本發(fā)明涉及碳纖維刀架，尤其涉及碳纖維刀架的制備方法及碳纖維刀架。

背景技術(shù)：

1、碳纖維刀架的研發(fā)一直是冰上運(yùn)動(dòng)裝備領(lǐng)域的熱點(diǎn)。隨著競(jìng)技水平的不斷提高，運(yùn)動(dòng)員對(duì)刀架的性能要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。傳統(tǒng)的金屬刀架雖然工藝成熟，但在輕量化和性能優(yōu)化方面已經(jīng)難以突破。近年來(lái)，碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的比強(qiáng)度和比模量，逐漸成為高性能刀架的首選材料。然而，現(xiàn)有的碳纖維刀架仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題。

2、首先，碳纖維復(fù)合材料在低溫環(huán)境下容易變脆，導(dǎo)致刀架在冰面上的使用壽命和安全性受到影響。特別是在高強(qiáng)度的訓(xùn)練和比賽中，刀架可能會(huì)因?yàn)榉磸?fù)的沖擊和彎曲而產(chǎn)生微裂紋，最終導(dǎo)致致災(zāi)難性事故。其次，碳纖維刀架的冰面抓地力一直是一個(gè)難題。雖然已有一些表面處理技術(shù)，但在保持良好抓地力的同時(shí)還要兼顧耐磨性和穩(wěn)定性，這對(duì)材料設(shè)計(jì)提出了極高的要求。再者，碳纖維刀架的制造工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制困難，導(dǎo)致產(chǎn)品一致性差，性能波動(dòng)大。最后，現(xiàn)有的碳纖維刀架在輕量化和高強(qiáng)度之間難以取得完美平衡，這限制了運(yùn)動(dòng)員在比賽中發(fā)揮最佳水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明正是針對(duì)上述問(wèn)題，提出了創(chuàng)新的碳纖維刀架制備方法。該方法通過(guò)多重創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了碳纖維刀架性能的全面提升。

2、本發(fā)明的目的在于提供碳纖維刀架的制備方法，包括以下步驟：

3、(1)?制備改性碳纖維預(yù)浸料，包括配制樹(shù)脂體系、分散納米增韌劑和碳纖維浸漬；

4、(2)?制備多功能納米纖維增強(qiáng)層，包括配制紡絲溶液、靜電紡絲、納米纖維網(wǎng)后處理和碳化處理；

5、(3)?刀架成型，包括模具準(zhǔn)備、鋪層和熱壓成型；

6、(4)?表面處理；

7、(5)?涂覆低溫性能優(yōu)化納米復(fù)合涂層，包括制備涂層材料、涂覆和固化；

8、其中，所述改性碳纖維預(yù)浸料中碳纖維含量為60-70重量份，樹(shù)脂含量為30-40重量份。

9、具體地，所述步驟(1)中配制樹(shù)脂體系具體包括：

10、將25-30重量份四官能團(tuán)環(huán)氧樹(shù)脂與5-8重量份羥基封端聚醚型環(huán)氧樹(shù)脂在65-70℃下攪拌30分鐘，轉(zhuǎn)速200-250rpm；降溫至50-55℃，加入15-18重量份4,4'-二氨基二苯砜，攪拌20分鐘；再加入0.3-0.5重量份三苯基膦，攪拌10分鐘；在0.05-0.1mpa真空下脫泡15分鐘。

11、具體地，所述步驟(1)中分散納米增韌劑具體包括：

12、向樹(shù)脂體系中加入0.5-1.0重量份石墨烯納米片和2-3重量份核殼結(jié)構(gòu)納米橡膠粒子，使用三輥研磨機(jī)分散，輥間隙依次為20μm、10μm和5μm，研磨3遍，每遍10分鐘。

13、具體地，所述步驟(1)中碳纖維浸漬具體包括：

14、使用熱熔法在85-90℃下以2.5-3.5m/min的速度對(duì)62-67重量份的t800h級(jí)碳纖維進(jìn)行浸漬，控制樹(shù)脂含量為33-37wt%，揮發(fā)分含量≤0.3wt%。

15、具體地，所述步驟(2)具體包括：

16、a)?配制紡絲溶液：將聚丙烯腈纖維素前驅(qū)體、聚醚醚酮和n,n-二甲基甲酰胺按13:2:85的重量比在60℃下攪拌24小時(shí)，轉(zhuǎn)速150rpm，然后超聲處理30分鐘(功率300w，頻率40khz)；

17、b)?靜電紡絲：在22-25℃，相對(duì)濕度45-55%的環(huán)境下，使用16-19kv電壓，0.8-1.2ml/h的推進(jìn)速率，18-22cm的收集距離進(jìn)行靜電紡絲，收集器轉(zhuǎn)速1000-1200rpm；

18、c)?納米纖維網(wǎng)后處理：在80℃真空烘箱中干燥4小時(shí)；

19、d)?碳化處理：首先在空氣中以1.5℃/min的速率升溫至265-275℃，保持2.5小時(shí)，然后以2℃/min的速率冷卻至室溫；再在氮?dú)夥諊?純度99.999%)中以8℃/min的速率升溫至900-950℃，保持1.5小時(shí)，最后以5℃/min的速率冷卻至室溫。

20、具體地，所述步驟(3)具體包括：

21、a)?模具準(zhǔn)備：使用表面鍍鉻處理的高溫合金鋼模具，表面粗糙度ra≤0.2μm，涂覆納米陶瓷基脫模劑；

22、b)?鋪層：按照[0°/90°/+45°/-45°]s?8層底層、[0°/±30°/90°]s?6層中間層、[0°/±15°]s?6層頂層的順序鋪設(shè)預(yù)浸料，在第4層和第16層之間加入多功能納米纖維增強(qiáng)層；

