一种碳纤维陶瓷复合结构、陶瓷部件及空气处理设备的制作方法

1.本实用新型涉及材料技术领域，具体涉及一种碳纤维陶瓷复合结构、陶瓷部件及空气处理设备。


背景技术：

2.陶瓷一般非常坚硬、致密并具有化学惰性，将碳纤维贴合或包覆在陶瓷表面，能大幅度地提高陶瓷的断裂和抗热震性能，改善其脆性。获得的“碳
‑
陶”复合结构具有“外柔内刚”特性，可应用于耐磨结构件、外观装饰件等领域。通过将碳纤维树脂预浸片材与陶瓷加热复合是制备碳纤维陶瓷复合结构的一种常见方法。
3.然而，陶瓷与碳纤维预浸料的树脂基体无法形成化学粘接，界面机械结合强度相对较低。此外，一般碳纤维基体树脂为环氧树脂，其热膨胀系数约为100
ⅹ
10
‑6/℃，而常见陶瓷的热膨胀系数约为1
ⅹ
10
‑6/℃左右，二者热膨胀系数差异较大，复合后易产生较大内应力。采用上述常规方法制备的碳纤维陶瓷复合结构由于界面结合强度低，内应力大，非常容易在外力冲击或环境温度变化时出现界面开裂或树脂开裂。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种新的碳纤维陶瓷复合结构，以解决现有技术中材料界面开裂或树脂开裂的问题。
5.具体而言，本实用新型的第一个方面提出一种碳纤维陶瓷复合结构，包括：陶瓷基体、碳纤维底层树脂层、碳纤维层和碳纤维面层树脂层；
6.其中，所述陶瓷基体与碳纤维底层树脂层的结合表面分布微孔，以使得所述碳纤维底层树脂进入所述微孔中与所述陶瓷基体结合。
7.根据本实用新型的一种实施方式，所述的陶瓷基体、碳纤维底层树脂层、碳纤维层和碳纤维面层树脂层由内向外依次设置。
8.根据本实用新型的技术方案，通过在陶瓷基体表面蚀刻出微孔结构，可使材料复合过程碳纤维底层树脂进入这些微孔与陶瓷形成铆接结合，提升复合结构的界面结合力。
9.根据本实用新型的一种实施方式，所述的陶瓷基体可以是氧化锆陶瓷或氧化铝陶瓷。
10.根据本实用新型的一种实施方式，所述的陶瓷基体与碳纤维底层树脂层的结合表面的微孔是均匀分布的。
11.根据本实用新型的一种实施方式，所述的陶瓷基体与碳纤维底层树脂层的结合表面微孔孔径为0.01
‑
0.1mm，优选地，所述微孔孔径为0.01
‑
0.07mm，更优选地，所述微孔孔径为0.02
‑
0.05mm。
12.根据本实用新型的一种实施方式，所述的陶瓷基体与碳纤维底层树脂层的结合表面微孔的孔深度为0.004
‑
0.03mm，优选地，所述孔深度为0.005
‑
0.02mm，更优选地，所述孔
深度为0.007
‑
0.012mm。
13.根据本实用新型的一种实施方式，所述的陶瓷基体与碳纤维底层树脂层的结合表面微孔的微孔间距为0.4
‑
4mm；优选地，所述微孔间距为0.5
‑
3mm；更优选地，所述微孔间距为0.8
‑
2mm。
14.根据本实用新型的一种实施方式，所述的陶瓷基体的表面微孔结构是采用激光束蚀刻处理得到的，激光频率优选为20
‑
80khz，电流为10
‑
20a；更优选地，激光频率为 30
‑
60khz，电流为12
‑
16a。
15.根据本实用新型的一种实施方式，在对陶瓷基体进行采用激光束蚀刻处理后，优选对陶瓷基体表面处理。
16.根据本实用新型的一种实施方式，在对陶瓷基体进行采用激光束蚀刻处理后，优选使用洁净压缩空气或水清洗陶瓷基体表面，除去激光蚀刻过程残留的陶瓷碎屑。然后对陶瓷基体进行等离子清洗，以进一步清洁陶瓷表面污物，提高表面活性及润湿性能，便于树脂与陶瓷表面牢固结合。
