一種透光連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備方法與流程

本發(fā)明屬于新型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種透光連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

連續(xù)纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和比剛度，在航空航天、輸油管道、高壓容器、民用體育器材等領(lǐng)域具有越來越廣泛的應(yīng)用。連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料通常由層疊的連續(xù)纖維織物和樹脂復(fù)合而成，或者通過連續(xù)纖維纏繞形成預(yù)制體，再和浸漬其中的樹脂共固化得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體。

但通常碳纖維、芳綸纖維、聚酰亞胺纖維等高性能纖維由于分子間存在共軛、分子鏈存在各向異性等特性，因此是不透明也不透光的，利用這些纖維制備的復(fù)合材料更是不透光的，如連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，通常展現(xiàn)給人們的形象是一塊黑色的板材，如芳綸纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料通常是一塊黃色的板材，即使是對(duì)可見光吸收率很低的玻璃纖維，也會(huì)因復(fù)合材料內(nèi)部存在大量的界面，呈現(xiàn)為很低的透光率。

在當(dāng)前世界逐漸追求節(jié)能、美觀的前提下，如何使這種傳統(tǒng)的材料更具美觀，或者透光以節(jié)省能，也是發(fā)展的一個(gè)目標(biāo)。

綜上，可以發(fā)展新型的技術(shù)，使連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料具有一定的透光能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的問題，提出了一種透光復(fù)合材料的制備技術(shù)，即利用光纖導(dǎo)光的方法，將光纖按埋植到復(fù)合材料中，得到具有透光能力的復(fù)合材料，部分結(jié)構(gòu)形式的透光復(fù)合材料中光纖還能起到Z向錨定的作用，可提高材料的抗分層能力。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種透光復(fù)合材料，透光復(fù)合材料及由連續(xù)纖維、浸漬整體的樹脂基體、定向分布的光纖組成，光纖纖芯直徑為30～200μm，光纖表面露出復(fù)合材料表面，光纖含量為0.1vol％～25vol％，光纖在復(fù)合材料表面可以是均勻分布，也可以是按所需圖案疏密分布，但最密處含量不超過50vol％。

光纖的定向分布方向平行于纖維方向。

光纖的定向分布方向垂直于纖維方向。

一種透光復(fù)合材料的制備方法，該制備方法包括以下兩類：(1)將連續(xù)纖維和光纖混束，得到混有光纖的連續(xù)纖維，光纖含量為0.1vol％～25vol％，再將混合纖維絲束和樹脂利用通常的復(fù)合材料制備工藝制備成復(fù)合材料，磨平或切割復(fù)合材料首末端，露出光纖，得到光纖的定向分布方向平行于纖維方向的透光復(fù)合材料；(2)采用三維編織的方法，將光纖作為Z向連接線和連續(xù)增強(qiáng)纖維編制成預(yù)制體，再注入樹脂固化成型，也可采用Z向植入的方法，將光纖植入到層疊連續(xù)纖維預(yù)制體的Z向，再注入樹脂固化成型，或?qū)⒐饫w植入到層疊連續(xù)纖維樹脂預(yù)浸料的Z向，再注入樹脂固化成型，最后磨平使光纖橫截面露出表面，得到光纖的定向分布方向垂直于纖維方向的透光復(fù)合材料。

透光復(fù)合材料的一個(gè)或兩個(gè)表面有一層圖案化涂料。

透光復(fù)合材料的一個(gè)或兩個(gè)表面有一層散射光的涂層。

透光復(fù)合材料的一個(gè)外表面有一層吸光涂層。

連續(xù)纖維包括碳纖維、芳綸纖維、尼龍纖維、聚酰亞胺纖維。

本發(fā)明的技術(shù)方案的核心是發(fā)明了一種使復(fù)合材料具有一定透光性的材料設(shè)計(jì)方法，利用這種方法可以使傳統(tǒng)意義上眾所周知不透光的復(fù)合材料具有透光性，因此可帶來美觀、節(jié)能等實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，彌補(bǔ)傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是：

