本發(fā)明屬于集裝箱制造領(lǐng)域，具體涉及一種碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、傳統(tǒng)鐵質(zhì)集裝箱是由幾十塊小面積鐵質(zhì)板材根據(jù)總體設(shè)計(jì)焊接而成。其主體部件有側(cè)墻板、頂板、底板、端部墻板、箱體門(mén)板等，承重件有箱體上、下橫梁、端梁、立柱等。由于鐵的比重大，導(dǎo)致箱體笨重，運(yùn)輸成本、能耗高。
2、針對(duì)鐵質(zhì)集裝箱主體部件的改進(jìn)，國(guó)內(nèi)外集裝箱制造企業(yè)及相關(guān)單位提出了用碳纖維增強(qiáng)體/樹(shù)脂基復(fù)合材料替代鋼材的設(shè)想。實(shí)用新型專利“玻璃鋼集裝箱”公開(kāi)了一種玻璃鋼材質(zhì)的集裝箱，原材料為玻璃纖維和樹(shù)脂；丹麥馬士基集裝箱工業(yè)公司的發(fā)明專利《貨物運(yùn)輸集裝箱和組裝該貨物運(yùn)輸集裝箱的方法》(專利號(hào)201580042755.0)公開(kāi)了用金屬和塑料兩種材料混合制造的方法；青島中集集裝箱有限公司發(fā)表了《基于baydur復(fù)合材料的新型集裝箱的研發(fā)》文章，baydur復(fù)合材料的原料是20％的玻纖，80％的樹(shù)脂，文章對(duì)復(fù)合材料與耐候鋼兩種材質(zhì)的物理性能及化學(xué)性能進(jìn)行了比對(duì)。但是上述技術(shù)所制備的集裝箱要保持強(qiáng)度的情況下自重很大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，提供一種以碳纖維制備的具有“各向同性”的機(jī)織物，和碳纖維非織造布為增強(qiáng)體，輔以鐵、或鋁等金屬基材料制備得到的復(fù)合材料替代鋼材集裝箱的主體部件。該主體部件的物理和化學(xué)性能有很大的改進(jìn)，利用該主體部件制備得到的復(fù)合材料集裝箱能顯著減輕自重，從而能節(jié)約燃料，減少海、陸運(yùn)輸費(fèi)用和廢氣排放。
2、本發(fā)明的另一目的是提供上述碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件的制備方法。
3、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的：
4、一種碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件，該主體部件以碳纖維織物或碳纖維海綿層鋪?zhàn)鳛橹行膶?，上、下設(shè)置碳纖維非織造布層，或者最外部上下再設(shè)有碳纖維織物層，采用碳纖維連續(xù)長(zhǎng)絲或聚四氟乙烯膜裂長(zhǎng)絲捆綁成纖維增強(qiáng)體，纖維增強(qiáng)體上、下分別鋪放聚四氟乙烯膜，再用熔融金屬液浸潤(rùn)包覆纖維增強(qiáng)體表層，成型后制成碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料主體部件。
5、所述的金屬為鐵或鋁，優(yōu)選鐵質(zhì)基材。
6、所述的碳纖維織物層采用平紋、斜紋組織；經(jīng)密3-8根/cm，緯密3-8根/cm，優(yōu)選3-5根/cm。質(zhì)量30-100g/m2，優(yōu)選40-80g/m2；進(jìn)一步優(yōu)選經(jīng)密4根/cm，緯密4根/cm，質(zhì)量80g/m2。
7、碳纖維非織造布質(zhì)量20-60g/m2，優(yōu)選30-50g/m2，最優(yōu)選40g/m2。
8、碳纖維增強(qiáng)體質(zhì)量100-400g/m2，優(yōu)選120-350g/m2，厚度0.5mm-1.5mm，優(yōu)選0.7mm-1.5mm。
9、所述的碳纖維非織造布是通過(guò)以下方法制備得到的：將碳纖維短纖制備水溶液，再加入高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑，經(jīng)攪拌、真空負(fù)壓濾水，烘干得到20-60g/m2的碳纖維非織造布。
10、所述的高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑的粘度為1.5-2.5pas。
11、所述的水溶液中短纖含量為20-50g/l，優(yōu)選為25-35g/l。
12、所述的聚四氟乙烯膜裂長(zhǎng)絲細(xì)度為300dtex-3000dtex，優(yōu)選800dtex；所述的碳纖維連續(xù)長(zhǎng)絲細(xì)度為750dtex-1500dtex，優(yōu)選細(xì)度為1500dtex。
13、所述的碳纖維短纖長(zhǎng)度4-12mm，所述的碳纖維短纖為再生碳纖維短纖。
14、上述碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件的制備方法，該方法包括以下步驟：
15、a)制備碳纖維連續(xù)長(zhǎng)絲平紋織物層和再生碳纖維非織造布層，捆綁成增強(qiáng)體；
16、將碳纖維連續(xù)長(zhǎng)絲在整經(jīng)機(jī)上做成經(jīng)軸，經(jīng)軸和原裝長(zhǎng)絲筒在畢加諾劍桿織機(jī)上織造碳纖維平紋織物；
17、將碳纖維短纖制備水溶液，再加入高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑，經(jīng)攪拌、真空負(fù)壓濾水，烘干得到碳纖維非織造布；
18、將碳纖維平紋織物層鋪?zhàn)鳛橹行膶?，上、下鋪設(shè)碳纖維非織造布層，同步進(jìn)入縫編機(jī)，用碳纖維連續(xù)長(zhǎng)絲或聚四氟乙烯膜裂長(zhǎng)絲為捆綁紗，把三層織物層捆綁成增強(qiáng)體；
