拌均勻，然后靜置，制得穩(wěn)定的環(huán)氧樹脂混合液；
2)將經(jīng)緯編織的碳纖維布和中空玻璃纖維布進行層鋪，所述中空玻璃纖維布位于中間層，所述碳纖維布位于所述中空玻璃纖維布的上下兩側(cè)；
3)將層鋪完成的碳纖維布與中空玻璃纖維布在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤，放置在成型熱壓模具中，保持負壓0.1-0.12MPa，合模后升溫進行環(huán)氧體系擴鏈交聯(lián)反應(yīng)，然后再升溫進行固化反應(yīng)，然后冷卻至室溫，加工成型。
本發(fā)明還提供了一種電子設(shè)備外殼，是由所述的碳纖維復(fù)合材料，由所述制備方法加工而成。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：所述碳纖維的力學性能好，但是密度大，價格高。所述玻璃纖維的價格較低，可以將玻璃纖維與碳纖維復(fù)合，降低碳纖維的用量，以降低成本。但是實心玻璃纖維的密度大于碳纖維，若使用實心玻璃纖維，會增加重量，增大碎屏率。本實施例使用中空玻璃纖維替代部分碳纖維，中空玻璃纖維可以帶來輕量化，且能夠彌補因使用玻璃纖維帶來的力學性能下降。由于中空玻璃纖維本身的力學性能比全碳纖維較差，本實施例的目的是在滿足低成本、低厚度的基礎(chǔ)上，將復(fù)合材料的力學性能無限靠近全碳纖維。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細的說明。
本實施例利用碳纖維材料自身具有高強度、高模量、低密度的優(yōu)點，以此制備的碳纖維復(fù)合材料具有高剛性、輕量化的特點，將碳纖維材料與中空玻璃纖維材料復(fù)合，可以得到密度小、線性膨脹系數(shù)低、剛性高、具有獨特編織紋路的復(fù)合材料，用于電視背板時可以得到具有較高設(shè)計自由度的產(chǎn)品外觀。
本實施例的碳纖維復(fù)合材料，包括4-10層碳纖維布和中空玻璃纖維布的復(fù)合材料，在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤后熱壓成型，其中所述中空玻璃纖維布所占比例為20-60％。
碳纖維是由有機纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，具有高強、高模、耐化學腐蝕、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點。碳纖維材料相比絕大多數(shù)金屬的比強度高7倍以上，比模量高5倍以上。其復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、運動器材等領(lǐng)域。碳纖維本身的熱膨脹系數(shù)在室內(nèi)為負數(shù)(-0.5～-1.6)×10-6/K，在200～400℃時為零，在小于1000℃時為1.5×10-6/K。由它制成的復(fù)合材料線性膨脹系數(shù)小，可以做到＜10×10-6/K，而不銹鋼的線性膨脹系數(shù)＞10×10-6/K，鋁合金的＞20×10-6/K，因此使用碳纖維熱壓復(fù)合材料加工部件的尺寸精度高。但是碳纖維價格較高，碳纖維分類以模量區(qū)分，有24T、30T、35T、40T、45T、50T等規(guī)格，數(shù)字越大代表模量越高，價格也成幾倍甚至幾十倍的遞增。
所述碳纖維的力學性能好，但是密度大，價格高。所述玻璃纖維的價格較低，可以將玻璃纖維與碳纖維復(fù)合，降低碳纖維的用量，以降低成本。但是實心玻璃纖維的密度大于碳纖維，若使用實心玻璃纖維，會增加重量。本實施例使用中空玻璃纖維替代部分碳纖維，中空玻璃纖維的密度低，能夠降低產(chǎn)品重量。此外，由于玻璃纖維本身的力學性能比全碳纖維差，中空結(jié)構(gòu)能夠彌補因使用玻璃纖維帶來的力學性能下降。本實施例的目的是在滿足低成本、低厚度的基礎(chǔ)上，將復(fù)合材料的力學性能無限靠近全碳纖維。