本發(fā)明提出了一種新型的透光連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及相應(yīng)的復(fù)合材料，這種透光連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料打破了傳統(tǒng)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不透光的特點(diǎn)，具有節(jié)能、美觀等特點(diǎn)，而且其透光形態(tài)和表面目視特征可以通過調(diào)節(jié)光纖分布或表面涂層，可以通過控制光信號(hào)輸入等方法調(diào)節(jié)，具有諸多潛在的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1.本發(fā)明透光復(fù)合材料的透光照片(遮蓋物位于材料背面)。

具體實(shí)施方式：

下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：

本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施過程如下：

(1-1)采用三維編織的方法，將光纖作為Z向連接線和連續(xù)增強(qiáng)纖維T300碳纖維絲束編織成所需的預(yù)制體，使光纖垂直于厚度方向分布，即主要垂直于碳纖維分布，光纖用量為占預(yù)制體體積分?jǐn)?shù)的2％或4％或12％或20％，光纖纖芯直徑為62.5μm或125μm或187μm。得到預(yù)制體后，利用RTM成型方法往預(yù)制體中注入環(huán)氧樹脂3266，最后按該樹脂固化工藝條件固化成型，冷卻脫模后得到Z向埋植光纖陣列的復(fù)合材料制件。磨去復(fù)合材料制件表面一層，使光纖橫截面露出表面，得到具有厚度方向透光能力的復(fù)合材料制件。

(1-2)將表面打磨光滑，此時(shí)透光率更高。

(1-3)在制件內(nèi)側(cè)表面涂敷一層白色半透明的涂層，該涂層使透入的光可以在內(nèi)表面發(fā)生散射，表現(xiàn)為外部透到里面的光更柔和。

(1-4)如上(1-1)所述的預(yù)浸料所用的碳纖維纖維可以換成芳綸纖維、聚酰亞胺纖維、滌綸纖維、T700碳纖維、T800碳纖維。

(1-5)對(duì)于(1-1)，也可以將帶有定型劑的T300單向織物先鋪疊成所需的預(yù)制體，再植入光纖或光纖束，其它同(1-1)，最后具有厚度方向透光能力的復(fù)合材料制件。

本實(shí)施例得到的復(fù)合材料，可以用于建筑的幕墻、交通工具外殼、大型廣告牌等，具有一定的透光率，同時(shí)具有很高的承載能力，具有區(qū)別于傳統(tǒng)的不透光復(fù)合材料的美觀外在特征。

附圖1.透光復(fù)合材料的透光照片，遮蓋物位于材料背面。

實(shí)施例2：

本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施過程如下：

(2-1)取T700碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，或S2玻璃纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，按所需的大小裁剪和按所需的鋪層方式鋪疊成所需形狀的層疊復(fù)合材料預(yù)制體，再采用Z向植入的方法，將光纖植入到層疊連續(xù)纖維預(yù)制體的Z向，即光纖垂直于厚度方向形成陣列，光纖用量為占預(yù)制體體積分?jǐn)?shù)的6％或4％，光纖纖芯直徑為40μm或62.5μm或125μm。再使用熱壓罐成型或模壓成型的方法，在樹脂固化工藝條件下固化成型，冷卻后拆除模具和輔助材料得到復(fù)合材料制件。磨平復(fù)合材料制件的表面層直到使光纖橫截面露出表面，此時(shí)復(fù)合材料具有Z向透光的能力，得到相應(yīng)的透光碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或透光S2玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制件。

(2-2)如上(2-1)所示Z向植入光纖時(shí)，在預(yù)制體表面規(guī)劃一塊特定區(qū)域，該區(qū)域植入的光纖含量為10vol％，該區(qū)域可為任何所需的形狀，如宣傳文字、圖形等，其他區(qū)域植入的光纖含量為0.5vol％，其余過程均和(2-1)相同。最后得到透光能力具有圖案化分布的復(fù)合材料制件。

