CN107288988A - 碳纤维垫片及其结合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了碳纤维垫片及其结合方法，其包含以多个纤维束交错编织而成的一碳纤维布，每个该纤维束由多个非连续纤维形成；本发明的碳纤维垫片具有耐高温、耐疲劳及高耐候的优点，且非连续纤维的结构编织，当局部的碳纤维断裂磨耗时，不会影响其他部分的非连续纤维，不易造成结构松脱或脱层的问题，以增加碳纤维垫片使用效能及时间。

Description

碳纤维垫片及其结合方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维垫片，尤其涉及一种含有非连续性碳纤维的碳纤维垫片及其结合方法。

背景技术

垫片对于许多的机械结构而言，是不可或缺的必要零件，例如用于锁合紧固、防止松脱的金属垫片、平垫片，又如用于迫紧防漏的弹簧垫圈/片，或组件转动所需套设的一转动垫片等等。钓鱼卷线器中的转动垫片即是范例之一，现有的钓鱼卷线器所使用的垫片因使用过程中，该转动垫片须承受极高的高速转动摩擦、或者甚至可能需要辅助制动，因此该转动垫片的耐磨耗性、自润性、耐高温性均有极高的要求。现阶段传统用于钓鱼卷线器或其他类似用途的垫片，主要为金属基或复材基两种，金属基有其热传导相对较优异的优势，但是在与其他零件使用配合上可能产生金属热胀冷缩等新的问题；复材基转动垫片则为使用多层连续纤维织布迭合形成，如图8所示，连续的纤维容易因为使用过程中因为局部纤维断裂，使得整体编织结构连带松脱或脱层，以致减少使用寿命。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明开发一种碳纤维垫片，其含有利用非连续的碳纤维编织而成的碳纤维垫片，当碳纤维垫片的非连续碳纤维局部磨损断裂时，不会影响其他碳纤维造成结构松脱或脱层，以增加使用效期。

本发明提供一种碳纤维垫片，其包含以多个纤维束交错编织而成的一碳纤维布，每个该纤维束由多个非连续纤维形成。

其中，碳纤维垫片是以至少两个的碳纤维布层迭而成，相邻的两个碳纤维布间设有一接着材，该接着材局部渗入或含浸于该碳纤维布的纤维间，该碳纤维垫片的外表面至少局部未渗有或未含浸该接着材。

其中，该碳纤维布的碳化率介于10％～95％之间。

其中，该接着材含浸于该碳纤维垫片间的含浸率介于40％～80％。

其中，该接着材为热塑型树脂或热固型树脂，该非连续纤维为聚丙烯腈纤维碳化形成。

其中，该热塑型树脂为聚酯类或聚砜类树脂，该热固型树脂为环氧树酯系列或酚醛系列树脂。

其中，两该碳纤维布进一步与一支撑材形成一层迭结构，两该碳纤维布设于该层迭结构的外侧。

其中，支撑材是该碳纤维布、薄纤布、玄武岩布或玻璃纤维布的任一或其组合。

本发明进一步提供一种碳纤维垫片的结合方法，其步骤包含：(1)取至少两个碳纤维布，该碳纤维布是以多个纤维束交错编织而成，每个该纤维束由多个非连续纤维形成；(2)施予特定厚度的一接着材于该碳纤维布间并迭合；以及(3)将迭合后的该碳纤维布及该接着材结合形成该碳纤维垫片，该接着材局部渗入或含浸于该碳纤维布的纤维间，该碳纤维垫片的外表面至少局部未渗有或未含浸该接着材。

上述该碳纤维垫片的结合方法，进一步包含该接着材以膜片迭层、涂布或喷洒的方式施于该碳纤维垫片上；迭合后的该碳纤维布及该接着材以热压方式结合形成该碳纤维垫片。

透过上述说明可知，本发明具有以下优点：

1.本发明的碳纤维垫片除了具有耐高温、耐疲劳及高耐候的优点外，设于最外层的该碳纤维垫片维持短纤维、非连续纤维外露的型态，使本发明在使用时，可具有相较于现有技术更佳的自润、耐磨耗的技术功效。

2.本发明利用非连续的碳纤维编织而成，当局部的碳纤维断裂磨耗时，不会影响其他部分的非连续纤维，不易造成结构松脱或脱层的问题，增加使用效能及时间。

3.本发明不同碳化率的该碳纤维垫片可广泛应用于各领域当中，例如高碳化率的碳纤维垫片可应用于汽车变速箱、钓鱼卷线器等齿轮需要高速传动的机构中，而中等碳化率的碳纤维垫片可应用于食品级机械等齿轮转速需求较低的机器中，取代一般齿轮间需添加润滑油而造成润滑油残留于食品中的问题，而较低碳化率的碳纤维垫片则可应用于转速更低的机械齿轮垫片或是螺琐之间的一般垫片。

