增強纖維的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種具有內腔的碳纖維及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 復合板通常用于制造車輛的結構和車身面板并且用于其他產(chǎn)品中。復合板通常由 通過碳纖維、玻璃纖維、天然纖維或者與分散在基體中類似的纖維來增強的聚合樹脂制成。 復合板通常為堅固的、重量輕的并且可用在各種各樣的產(chǎn)品應用中。 【實用新型內容】
[0003] 本實用新型的目的在于提供一種增強纖維，以節(jié)省大量的材料并且使纖維甚至更 輕。
[0004] 本實用新型提供一種增強纖維，包括：
[0005] 具有長度和外表面及內表面的碳纖維，所述長度和外表面及內表面限定了壁，所 述壁具有限定了外直徑和內直徑以及壁厚的第一橫截面，所述壁厚大于或等于2 μπι。
[0006] 優(yōu)選地，所述碳纖維的具體拉伸強度大于5Χ IO4米。
[0007] 優(yōu)選地，所述壁為圓柱形壁。
[0008] 優(yōu)選地，增強纖維還包括在沿著所述長度的第二位置處截取的第二橫截面，并且 所述第二橫截面具有的橫截面面積基本上等于所述第一橫截面的橫截面面積。
[0009] 優(yōu)選地，增強纖維還包括在沿著所述長度的第二位置處截取的第二橫截面，并且 與所述第一橫截面的面積的變化一樣所述第二橫截面的橫截面面積變化小于50%。
[0010] 優(yōu)選地，所述外直徑大于7 μ m。
[0011] 優(yōu)選地，所述內直徑大于4 μ m。
[0012] 優(yōu)選地，所述碳纖維還包括第一和第二開口端。
[0013] 優(yōu)選地，所述碳纖維還包括在沿著所述長度的第二位置處截取的第二橫截面，其 中所述橫截面的內直徑或外直徑變化小于5 μ m。
[0014] 本實用新型還提供一種增強纖維，包括：
[0015] 具有限定了管的長度和外表面及內表面以及具有限定了外直徑和內直徑的第一 橫截面的碳纖維，其中所述外直徑和內直徑沿著所述長度變化。
[0016] 優(yōu)選地，所述外直徑和內直徑沿著所述長度而線性地增加。
[0017] 優(yōu)選地，所述外直徑和內直徑沿著所述長度反復地增加和減小。
[0018] 本實用新型還提供一種方法，包括：
[0019] 由聚合物材料形成聚合物前驅體（polymer precursor)，所述聚合物前驅體具有 限定了圓柱形管的長度和外表面及內表面，所述圓柱形管具有限定了外直徑和內直徑以及 壁厚的第一橫截面，所述壁厚大于或等于2 μ m。
[0020] 優(yōu)選地，所述聚合物材料為片材形式。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述聚合物材料為流動的聚合物材料；
[0022] 對第一薄膜和第二薄膜進行加熱以使其變得可成型；
[0023] 將所述第一薄膜和所述第二薄膜一起按壓在具有半圓通道的板上，所述半圓通道 具有通過所述半圓通道的中心的銷；以及
[0024] 在縱向方向上拉動所述第一薄膜和所述第二薄膜穿過所述半圓通道，其中氣體流 動通過所述銷以形成中空的絲狀物。
[0025] 優(yōu)選地，所述聚合物材料為第一和第二前驅體薄膜；
[0026] 在縱向方向上抽吸液體前驅體通過襯套，所述襯套具有氣體輸送管；以及
[0027] 使氣體流動通過所述輸送管以形成中空的絲狀物。
[0028] 優(yōu)選地，所述聚合物材料為第一和第二聚合物薄膜；
[0029] 對彎曲工裝板供給所述第一薄膜和所述第二薄膜；
[0030] 在縱向方向上拉動所述第一薄膜和所述第二薄膜穿過所述彎曲工裝板以形成兩 個部分的管；
[0031] 通過鄰接的且縱向對齊的所述兩個管而將所述第一薄膜匹配至所述第二薄膜；
[0032] 按壓所述兩個管以形成一系列的管；以及
[0033] 將所述管分成單獨的中空絲狀物。
[0034] 優(yōu)選地，所述的方法還包括將所述中空絲狀物卷繞在卷軸上。
[0035] 優(yōu)選地，所述第一薄膜和所述第二薄膜的供給從初始方向為大于15度。
[0036] 優(yōu)選地，所述的方法還包括將中空絲狀物卷繞在卷軸上。
[0037] 根據(jù)本實用新型的一個方面，提供一種增強纖維，包括具有長度和外表面及內表 面的碳纖維，該長度和外表面及內表面限定了壁。該壁具有限定了外直徑和內直徑及壁厚 的第一橫截面。圓柱形碳纖維管的壁厚大于或等于2 μ m。
[0038] 根據(jù)本實用新型的其他方面，本實用新型包括增強纖維，其包括具有限定了管的 長度和內表面及外表面以及具有限定了外直徑和內直徑的第一橫截面的碳纖維，其中該外 直徑和內直徑沿著該長度變化。