19、或者將碳纖維海綿鋪放在中心層，碳纖維非織造布層鋪放在上層和下層，碳纖維平紋織物層鋪放在碳纖維非織造布上下最外層，五層織物層同步進(jìn)入縫編機(jī)，用碳纖維連續(xù)長(zhǎng)絲或聚四氟乙烯膜裂長(zhǎng)絲為捆綁紗，將五層織物層捆綁成增強(qiáng)體；其中，碳纖維海綿由碳纖維連續(xù)長(zhǎng)絲制成；
20、b)模具制作
21、模具材質(zhì)為耐1400℃高溫的合金鋼板，截面為長(zhǎng)方形，模具空隙高度1.8mm；c)纖維增強(qiáng)體鋪層
22、將已裁剪好的碳纖維增強(qiáng)體平鋪在模具的模板上，增強(qiáng)體上、下分別鋪放聚四氟乙烯膜，用以防止熔融金屬液直接和模具接觸。
23、d)采用rtm工藝制備碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料部件
24、先將已放入增強(qiáng)體的模具預(yù)熱到280℃，在模具的注入孔灌注熔融的鐵溶液，至模具出氣口有溶液冒出，停止灌注，冷卻后卸壓、脫模，進(jìn)入熱軋機(jī)，將板材熱軋成波紋形狀部件。具體是流動(dòng)的金屬液逐漸浸潤(rùn)，滲透到纖維織物層，經(jīng)緯交織點(diǎn)，模具內(nèi)的剩余空氣從排氣孔排出，直到排氣孔有金屬液溢出。
25、上述步驟d)中所述的灌注條件為在3-5mpa的壓力下，經(jīng)過(guò)25-45秒的鐵溶液的灌注。成型模具預(yù)熱溫度280℃-350℃，熔融金屬液溫度：鐵質(zhì)<1100℃，鋁質(zhì)<550℃。
26、碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件厚度1.5mm-1.8mm，密度4.5±0.5g/cm3，纖維體積分?jǐn)?shù)35％-60％，優(yōu)選45％-55％。
27、本發(fā)明所述織物層制備得到的增強(qiáng)體具有“各向同性”的鮮明特征，使制成的復(fù)合材料主體部件能均衡承受來(lái)自垂直方向(經(jīng)向)、水平方向(緯向)及其它方向的拉伸、壓縮、扭曲、擠壓等多種形式，不同方向的作用力。
28、與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果：
29、(1)本發(fā)明在集裝箱領(lǐng)域首次提出。用碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料制備的集裝箱比傳統(tǒng)鐵質(zhì)集裝箱能減少箱體自重質(zhì)量的30％-50％，節(jié)約運(yùn)輸成本，節(jié)省燃料，減少二氧化碳排放。
30、(2)采用本發(fā)明制備的復(fù)合材料集裝箱能一次性制備復(fù)合材料集裝箱的大型主體部件，較現(xiàn)有的鐵質(zhì)集裝箱采用幾十塊小板材拼接、焊接而成，能減少制造工序，節(jié)省勞動(dòng)力和降低制造成本，并能賦予新的功能。
31、(3)采用再生碳纖維為制造原料之一，能使廢棄碳纖維資源化，有效降低制造成本，有利于產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，體現(xiàn)綠色制造理念。
1.一種碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件，其特征在于該主體部件以碳纖維織物或碳纖維海綿層鋪?zhàn)鳛橹行膶?，上、下設(shè)置碳纖維非織造布層，或者最外部上下再設(shè)有碳纖維織物層，采用碳纖維連續(xù)長(zhǎng)絲或聚四氟乙烯膜裂長(zhǎng)絲捆綁成纖維增強(qiáng)體，纖維增強(qiáng)體上、下分別鋪放聚四氟乙烯膜，再用熔融金屬液浸潤(rùn)包覆纖維增強(qiáng)體表層，成型后制成碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料主體部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件，其特征在于所述的金屬為鐵或鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件，其特征在于所述的碳纖維織物層采用平紋、斜紋組織；經(jīng)密3-8根/cm，緯密3-8根/cm，質(zhì)量30-100g/m2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件，其特征在于所述的碳纖維非織造布是通過(guò)以下方法制備得到的：將碳纖維短纖制備水溶液，再加入高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑，經(jīng)攪拌、真空負(fù)壓濾水，烘干得到20-60g/m2的碳纖維非織造布。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件，其特征在于所述的高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑的粘度為1.5-2.5pas。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件，其特征在于所述的水溶液中短纖含量為25-35g/l。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件，其特征在于所述的聚四氟乙烯膜裂長(zhǎng)絲細(xì)度為800dtex；所述的碳纖維連續(xù)長(zhǎng)絲細(xì)度為750-1500dtex。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件，其特征在于所述的碳纖維短纖長(zhǎng)度4-12mm，所述的碳纖維短纖為再生碳纖維短纖。
9.一種碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的碳纖維增強(qiáng)體/金屬基復(fù)合材料集裝箱主體部件的制備方法，其特征在于步驟d)中所述的灌注條件為在3-5mpa的壓力下，經(jīng)過(guò)25-45秒的鐵溶液的灌注。