附图说明

图1为本发明碳纤维垫片的SEM图；

图2为本发明碳纤维垫片的SEM图；

图3为本发明碳纤维垫片剖面的SEM图；

图4为本发明碳纤维垫片剖面的SEM图；

图5为本发明第二较佳实施的示意图；

图6为本发明各样品在400℃下测得的TGA测试结果；

图7为本发明各样品在500℃下测得的TGA测试结果；

图8为现有连续碳纤维编织而成的碳纤维垫片示意图。

符号说明：

10 碳纤维垫片

11 碳纤维布

111 纤维束

1111 非连续纤维

20 接着材

30 支撑材

具体实施方式

为能详细了解本发明的技术特征及实用功效，并可依照说明书的内容来实施，进一步以如图式所示的较佳实施例，详细说明如下。

本发明包含由多个纤维束111交错编织而成的一碳纤维布11，每个该纤维束111由多个非连续纤维1111形成。较佳地，该多个经纬交错编织的该纤维束111以经纬方向上下交错编织而成，如图1～图4的电子显微镜(SEM)观察图所示。

制造该碳纤维布11的制造方法一较佳实施例步骤如下：

(1)取多个非碳化的非连续纤维予以捻合、抱合成束、成线；该非连续纤维可以是聚丙烯腈系列纤维。

(2)将成束的该非碳化的非连续纤维以各种不同的编织纹路或形式编织成为一非碳化纤维布，该非碳化纤维布的编织方法不限定，但较佳以无梭编织形式，例如平织，由此降低该非碳化纤维布于形成该碳纤维垫片10后，于使用过程时产生横向剪切力的阻断传导效果，大幅降低使用破坏的问题。

(3)将该非碳化纤维布以400℃～3500℃的温度范围碳化，形成一碳纤维布11，较佳地，该碳纤维布11的碳化率介于10％～95％。

如图3～图4所示，本发明第一较佳实施例以上述制造方法所制得的该碳纤维布11两两迭合所形成的层迭结构，两两该碳纤维布11间利用一接着材20予以固定结合，该接着材20可以是热塑性树脂，如聚酯、聚砜等，或亦可为热固性树脂，如环氧树脂、酚醛树脂等。施作上述该碳纤维布11及该接着材20间的黏着、接着步骤时，可利用热压机以介于45～250公斤/平方公分的压力及≦350℃的温度，将该碳纤维布11与特定厚度的片状支撑材20迭合后热压黏合，使该接着材20局部含浸、渗入该碳纤维布11的纤维中，如图3～图4所示，并于该接着材20硬化(可为热硬化、热固化)后使两两该碳纤维布11结合并具备一定强度的结构刚性，减少脱层的问题；上述所谓的特定厚度的片状该支撑材20，该特定厚度是以该碳纤维布11的厚度、体积百分比及所欲达成的含浸率而控制，例如若欲达到该接着材20半含浸(40％～80％)于该碳纤维布之间，则可施予该碳纤维布40％～80vt％厚度的接着材，以涂布(Coating)、喷洒(Spray)或膜片热压层迭(Film Stacking)的方式，使该接着材20半含浸于该碳纤维布11的纤维间，以使本实施例设于最外层的该碳纤维布11维持短纤维、非连续纤维外露的型态，使用时，可具有相较于现有技术更佳的自润、耐磨耗、耐用的技术功效。

在大量连续制造方面，可取成卷的该碳纤维布11与该支撑材20及另一该碳纤维布11，以一卷对卷(roll to roll)贴合的制程方式，产生复层构造的该碳纤维垫片，其中，依据贴合对象的表面特性，可选择适当如上述的该接着材20。贴合过程较佳配合施予高温高压，可更进一步提升复层构造的该碳纤维布的结构性能。本步骤完成成卷的复层构造的该碳纤维布或连续片状材料，可进一步以冲压、裁剪等裁切方式形成该碳纤维垫片10。

如图5所示，本发明第二较佳实施例两两该碳纤维布11之间，除该接着材20外，进一步以碳纤维布、接着材、支撑材、接着材及碳纤维布的顺序迭合一支撑材30，由于单一该碳纤维布11的厚度薄，使用时主要担负与其他机械零组件的润滑、摩擦功能，该支撑材20则可用于增加该碳纤维布11的厚度及强度。该支撑材30可以是玄武岩、玻璃纤维布、碳纤维布等。本发明形成三层或三层以上的碳纤维垫片结构时，该碳纤维布11迭合于最外层，其他支撑材30(不限定仅为一层，可多层迭合)则迭合或包覆于内层，形成三明治的结构。

以下为本发明于耐磨、自润、优异热传导且可快速散热的效能验证。请参考下表1以及表2，其为本发明透过上述制造方法所制得的各样品表列。

表1

样品代号	碳化温度(℃)	厚度(mm)	基重(g/m2)	经密(/inch)
					CF-1001-T	～1085	0.6	260	46
CF-1003-T	～1075	0.48	150	50
					CF-1001-Z	1080～1090	0.55	300	46
CF-1003-Z	1070～1090	0.48	170	50

表2

样品代号	纬密(/inch)	层迭数	热传导系数(W/cm·℃)
				CF-1001-T	28	5	4.98
CF-1003-T	28	3	4.54
				CF-1001-Z	28	5	4.64
CF-1003-Z	28	3	4.47