17.根据本实用新型的一种实施方式，所述碳纤维底层树脂层和面层树脂层的树脂为环氧树脂，可以独立选自酚醛型环氧树脂、双酚a型环氧树脂、双酚s型环氧树脂中的一种或多种的组合物。
18.根据本实用新型的一种实施方式，所述碳纤维底层树脂为添加一定含量无机填料的环氧树脂。
19.根据本实用新型的技术方案，通过在碳纤维底层环氧树脂添加一定含量无机填料，可降低环氧树脂的热膨胀系数，使其与陶瓷材料匹配，解决现有碳纤维树脂与陶瓷复合后极易开裂的问题。
20.根据本实用新型的一种实施方式，所述的无机填料可以是二氧化硅、氧化铝、氮化硼、氮化铝、碳化硅中的一种或多种的混合物。
21.根据本实用新型的一种实施方式，环氧树脂与所述无机填料的质量比优选为100： 40
‑
80；更优选为100：40
‑
70。
22.所述碳纤维面层树脂层中的树脂为反应性柔性聚合物改性环氧树脂。
23.根据本实用新型的一种实施方式，所述的碳纤维面层树脂层为反应性柔性聚合物改性的环氧树脂；所述的反应性柔性聚合物优选为羟基丁苯液体橡胶、端环氧基聚醚或其组合物。相比普通环氧树脂，这种反应性柔性聚合物与环氧树脂发生共聚，使面层树脂具有更高的韧性，进一步改善内应力或机械外力下面层树脂微裂纹的产生，且面层树脂固化后为透明状，不影响碳纤维的图案外观显示。
24.根据本实用新型的一种实施方式，所述的碳纤维层可以是单向或织布碳纤维层，碳纤维丝束在3k
‑
12k之间；更优选在3k
‑
7k之间。
25.根据本实用新型的一种实施方式，所述的碳纤维底层树脂层、碳纤维层、碳纤维面层树脂层通过树脂之间及树脂与纤维之间浸渍，熔合成为一体。
26.根据本实用新型的一种实施方式，所述的陶瓷基体与熔合成为一体的碳纤维层通过热压或其它方式复合。
27.本实用新型的碳纤维陶瓷复合结构优选可通过以下方法步骤制备得到：
28.1)陶瓷基体表面处理；
29.a)采用激光束对陶瓷基体表面进行激光蚀刻处理，使其表面形成微孔结构；激光频率为20
‑
80khz，电流为10
‑
20a；更优选地，激光频率为30
‑
60khz，电流为12
‑
16a；
30.b)使用洁净压缩空气或水清洗陶瓷基体表面，除去激光蚀刻过程残留的陶瓷碎屑；
31.c)对陶瓷基体进行等离子清洗，可以进一步清洁陶瓷表面污物，提高表面活性及润湿性能，便于树脂与陶瓷表面牢固结合；
32.2)碳纤维树脂预浸料制备
33.a)树脂混合及制备底层浸渍树脂镀层胶膜；
34.将一定比例的无机填料和固化剂、消泡剂与环氧树脂置于容器中混合均匀制备浸涂胶，混合温度为室温至70℃；更优选为30℃至70℃；
35.所述固化剂优选为双氰胺类固化剂；所述消泡剂优选为改性硅聚醚或改性聚醚类消泡剂；
36.将浸涂胶通过涂胶辊均匀涂覆到离型纸上，通过调节涂胶辊的间距和速度，制得不同厚度的胶膜；
37.b)制备面层浸渍树脂镀层胶膜
38.将反应性柔性聚合物改性环氧树脂通过涂胶辊均匀涂覆到离型纸上，通过调节涂胶辊的间距和速度，制得不同厚度的胶膜；
39.c)制作碳纤维预浸料
40.从上、下胶辊引出预先制好的胶膜，并和碳纤维形成夹芯结构，通过几组热压辊，使底层和面层树脂基体熔融，碳纤维嵌入树脂基体中，最后冷却，在碳纤维树脂面层覆pe保护膜，制得碳纤维预浸料。
41.其中热压辊温度为60
‑
120℃，压力0.5
‑
1mpa；更优选热压辊温度为70
‑
110℃，压力0.6
‑
8mpa。
42.3)陶瓷与碳纤维预浸料热压复合
43.将碳纤维预浸料覆于陶瓷表面，通过模具或其他方法加热加压，加热温度160℃至 190℃，时间0.5h至10h，使碳纤维底层树脂进入陶瓷表面，最后冷却至常温，得到根据本实用新型所述的碳纤维陶瓷复合结构。