所述碳纖維布是將碳纖維束經(jīng)緯編織后形成，每束碳纖維絲為3000根，簡稱3K布。所述碳纖維絲的直徑為4-6μm，所述碳纖維布的厚度為0.018-0.022mm。
同樣的，所述玻璃纖維布是將玻璃纖維束經(jīng)緯編織形成，每束玻璃纖維絲為3000根。所述玻璃纖維絲的直徑為5-7μm，所述玻璃纖維布的厚度為0.023-0.026mm。其中玻璃纖維絲為中空玻璃纖維，內(nèi)部中空部分的孔徑為2-3μm。使用中空玻璃纖維的作用，一是降低復(fù)合材料的密度，二是通過中空結(jié)構(gòu)可以提高材料的強度。
為了使復(fù)合材料各向強度一致，需要將碳纖維及玻璃纖維分別進行經(jīng)緯編織成3K布，然后結(jié)合產(chǎn)品需要的厚度和強度，選擇合適的層數(shù)與環(huán)氧樹脂復(fù)合。當復(fù)合材料產(chǎn)生應(yīng)力時，由于經(jīng)緯編織的碳纖維各向強度好，能夠?qū)?yīng)力在密集的碳纖維絲以及玻璃纖維絲上分散傳遞，且能夠保證對力傳遞的各向均一性，使得材料的剛性好、強度高。
本實施例還將經(jīng)緯編織的碳纖維布和中空玻璃纖維布進行層鋪，所述中空玻璃纖維布位于中間層，所述碳纖維布位于所述中空玻璃纖維布的上下兩側(cè)，從而能夠利用外側(cè)高強度的碳纖維對大部分的外應(yīng)力進行傳遞吸收，保護強度相對較弱的中空玻璃纖維，提高整體的復(fù)合材料強度。
本實施例中碳纖維布和中空玻璃纖維布需要借助熱固性樹脂的粘合作用將其復(fù)合，所述環(huán)氧樹脂混合液中包括雙酚A型環(huán)氧樹脂75-85份、固化劑10-20份、消泡劑1-5份、流平劑1-5份，均為重量份。
所述固化劑為二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)和甲苯二異氰酸酯(TDI)的混合物，二者質(zhì)量比為2.6-3.5:1。由于所述雙酚A型環(huán)氧樹脂中有仲羥基，在加熱的情況下，仲羥基能夠與固化劑中的異氰酸酯基進行反應(yīng)，達到擴鏈固化的目的，能夠促進碳纖維布和中空玻璃纖維的粘合和固化。
所述消泡劑為聚氧乙烯氧丙烯甘油GPE10和GPE20的混合物，二者質(zhì)量比為1.3-1.6:1。由于碳纖維及中空玻璃纖維在環(huán)氧樹脂中浸潤時，會產(chǎn)生泡沫，影響熱壓完成后的成品精度，本實施例中的消泡劑可以降低環(huán)氧樹脂體系的表面張力，避免產(chǎn)生氣泡。
所述流平劑為聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷的混合物，二者質(zhì)量比為1.6-1.8:1。其作用是碳纖維及中空玻璃纖維在環(huán)氧樹脂中浸潤之后，保證環(huán)氧樹脂能夠均勻的在纖維布上流平，體系干燥固化后，碳纖維復(fù)合材料表面平整、光滑、均勻度高。
本實施例的碳纖維復(fù)合材料的制備方法為：
1)按配方比例，將雙酚A型環(huán)氧樹脂、固化劑、消泡劑、流平劑在攪拌釜中攪拌均勻，轉(zhuǎn)速為3000-4000r/min，放置20分鐘靜置，制得穩(wěn)定的環(huán)氧樹脂混合液；
2)將經(jīng)緯編織的碳纖維布和中空玻璃纖維布進行層鋪，所述中空玻璃纖維布位于中心，所述碳纖維布位于所述中空玻璃纖維布的上下兩側(cè)；
3)將層鋪完成的碳纖維布與中空玻璃纖維布在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤，放置在成型熱壓模具中，保持負壓0.1-0.12MPa，合模后升溫至90-95℃，保持40-45min，之后升溫至120-130℃，保持60-70min，后冷卻至室溫，去除后進行邊緣多膠部分切割磨邊處理，打磨后根據(jù)圖紙CNC加工成型。