本发明各样品的热传导系数皆约为5(W/cm·℃)，可知各样品于摩擦所产生的高温下，可具有快速的散热效能，以避免高温聚集过久而产生的机械或纤维损耗。如图6～图7所示，其为表1及表2中各样品于400℃及500℃下所测得的热重分析(TGA Q500)测试结果，于温度400℃时测得各样品的重量损失率(％/小时)小于3％，而于温度500℃时各样品的重量损失率(％/小时)小于18％，可证实本发明各样品于高温下质量稳定，不易产生结构或纤维损坏的问题。

请参考下表3，本发明各样品以ASTM D1894、ASTM D3884及ASTMD648测试标准所测得的静、动摩擦系数、耐磨耗测试及耐热形变温度测试结果，由静、动摩擦系数结果来看，本发明的非连续的碳纤维编织结构，可具有自润的效果。再由耐磨耗及热变形温度的测试结果可知，本发明利用非连续纤维所制得的碳纤维垫片10具有优异的耐高温及耐磨耗的优异表现。

表3

样品代号	静摩擦系数	动摩擦系数	耐磨耗(g)	热变形温度(℃)
					CF-1001-T	0.41	0.41	0.3318	157.0
CF-1003-T	0.27	0.27	0.0468	161.1
					CF-1001-Z	0.27	0.27	0.1521	172.6
CF-1003-Z	0.41	0.41	0.2568	157.8

由上述各测试结果可知，本发明利用非连续纤维编织而成的结构，除了具有自润、耐摩擦、耐高温且耐磨耗的特性外，当局部的碳纤维断裂磨耗时，断裂的碳纤维不会影响其他部分的纤维编织结构，不易造成碳纤维垫片整体结构松脱或脱层的问题，达到增加使用效能及时间的效果。

请参考下表4，本发明样品编号CF-1001-Z以不同碳化温度达成不同碳化率的元素分析表。本发明以较低温度碳化的碳纤维垫片，可具有更多的官能基以利于该接着材等树脂类的材质结合(bonding)，达到不易脱层的优异结果。

表4

样品代号	碳化温度℃	碳化率	氮含量N％	碳含量C％	氢含量H％
						CF-1001-Z	1080～1090	85	6.604	84.505	1.056
CF-1001-Z	850	70	12.808	69.986	1.768

本发明不同碳化率的该碳纤维垫片，应用领域广泛，例如高碳化率(60％～90％)的碳纤维垫片可应用于汽车变速箱、钓鱼卷线器等机械齿轮需要高速转动的机构中，而中等碳化率(30％～60％)的碳纤维垫片可应用于食品级机械等齿轮转速需求较低的机器中，取代一般添加润滑油而造成润滑油残留于食品中的问题，而较低碳化率(10％～30％)的碳纤维垫片，除了可降低碳化的成本外，更可应用于转速更低的机械齿轮垫片或是螺琐之间的一般垫片。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维垫片，其特征在于，其包含以多个纤维束交错编织而成的一碳纤维布，每个所述纤维束由多个非连续纤维形成。

2.如权利要求1所述的碳纤维垫片，其特征在于，其是以至少两个的碳纤维布层迭而成，相邻的两个碳纤维布间设有一接着材，所述接着材局部渗入或含浸于所述碳纤维布的纤维间，所述碳纤维垫片的外表面至少局部未渗有或未含浸所述接着材。

3.如权利要求1或2所述的碳纤维垫片，其特征在于，所述碳纤维布的碳化率介于10％～95％之间。

4.如权利要求1或2所述的碳纤维垫片，其特征在于，所述接着材含浸于所述碳纤维垫片间的含浸率介于40％～80％。

5.如权利要求4所述的碳纤维垫片，其特征在于，所述接着材为热塑型树脂或热固型树脂，所述非连续纤维为聚丙烯腈纤维碳化形成。

6.如权利要求5所述的碳纤维垫片，其特征在于，所述热塑型树脂为聚酯类或聚砜类树脂，所述热固型树脂为环氧树酯系列或酚醛系列树脂。

7.如权利要求2所述的碳纤维垫片，其特征在于，两所述碳纤维布进一步与一支撑材形成一层迭结构，两所述碳纤维布设于所述层迭结构的外侧。

8.如权利要求7所述的碳纤维垫片，其特征在于，所述支撑材是所述碳纤维布、薄纤布、玄武岩布或玻璃纤维布的任一或其组合。

9.一种碳纤维垫片的结合方法，其特征在于，其步骤包含：

(1)取至少两个碳纤维布，所述碳纤维布是以多个纤维束交错编织而成，每个所述纤维束由多个非连续纤维形成；

(2)施予特定厚度的一接着材于所述碳纤维布间并迭合；以及

(3)将迭合后的所述碳纤维布及所述接着材结合形成所述碳纤维垫片，所述接着材局部渗入或含浸于所述碳纤维布的纤维间，所述碳纤维垫片的外表面至少局部未渗有或未含浸所述接着材。

10.如权利要求9所述的碳纤维垫片的结合方法，其特征在于，所述接着材以膜片迭层、涂布或喷洒的方式施于所述碳纤维垫片上；迭合后的所述碳纤维布及所述接着材以热压方式结合形成所述碳纤维垫片。