44.本实用新型的碳纤维陶瓷复合结构，有效解决了现有碳纤维陶瓷复合结构在温度变化过程的界面或树脂内部应力开裂问题。
45.本实用新型的另一个方面涉及一种陶瓷部件，其包括前述的碳纤维陶瓷复合结构。
46.根据本实用新型的一种实施方式，所述陶瓷部件优选作为家用电器的结构件或装饰件。
47.根据本实用新型的一种实施方式，所述结构件或装饰件为装饰条、面板或其它结构件。
48.根据本实用新型的一种实施方式，所述陶瓷部件优选作为家用空调面板的装饰件。
49.本实用新型的另一个方面涉及一种空气处理设备，其中包括前述的陶瓷部件。
50.根据本实用新型的一种实施方式，所述装置为家用电器；优选地，所述装置为家用
空调。
附图说明
51.图1是本实用新型实施例的一种碳纤维陶瓷复合结构示意图；其中，100.陶瓷基体， 200.碳纤维底层树脂层，300.碳纤维层，400.碳纤维面层树脂层。
52.图2是本实用新型实施例的一种碳纤维陶瓷复合界面结构示意图；其中，100.陶瓷基体，200.碳纤维底层树脂层，110.陶瓷基体激光蚀刻微孔。
具体实施方式
53.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。
54.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
55.在本实用新型的描述中，如果有描述到第一、第二、第三等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
56.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
57.本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
58.实施例1
59.参考图1和图2描述本实用新型实施例第一方面的碳纤维陶瓷复合结构。
60.本实施例的碳纤维陶瓷复合结构包括陶瓷基体100、碳纤维底层树脂层200、碳纤维层300、碳纤维面层树脂层400。
61.1)本实施例中所述陶瓷基体100为氧化锆陶瓷，参照图2，陶瓷基体表面具有微孔结构，即陶瓷基体激光蚀刻微孔110，微孔孔径为0.06mm，孔深度为0.015mm，微孔间距为2mm。
62.通过在陶瓷基体表面蚀刻出微孔结构，可使材料复合过程中碳纤维底层树脂进入这些微孔与陶瓷形成铆接结合，提升复合结构的界面结合力。
63.本实施例中碳纤维层300为织布碳纤维，碳纤维丝束为12k。
64.本实施例中碳纤维底层树脂层200中的树脂为双酚a型环氧树脂，无机填料为球形二氧化硅；双酚a型环氧树脂与无机填料的质量比为100：40。无机填料可使碳纤维底层树脂层200与陶瓷基体100的热膨胀系数更匹配，降低材料内应力。
65.本实施例中碳纤维面层树脂为羟基丁苯液体橡胶改性环氧树脂。相比普通环氧树
脂，这种反应性柔性聚合物与环氧树脂发生共聚，使面层树脂具有更高的韧性，进一步改善内应力或机械外力下面层树脂微裂纹的产生，且面层树脂固化后为透明状，不影响碳纤维的图案外观显示，同时增强了材料的美观度及装饰性。
66.实施例2：
67.参照图1，本实施例的碳纤维陶瓷复合结构包括陶瓷基体100、碳纤维底层树脂层 200、碳纤维层300、碳纤维面层树脂层400。
68.1)本实施例中所述陶瓷基体100为氧化铝陶瓷，参照图2，陶瓷基体表面具有微孔结构，即陶瓷基体激光蚀刻微孔110，微孔孔径为0.03mm，孔深度为0.01mm，微孔间距为0.8mm。