23、c)?熱壓成型：首先在≤0.05mpa真空下預(yù)處理45分鐘；然后分三階段加熱固化：以3℃/min的速率升至110-115℃保持70分鐘，再以2℃/min的速率升至155-160℃保持90分鐘，最后以1℃/min的速率升至180-185℃保持60分鐘；壓力控制為0-70分鐘逐步增加至2mpa，70-160分鐘保持2mpa，160-220分鐘增加至5mpa并保持至冷卻；冷卻時(shí)以2℃/min的速率降至60℃，然后自然冷卻至室溫。

24、具體地，所述步驟(4)具體包括：

25、使用氧氣/氬氣混合等離子體(比例4:1)，在20-30pa工作氣壓下，功率250-300w處理45-60秒。

26、具體地，所述步驟(5)具體包括：

27、a)?制備涂層材料：將75-80重量份聚偏氟乙烯溶解于180-200重量份n-甲基吡咯烷酮中，60℃下攪拌2小時(shí)；加入8-10重量份氮化硼納米片和1-2重量份石墨烯量子點(diǎn)，超聲分散30分鐘(功率400w，頻率40khz)；使用行星式球磨機(jī)研磨12小時(shí)，轉(zhuǎn)速300rpm；

28、b)?涂覆：使用靜電噴涂法，噴涂電壓50-60kv，噴涂厚度25-35μm；

29、c)?固化：在60℃下預(yù)干燥30分鐘，然后在180℃下固化45分鐘，自然冷卻至室溫。

30、所述的制備方法制得的碳纖維刀架。

31、具體地，所述刀架還包括金屬連接件，所述金屬連接件通過(guò)改性環(huán)氧膠粘劑與刀架粘接，所述改性環(huán)氧膠粘劑的剪切強(qiáng)度≥30mpa，固化條件為80℃下3小時(shí)；所述刀架的中間連接部分的寬度為3-5mm。

32、本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

33、首先，本發(fā)明引入了納米增韌劑體系。通過(guò)將石墨烯納米片和核殼結(jié)構(gòu)納米橡膠粒子巧妙結(jié)合，在分子層面上改善了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。石墨烯納米片憑借其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能，在基體中形成了一個(gè)高效的應(yīng)力傳遞網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)材料受到外力時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以迅速分散應(yīng)力，防止應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋萌生。同時(shí)，核殼結(jié)構(gòu)納米橡膠粒子則在低溫下保持良好的彈性，能夠吸收沖擊能量，進(jìn)一步提高材料的韌性。這兩種納米材料的協(xié)同作用，使得刀架在極低溫環(huán)境下仍能保持優(yōu)異的力學(xué)性能。

34、其次，本發(fā)明開(kāi)發(fā)了多功能納米纖維增強(qiáng)層。通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備的pan/peek納米纖維網(wǎng)，經(jīng)過(guò)特殊的碳化處理后，形成了一個(gè)具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)不僅提高了刀架的整體強(qiáng)度和剛度，還顯著改善了層間結(jié)合力。pan基碳納米纖維提供了優(yōu)異的力學(xué)性能，而peek組分則賦予了網(wǎng)絡(luò)良好的韌性和耐疲勞性。這種多功能增強(qiáng)層的引入，有效解決了傳統(tǒng)碳纖維刀架容易產(chǎn)生層間剝離的問(wèn)題。

35、再者，本發(fā)明采用了創(chuàng)新的熱壓成型工藝。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的多階段加熱固化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了樹(shù)脂的充分流動(dòng)和纖維的完全浸潤(rùn)，同時(shí)最小化了內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生。這種工藝不僅提高了產(chǎn)品的一致性，還顯著延長(zhǎng)了刀架的疲勞壽命。特別是在反復(fù)彎曲和沖擊的使用環(huán)境中，這種優(yōu)化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠有效防止微裂紋的萌生和擴(kuò)展。

36、此外，本發(fā)明開(kāi)發(fā)了低溫性能優(yōu)化納米復(fù)合涂層。以pvdf為基體，添加氮化硼納米片和石墨烯量子點(diǎn)，形成了一個(gè)多功能的表面保護(hù)層。pvdf本身就具有優(yōu)異的低溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性，而氮化硼納米片則大幅提高了涂層的耐磨性和導(dǎo)熱性。更為關(guān)鍵的是，石墨烯量子點(diǎn)在涂層表面形成了納米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在冰面上能產(chǎn)生更多的微觀融化點(diǎn)，從而顯著提高刀架的抓地力。

37、最后，本發(fā)明通過(guò)選用高性能t800h級(jí)碳纖維，并優(yōu)化纖維含量，實(shí)現(xiàn)了輕量化與高強(qiáng)度的完美結(jié)合。t800h纖維的超高強(qiáng)度和模量，配合精心設(shè)計(jì)的纖維排布，使得刀架在保持輕量化的同時(shí)，具備了足以應(yīng)對(duì)極限運(yùn)動(dòng)的力學(xué)性能。

38、通過(guò)上述創(chuàng)新，本發(fā)明成功解決了現(xiàn)有碳纖維刀架面臨的諸多技術(shù)難題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明制備的刀架在低溫環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和韌性，疲勞壽命大幅提升，冰面抓地力顯著增強(qiáng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更高的強(qiáng)度-重量比。這些性能的全面提升，為冰上運(yùn)動(dòng)員追求極限表現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的裝備基礎(chǔ)。

39、總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明通過(guò)多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和制造工藝等方面取得了突破性進(jìn)展，為碳纖維刀架的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。