本實施例中步驟1)物料混合過程中采用3000r/min～4000r/min的高轉(zhuǎn)速可以有效的將各成分均勻混合，特別是流平劑和消泡劑，消泡劑若不能在體系中混合均勻，熱壓時容易在產(chǎn)品表面形成氣泡，產(chǎn)品不良報廢；流平劑若不能在體系中混合均勻，熱壓時易出現(xiàn)產(chǎn)品厚度不均，產(chǎn)品不良報廢。步驟3)中保持負壓，可以使環(huán)氧體系在碳纖維布和中空玻璃纖維布上均勻分布。升溫至90-95℃，保持40-45min，是為了使環(huán)氧體系擴鏈交聯(lián)反應(yīng)。升溫至120-130℃，保持60-70min，是為了熱壓后的復(fù)合材料完全固化。
由于玻璃纖維價格遠低于碳纖維，添加在復(fù)合材料中可以降低材料成本。但是玻璃纖維本身的強度低于碳纖維，本實施例通過使用直徑為5-7μm，孔徑2-3μm的中空玻璃纖維，通過中空管道的支撐作用，提高了復(fù)合材料的力學性能，同時中空玻璃纖維密度相比碳纖維大大降低，復(fù)合后的材料更加輕量化。
實施例1
一種碳纖維復(fù)合材料，包括4層碳纖維布和1層中空玻璃纖維布，從上到下依次為2層碳纖維布、1層中空玻璃纖維布和2層碳纖維布；在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤后熱壓成型。所述碳纖維布是將碳纖維束經(jīng)緯編織后形成，每束碳纖維絲為3000根，所述碳纖維絲的直徑為4μm，所述碳纖維布的厚度為0.018mm。所述中空玻璃纖維布是將中空玻璃纖維束經(jīng)緯編織形成，每束中空玻璃纖維絲為3000根，所述中空玻璃纖維絲的直徑為5μm，內(nèi)部中空部分的孔徑為2μm，所述中空玻璃纖維布的厚度為0.026mm。
所述環(huán)氧樹脂混合液中包括雙酚A型環(huán)氧樹脂80份、固化劑15份(包括MDI和TDI的混合物，質(zhì)量比為3:1)、消泡劑3份(包括GPE10和GPE20的混合物，質(zhì)量比為1.5:1)、流平劑2份(包括聚二甲基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷的混合物，質(zhì)量比為1.7:1)。
上述碳纖維復(fù)合材料的制備方法為：
1)按配方比例，將雙酚A型環(huán)氧樹脂、固化劑、消泡劑、流平劑在攪拌釜中攪拌均勻，轉(zhuǎn)速為3500r/min，放置20分鐘靜置，制得穩(wěn)定的環(huán)氧樹脂混合液；
2)將經(jīng)緯編織的碳纖維布和中空玻璃纖維布進行層鋪；
3)將層鋪完成的碳纖維布與中空玻璃纖維布在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤，放置在成型熱壓模具中，保持負壓0.1MPa，合模后升溫至90℃，保持40min，之后升溫至120℃，保持60min，后冷卻至室溫，去除后進行邊緣多膠部分切割磨邊處理，打磨后根據(jù)圖紙CNC加工成型。
實施例2
一種碳纖維復(fù)合材料，包括3層碳纖維布和2層中空玻璃纖維布，從上到下依次為2層碳纖維布、2層中空玻璃纖維布和1層碳纖維布，在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤后熱壓成型。所述碳纖維絲的直徑為5μm，所述碳纖維布的厚度為0.020mm。所述中空玻璃纖維絲的直徑為6μm，內(nèi)部中空部分的孔徑為2.5μm，所述中空玻璃纖維布的厚度為0.025mm。
所述碳纖維復(fù)合材料的其他參數(shù)、環(huán)氧樹脂混合液的組成及所述碳纖維復(fù)合材料的制備方法均與實施例1相同。
實施例3