69.通过在陶瓷基体表面蚀刻出微孔结构，可使材料复合过程中碳纤维底层树脂进入这些微孔与陶瓷形成铆接结合，提升复合结构的界面结合力。
70.本实施例中碳纤维层300为织布碳纤维，碳纤维丝束为6k。
71.本实施例中碳纤维底层树脂层200中的树脂为酚醛型环氧树脂，无机填料为不规则形碳化硅，酚醛型环氧树脂与无机填料的质量比为100：70。无机填料可使碳纤维底层树脂层200与陶瓷基体100的热膨胀系数更匹配，降低材料内应力。
72.本实施例中碳纤维面层树脂为端环氧基聚醚改性环氧树脂。相比普通环氧树脂，这种反应性柔性聚合物与环氧树脂发生共聚，使面层树脂具有更高的韧性，进一步改善内应力或机械外力下面层树脂微裂纹的产生，且面层树脂固化后为透明状，不影响碳纤维的图案外观显示，同时增强了材料的美观度及装饰性。
73.实施例3：
74.参照图1，本实施例的碳纤维陶瓷复合结构包括陶瓷基体100、碳纤维底层树脂层 200、碳纤维层300、碳纤维面层树脂层400。
75.1)本实施例中所述陶瓷基体100为氧化铝陶瓷，参照图2，陶瓷基体表面具有微孔结构，即陶瓷基体激光蚀刻微孔110，微孔孔径为0.05mm，孔深度为0.01mm，微孔间距为0.5mm。
76.通过在陶瓷基体表面蚀刻出微孔结构，可使材料复合过程中碳纤维底层树脂进入这些微孔与陶瓷形成铆接结合，提升复合结构的界面结合力。
77.本实施例中碳纤维层200为织布碳纤维，碳纤维丝束为3k。
78.本实施例中碳纤维底层树脂200中的树脂为酚醛型环氧树脂和双酚a型环氧树脂混合物，二者质量比为1：2；无机填料为球形氧化铝和不规则形碳化硅的混合物，二者质量比为2：1；环氧树脂：无机填料质量比为100：50。无机填料可使碳纤维底层树脂层 200与陶瓷基体100的热膨胀系数更匹配，降低材料内应力。
79.本实施例中碳纤维面层树脂为端环氧基聚醚改性环氧树脂。相比普通环氧树脂，这种反应性柔性聚合物与环氧树脂发生共聚，使面层树脂具有更高的韧性，进一步改善内应力或机械外力下面层树脂微裂纹的产生，且面层树脂固化后为透明状，不影响碳纤维的图案外观显示，同时增强了材料的美观度及装饰性。
80.实施例4
81.实施例1
‑
3任一个所述的碳纤维陶瓷复合结构通过如下方法制备得到：
82.1)陶瓷基体表面处理；
83.a)采用激光束对陶瓷基体表面进行激光蚀刻处理，使其表面形成微孔结构；激光频率为30
‑
60khz，电流为12
‑
16a；
84.b)使用水清洗陶瓷基体表面，除去激光蚀刻过程残留的陶瓷碎屑；
85.c)对陶瓷基体进行等离子清洗，等离子清洗功率200
‑
500w，清洗时间3
‑
10min，以进一步清洁陶瓷表面污物，提高表面活性及润湿性能，使表面水接触角从40
°
以上降至15
°
以下。
86.2)碳纤维树脂预浸料制备
87.a)树脂混合及制备底层浸渍树脂镀层胶膜；
88.按实施例1
‑
3任一个所述的比例取无机填料和环氧树脂，然后加入双氰胺类固化剂、改性硅聚醚或改性聚醚类消泡剂，置于容器中混合均匀制备浸涂胶，混合温度为 30
‑
70℃；
89.将浸涂胶通过涂胶辊均匀涂覆到离型纸上，通过调节涂胶辊的间距和速度，可得不同厚度的胶膜；冷却降低胶膜温度获得底层浸渍树脂镀层；
90.b)制备面层浸渍树脂镀层胶膜
91.将反应性柔性聚合物改性环氧树脂通过涂胶辊均匀涂覆到离型纸上，通过调节涂胶辊的间距和速度，制得不同厚度的胶膜；冷却降低胶膜温度获得面层浸渍树脂镀层；
92.c)制作碳纤维预浸料