[0039] 根據(jù)本實用新型的另一個方面，提供一種方法，用以由聚合物材料形成聚合物前 驅體。該聚合物前驅體具有限定了圓柱形管的長度和外表面及內表面。該管具有限定了外 直徑和內直徑以及壁厚的橫截面。該壁厚大于或等于2 μπι。
[0040] 本實用新型的有益效果在于：節(jié)省大量的材料并且使纖維甚至更輕。
【附圖說明】
[0041] 圖1為具有內腔的碳纖維的局部透視圖；
[0042] 圖2Α、圖2Β以及圖2C為具有內腔的碳纖維的局部透視圖，每一個視圖示出了一個 形狀變化；
[0043] 圖3Α和圖3Β為與用于具有內腔的碳纖維的聚合物前驅體的制造方法相關的透視 圖；
[0044] 圖4Α為與用于具有內腔的碳纖維的聚合物前驅體的另一個制造方法有關的透視 圖；
[0045] 圖4Β為在制造圖4Α的聚合物前驅體的方法中所使用的梳狀微銷的透視圖；
[0046] 圖4C為與制造圖4Α的聚合物前驅體的方法有關的工裝板的側視圖；
[0047] 圖5A為用于由液體聚合物材料來制造聚合物前驅體的方法的氣體輸送管的橫截 面視圖。
[0048] 圖5B為在圖5A中所示出的氣體輸送管的襯套的端部視圖。
[0049] 圖6A和圖6B為在制造具有內腔的碳纖維的方法中的步驟的示意圖。
【具體實施方式】
[0050] 按照要求，本文中已披露了本實用新型的詳細的實施方式；然而，應當理解的是， 所披露的實施例僅為本實用新型的示例性示例的并且可以以不同的和替代的形式來實施。 該附圖并不一定按比例繪制；一些特征可被放大或縮小以示出特定組件的細部。因此，本文 中所披露的具體結構和功能的細部并不應當理解為限制性的，而是僅僅作為用于教導本領 域的技術人員來變化地實施本實用新型的代表性基礎。
[0051] 碳纖維（CF)增強聚合物復合材料作為有前景的輕質材料而在汽車工業(yè)中得到越 來越多的關注，以滿足政府的市政當局平均燃油經(jīng)濟性（CAFE)要求并且滿足消費者期望 的燃油經(jīng)濟性。為了滿足大批量生產(chǎn)汽車復合材料的經(jīng)濟要求，正在研發(fā)一種低成本的制 造工藝和低成本的材料。
[0052] 由于碳纖維加工方法為勞動密集的且產(chǎn)生多孔碳纖維并且不適于汽車生產(chǎn)量， 因而將碳纖維結合入復合結構已經(jīng)遇到了挑戰(zhàn)。這種勞動密集的加工方法包括預浸漬碳 纖維復合材料層壓件的真空袋高壓滅菌法。已經(jīng)做了一些嘗試，已經(jīng)研發(fā)了將圍繞玻璃纖 維加強件開發(fā)的復合材料的加工方法應用至碳纖維加強件的加工方法。這些嘗試都面臨 著挑戰(zhàn)。碳纖維的直徑通常為玻璃纖維的一半。因而，對于等效的纖維容積負荷（volume loading)而言，與使用玻璃纖維相比，可能需要四倍的碳纖維來填充相同的容積。特別對于 隨機的纖維復合材料，由于纖維的緊密相互作用以及對于碳纖維所研發(fā)的上漿配制劑（聚 合物涂層的薄層），因而纖維量的增加增加了切割工藝的復雜性。這種纖維的相互作用可 在加工期間使得纖維成一團并且導致纖維不適當?shù)胤稚⑿?。這將導致纖維的負荷傳遞退化 并且大大降低了復合材料的機械性能。由部分的磺化工藝所產(chǎn)生的中空碳纖維具有僅鄰近 纖維外表面的石墨烯結構。經(jīng)磺化生產(chǎn)的纖維的大多數(shù)內容物是無定形碳，并且是多孔的。 這種低結晶度和高孔隙率可導致比碳增強纖維所需較低的強度和模量。
[0053] 現(xiàn)參考圖1，中空碳纖維10 (具有內腔或空間11)已經(jīng)成形為圓柱形管，該圓柱形 管具有限定了橫截面面積I6的壁厚14和外直徑12。纖維10的外直徑12可為7 μπι至 30 μ m，優(yōu)選為10至20 μ m并且最優(yōu)選為13至15 μ m。外直徑12和橫截面面積16均可被 調節(jié)且可沿著管的長度變化。該橫截面面積16可為總纖維橫截面面積的30%至80%。總 纖維橫截面面積為JT (d/2)2,其中d為外直徑12。壁厚14可為1 μπι至10 μπι，優(yōu)選為2 μπι 至5 μ m并且最優(yōu)選為2 μ m至4 μ m。選擇中空碳纖維10的外直徑12,以解決在隨機的纖 維加工中打濕和纖維分散的問題。使用了在一個或多個實施例中所列出的尺寸的碳纖維產(chǎn) 生低密度的纖維以用于增強聚合樹脂。（纖維10,以及一定容積的聚合樹脂所需的較少的 纖維，導致較少地纖維相互作用以及成一團）。具有內腔的設計有時稱之為空芯設計，該空 芯設計減少了在聚合物前驅體管內的氧化和擴散途徑因此將大致保持與當前的用于直徑 約為7 μ m的纖維的CF制造相同的穩(wěn)定和氧化時間。一個或更多個實施例提供的碳纖維10 可以以與玻璃纖維近似的直徑來