一種碳纖維復(fù)合材料，包括2層碳纖維布和3層中空玻璃纖維布，從上到下依次為1層碳纖維布、3層中空玻璃纖維布和1層碳纖維布，在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤后熱壓成型。所述碳纖維絲的直徑為6μm，所述碳纖維布的厚度為0.022mm。所述中空玻璃纖維絲的直徑為7μm，內(nèi)部中空部分的孔徑為3μm，所述中空玻璃纖維布的厚度為0.023mm。
所述碳纖維復(fù)合材料的其他參數(shù)、環(huán)氧樹脂混合液的組成及所述碳纖維復(fù)合材料的制備方法均與實施例1相同。
對比例1-4
如表1所示，對比例1-3是將實施例1-3中的中空玻璃纖維布替換為實心玻璃纖維布，其他條件不變。對比例4是全部使用碳纖維布。
將上述實施例和對比例制成的樣料裁切成標準樣條，進行性能測試，結(jié)果如表2所示。
實施例4
一種碳纖維復(fù)合材料，包括4層碳纖維布和6層中空玻璃纖維布，從上到下依次為2層碳纖維布、6層中空玻璃纖維布和2層碳纖維布，在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤后熱壓成型。所述碳纖維布是將碳纖維束經(jīng)緯編織后形成，每束碳纖維絲為3000根，所述碳纖維絲的直徑為5.5μm，所述碳纖維布的厚度為0.021mm。所述玻璃纖維布是將玻璃纖維束經(jīng)緯編織形成，每束玻璃纖維絲為3000根，所述中空玻璃纖維絲的直徑為5.5μm，內(nèi)部中空部分的孔徑為2.2μm，所述中空玻璃纖維布的厚度為0.025mm。
所述環(huán)氧樹脂混合液中包括雙酚A型環(huán)氧樹脂75份、固化劑15份(包括MDI和TDI的混合物，質(zhì)量比為3.5:1)、消泡劑5份(包括GPE10和GPE20的混合物，質(zhì)量比為1.6:1)、流平劑5份(包括聚二甲基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷的混合物，質(zhì)量比為1.8:1)。
上述碳纖維復(fù)合材料的制備方法為：
1)按配方比例，將雙酚A型環(huán)氧樹脂、固化劑、消泡劑、流平劑在攪拌釜中攪拌均勻，轉(zhuǎn)速為4000r/min，放置20分鐘靜置，制得穩(wěn)定的環(huán)氧樹脂混合液；
2)將經(jīng)緯編織的碳纖維布和中空玻璃纖維布進行層鋪；
3)將層鋪完成的碳纖維布與中空玻璃纖維布在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤，放置在成型熱壓模具中，保持負壓0.12MPa，合模后升溫至95℃，保持45min，之后升溫至130℃，保持70min，后冷卻至室溫，去除后進行邊緣多膠部分切割磨邊處理，打磨后根據(jù)圖紙CNC加工成型。
實施例5
一種碳纖維復(fù)合材料，包括6層碳纖維布和4層中空玻璃纖維布，從上到下依次為3層碳纖維布、4層中空玻璃纖維布和3層碳纖維布，在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤后熱壓成型。所述碳纖維布是將碳纖維束經(jīng)緯編織后形成，每束碳纖維絲為3000根，所述碳纖維絲的直徑為4.5μm，所述碳纖維布的厚度為0.019mm。所述玻璃纖維布是將玻璃纖維束經(jīng)緯編織形成，每束玻璃纖維絲為3000根，所述中空玻璃纖維絲的直徑為6.5μm，內(nèi)部中空部分的孔徑為2.8μm，所述中空玻璃纖維布的厚度為0.024mm。
所述環(huán)氧樹脂混合液中包括雙酚A型環(huán)氧樹脂75份、固化劑10份(包括MDI和TDI的混合物，質(zhì)量比為2.6:1)、消泡劑8份(包括GPE10和GPE20的混合物，質(zhì)量比為1.3:1)、流平劑7份(包括聚二甲基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷的混合物，質(zhì)量比為1.6:1)。
上述碳纖維復(fù)合材料的制備方法為：