93.从上、下胶辊引出预先制好的胶膜，并和碳纤维形成夹芯结构，通过几组热压辊，使底层和面层树脂基体熔融，碳纤维嵌入树脂基体中，最后冷却在碳纤维树脂面层覆 pe保护膜，制得碳纤维预浸料。其中热压辊温度为70
‑
110℃，压力0.6
‑
8mpa。
94.3)陶瓷与碳纤维预浸料热压复合
95.将碳纤维预浸料覆于陶瓷表面，通过模具或其他方法加热加压，加热温度160℃
ꢀ‑
190℃，时间5
‑
7h，使碳纤维底层树脂进入陶瓷表面，最后冷却至常温，得到实施例1
‑
3 所述的碳纤维陶瓷复合结构。
96.实施例5
97.本实施例提供一种家用空调，其中上述实施例1
‑
3任一项所述的碳纤维陶瓷复合结构作为面板。
98.根据上述实施例1
‑
3任一项所述的碳纤维陶瓷复合结构，其陶瓷基体100为氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷，具有优异的刚性。在所述陶瓷基体上采用激光束对陶瓷基体表面进行激光蚀刻使其表面形成微孔结构，可使材料复合过程中碳纤维底层树脂进入这些微孔与陶瓷形成铆接结合，提升复合结构的界面结合力。然后使用洁净压缩空气或水清洗陶瓷基体表面，除去激光蚀刻过程残留的陶瓷碎屑；并进一步进行等离子清洗，可以提高表面活性及润湿性能，使表面水接触角从40
°
以上降至15
°
以下。进一步提高了陶瓷基体100与碳纤维底层树脂层200的结合力。此外，碳纤维底层树脂层为添加一定量无机填料的环氧树脂，所述无机填料可降低环氧树脂的热膨胀系数，使其与陶瓷基体100 的热膨胀系数更匹配，解决现有碳纤维树脂与陶瓷复合后极易开裂的问题。碳纤维面层树脂层400为反应性柔性聚合物改性环氧树脂；所述的反应性柔性聚合物优选为羟基丁苯液体橡胶、端环氧基聚醚或其组合物。相比普通环氧树脂，这种反应性柔性聚合物与环氧树脂发生共聚，使面层树脂具有更高的韧性，进一步改善内应力或机械外力下面层树脂微裂纹的产生，且面层树脂固化后
为透明状，不影响碳纤维的图案外观显示，同时增强了面板的美观度及装饰性。
99.对比例1
100.参照图1，本实施例的碳纤维陶瓷复合结构包括陶瓷基体100、碳纤维底层树脂层 200、碳纤维层300、碳纤维面层树脂层400。所述陶瓷基体100为氧化铝陶瓷，表面没有微孔。碳纤维层300为织布碳纤维，碳纤维丝束为6k。碳纤维底层树脂层200和面层树脂层400均为酚醛型环氧树脂。
101.按照与实施例4类似的工艺路径制备碳纤维陶瓷复合结构，不同之处在于1)陶瓷基体100没有激光蚀刻和等离子清洗表面处理，即，没有通过激光蚀刻使陶瓷表面形成微孔结构，也没有通过等离子清洗清洁陶瓷表面污物，提高表面活性及润湿性能。2) 碳纤维预浸料制备过程，碳纤维底层树脂为普通的酚醛型环氧树脂，没有添加无机填料；碳纤维面层树脂也为普通的酚醛型环氧树脂，而非反应性柔性聚合物改性环氧树脂。
102.测试例
103.将按照实施例和对比例制备的碳纤维陶瓷复合结构置于高低温试验箱进行6个循环
ꢀ‑
40℃～60℃的高低温冲击老化测试，高低温转换时间不大于30min，测试结束后取出样品观察碳纤维陶瓷复合结构是否存在界面开裂或树脂开裂，结果见表1。
104.表1
[0105][0106]
由表1的数据可以看出，采用本实用新型实施例的碳纤维陶瓷复合结构可以有效解决现有碳纤维陶瓷复合材料在温度变化过程的界面或树脂内部应力开裂问题。
[0107]
上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。