(2-3)也可以將(2-1)所得到的透光復(fù)合材料的外表面或內(nèi)表面刷涂一層涂料，使表面各區(qū)域涂層分布具有不同的透明度，同樣也得到透光能力具有圖案化分布的復(fù)合材料制件。

(2-4)如上(2-1)所述的預(yù)浸料所用的纖維可以換成芳綸纖維、聚酰亞胺纖維、滌綸纖維。

本實(shí)施例得到的透光材料可以為透光能力具有圖案化分布，因此可以制備各種美觀的創(chuàng)意復(fù)合材料，拓展復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

實(shí)施例3：

本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施過程如下：

(3-1)將碳纖維絲束或芳綸纖維絲束或玻璃纖維絲束和光纖混束，所用光纖纖芯直徑為30μm或62.5μm或170μm，控制光纖的根數(shù)，使光纖的含量為0.5vol％或15vol％，得到混有光纖的碳纖維或芳綸纖維或玻璃纖維的連續(xù)纖維絲束，將絲束編織成單向帶。將單向帶按需要制備的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)鋪疊成所需的復(fù)合材料預(yù)制體，在利用真空輔助RTM成型方法，吸注入低粘度苯并噁嗪樹脂或環(huán)氧樹脂，再在該樹脂的固化工藝條件下固化，冷卻后拆除輔助材料，得到相應(yīng)的復(fù)合材料制件。磨平或切割復(fù)合材料首末端，露出光纖，得到透光的復(fù)合材料，該復(fù)合材料沿增強(qiáng)纖維方向具有良好的透光能力。

(3-2)以上(3-1)中，混束后得到的混有光纖的碳纖維或芳綸纖維或玻璃纖維的連續(xù)纖維絲束直接用樹脂預(yù)浸，得到預(yù)浸漬樹脂的混有光纖的連續(xù)纖維，將其制備成為預(yù)浸料。將預(yù)浸料按需要制備的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)鋪疊成所需的復(fù)合材料預(yù)制體，再在所用的預(yù)浸樹脂的固化工藝條件下固化，冷卻后拆除輔助材料，得到相應(yīng)的復(fù)合材料制件。磨平或切割復(fù)合材料首末端，露出光纖，得到透光的復(fù)合材料，該復(fù)合材料沿增強(qiáng)纖維方向具有良好的透光能力。

(3-3)以上(3-2)中，預(yù)浸漬樹脂的混有光纖的連續(xù)纖維也可直接纏繞或自動(dòng)鋪貼得到所需的復(fù)合材料的預(yù)制體，再在相同條件下得到透光的復(fù)合材料。

基于光纖的光傳播性質(zhì)，以上制備的復(fù)合材料無論長度多長，均具有良好的透光能力，特別適用于長距離傳導(dǎo)光信號(hào)的復(fù)合材料，譬如復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)設(shè)備、機(jī)器人的復(fù)合材料集成光纖定位能力的機(jī)械臂等。

實(shí)施例4：

本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施過程如下：

(4-1)將碳纖維絲束或芳綸纖維絲束和光纖混束，所用光纖纖芯直徑為35μm或62.5μm，控制光纖的根數(shù)，使光纖的含量為3vol％或7vol％，得到混有光纖的碳纖維或芳綸纖維的連續(xù)纖維絲束預(yù)浸樹脂后，直接利用拉擠成型工藝牽引并固化得到復(fù)合材料光傳輸桿，切割去兩端，使光纖截面露出表面，得到透光的復(fù)合材料。光信號(hào)可在復(fù)合材料內(nèi)部長距離傳輸。

(3-2)在復(fù)合材料的一個(gè)表面涂覆能吸收特定波長的涂料，制備得到可過濾某波長的透光復(fù)合材料。