1)按配方比例，將雙酚A型環(huán)氧樹脂、固化劑、消泡劑、流平劑在攪拌釜中攪拌均勻，轉(zhuǎn)速為3000r/min，放置20分鐘靜置，制得穩(wěn)定的環(huán)氧樹脂混合液；
2)將經(jīng)緯編織的碳纖維布和中空玻璃纖維布進行層鋪；
3)將層鋪完成的碳纖維布與中空玻璃纖維布在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤，放置在成型熱壓模具中，保持負壓0.1MPa，合模后升溫至95℃，保持40min，之后升溫至120℃，保持60min，后冷卻至室溫，去除后進行邊緣多膠部分切割磨邊處理，打磨后根據(jù)圖紙CNC加工成型。
實施例6
一種碳纖維復(fù)合材料，包括2層碳纖維布和2層中空玻璃纖維布，從上到下依次為1層碳纖維布、2層中空玻璃纖維布和1層碳纖維布，在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤后熱壓成型。所述碳纖維布是將碳纖維束經(jīng)緯編織后形成，每束碳纖維絲為3000根，所述碳纖維絲的直徑為6μm，所述碳纖維布的厚度為0.022mm。所述玻璃纖維布是將玻璃纖維束經(jīng)緯編織形成，每束玻璃纖維絲為3000根，所述中空玻璃纖維絲的直徑為7μm，內(nèi)部中空部分的孔徑為3μm，所述中空玻璃纖維布的厚度為0.024mm。
所述環(huán)氧樹脂混合液中包括雙酚A型環(huán)氧樹脂75份、固化劑20份(包括MDI和TDI的混合物，質(zhì)量比為2.6:1)、消泡劑2份(包括GPE10和GPE20的混合物，質(zhì)量比為1.3:1)、流平劑3份(包括聚二甲基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷的混合物，質(zhì)量比為1.6:1)。
上述碳纖維復(fù)合材料的制備方法為：
1)按配方比例，將雙酚A型環(huán)氧樹脂、固化劑、消泡劑、流平劑在攪拌釜中攪拌均勻，轉(zhuǎn)速為3000r/min，放置20分鐘靜置，制得穩(wěn)定的環(huán)氧樹脂混合液；
2)將經(jīng)緯編織的碳纖維布和中空玻璃纖維布進行層鋪；
3)將層鋪完成的碳纖維布與中空玻璃纖維布在環(huán)氧樹脂混合液中浸潤，放置在成型熱壓模具中，保持負壓0.1MPa，合模后升溫至95℃，保持40min，之后升溫至120℃，保持60min，后冷卻至室溫，去除后進行邊緣多膠部分切割磨邊處理，打磨后根據(jù)圖紙CNC加工成型。
表1實施例1-6和對比例1-4的材料參數(shù)
表2由實施例和對比例制備的樣料裁切成標準樣條的性能測試結(jié)果
從上述數(shù)據(jù)可知，對比例1、2、3、4的中隨著實心玻璃纖維層數(shù)增加，拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量都呈降低趨勢，且由于實心玻璃纖維密度大于碳纖維，因此，復(fù)合材料的密度也成增加趨勢。從實施例1、2、3看出，隨著中空玻璃纖維層數(shù)的增加，線性膨脹系數(shù)增加，拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量也都呈降低趨勢，但中空玻璃纖維復(fù)合材料的各項性能均要優(yōu)于實心玻璃纖維，且密度降低，復(fù)合材料更輕量化，可以加工成1.0mm以下厚度的電視背板，復(fù)合超薄發(fā)展趨勢。從實施例4、5、6看出，本實施例的復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學性能，可以替代全碳纖維使用。
以上實施例僅是本發(fā)明若干種優(yōu)選實施方式中的幾種，應(yīng)當指出，本發(fā)明不限于上述實施例；對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明所要求保護的技術(shù)方案的精神和范圍。