碳纤维复合材料在笔记本电脑外壳上的应用

68 模具工业 2011年第 37卷第 1期 碳纤维复合材料在笔记本电脑外壳 上的应用 边彬辉 1, 尹高喜 1, 张赛军 2, 练绪波 1, 汪智勇 1 ( 1. 群达模具(深圳)有限公司, 广东 深圳 518129; 2. 华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640) 摘要: 介绍了短碳纤维增强复合塑料、热固性连续性碳纤维复合板材、热塑性连续性碳纤维复合板材、 碳纤维复合薄膜等 4种碳纤维复合材料在笔记本电脑外壳上的应用, 并作出了展望。碳纤维与工程塑 料、环氧树脂、PMMA等树脂复合后制备的笔记本电脑外壳,在同等强度条件下,相比传统工程塑料制备 的笔记本电脑外壳, 厚度可减薄 50% ~ 60% , 重量减轻 40% ~ 50% , 而且拥有良好的耐候性和耐腐蚀 性。指出碳纤维复合材料研究的快速发展将会推动笔记本电脑市场的巨大变革,使笔记本电脑向着�更 轻、更薄、更强�方向快速发展。 关键词:碳纤维;复合材料;笔记本电脑外壳;模具 中图分类号: TG76; TQ320. 67 文献标识码: B 文章编号: 1001- 2168( 2011) 01- 0068- 05 Application of carbon fiber composite in forming notebook computer case BIAN Bin- hui1, YIN Gao- xi1, ZHANG Sai- jun 2, LIAN Xu- bo1, WANG Zhi- yong 1 (1. Kunda Mould ( Shenzhen) Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518129, China; 2. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China) Abstract: Carbon fiber has good resistance to weather and corrosion and shows excellent perfor� mance: light and strong. On identical strength conditions, the thickness and weight of notebook computer case made of carbon fiber compounded with engineering plastic, epoxy resin or PMMA can be reduced by 50% ~ 60% and 40% ~ 50% respectively compared to that made of traditional engi� neering plastics, In this paper, the application of four kinds of carbon fiber composites, short car� bon fiber reinforced composite plastic, thermosetting continuous carbon fiber composite sheet, ther� moplastic continuous carbon fiber composite sheet and carbon fiber composite film in notebook computer case was introduced. Key words: carbon fiber; composite material; notebook computer case; mould 收稿日期: 2010- 08- 20。 作者简介: 边彬辉 ( 1984- ) , 男, 河南叶县人, 高级工程师, 主要 从事 IML笔记本、手机外壳 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面装饰技术研究, 地址: 广东深圳 市龙岗区坂田街道办坂田大道南 6号群达模具 (深圳) 有限公司 IMD研发部, (电话) 13691846850, (电子信箱) yqdyf06@kunda. com。 1 引 言 碳纤维是由含碳量较高、在热处理过程中不熔 融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及 石墨化等工艺制成的, 其含碳量随种类不同而异, 一般在 90%以上, 碳纤维微分子结构如图 1所示。 碳纤维具有一般碳素材料的特性, 如耐高温、耐磨 图 1 碳纤维微分子结构 擦、导电、导热及耐腐蚀等, 但与一般碳素材料不同 的是, 其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各 69模具工业 2011年第 37卷第 1期 种织物, 沿纤维轴向方向表现出很高的强度, 碳纤 维编织布如图 2所示。碳纤维比重小, 具有很高的 比强度 [ 1]。 图 2 碳纤维编织布 碳纤维的特性决定了其主要用途是与树脂、金 属、陶瓷等高强度基体材料复合,制成复合材料。复 合后的材料保持了碳纤维轴向的高强度和树脂、金 属、陶瓷等材料的高强度, 其比强度、比模量综合指 标在现有材料中是最高的 [ 2]。在密度、刚度、重量、疲 劳特性等有严格要求的领域和要求高温、化学稳定 性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。 碳纤维复合材料的应用起源于航空航天领域 发展的需求。航空器要求自身结构件的重量越轻越 好,强度越高越好。碳纤维复合材料以其质轻、耐疲 劳以及良好的导热、耐磨性能广泛应用于人造卫 星、飞机的机构功能件、内饰材料和结构隐身材料 等关键部件。 随着世界经济的发展, 碳纤维复合材料已逐渐 由军事、航天领域转向民用领域。近年来,笔记本电 脑正朝着�更轻、更薄、更强�方向发展, 碳纤维复合 材料其优越的特性可以让笔记本外壳变得更薄、强 度更好。因此, 碳纤维复合材料正逐步应用于笔记 本电脑外壳制造,如图 3、4所示。 图 3 碳纤维复合材料制造笔记本外壳 图 4 碳纤维复合材料制造笔记本顶盖 目前,碳纤维复合材料应用于笔记本电脑外壳, 主要有短碳纤维增强复合塑料、热固性连续性碳纤 维复合板材、热塑性连续性碳纤维复合板材、碳纤维 复合薄膜 4种。 2 短碳纤维增强复合塑料( CFRP)应用于笔记本电 脑外壳 碳纤维增强复合塑料是一种新型复合材料, 由 碳纤维和基体塑料复合而成。它具有比强度高和比 模量高(碳纤维的比强度是钢的 6倍,铝的 17倍,比 模量是钢和铝的 3倍以上)、弹性好、耐疲劳、耐磨 性、耐振动性好、良好的导热和耐热性等特点, 可在 - 120~ 350 ! 工作, 还具有良好的自润滑性及稳定 的化学性能, 耐强酸、强碱和各种溶剂,也是减振、消 音的良好材料。 目前常用的碳纤维增强复合塑料是在工程塑料 制备过程中加入一定数量的连续性碳纤维, 制备完 成的塑料为长管状, 将一定数量的短碳纤维包裹在 中心, 之后, 裁切成不同长度的塑料粒, 一般为 5~ 20mm,如图 5所示。塑料粒中纤维的数量以碳纤维 在整颗塑料粒中所占的体积来衡量。根据产品强度 的需要,碳纤维的添加量为 5% ~ 50%。 图 5 碳纤维增强复合塑料粒 70 模具工业 2011年第 37卷第 1期 碳纤维增强复合塑料产品可采用注射成型。碳 纤维含量越高, 注射成型后的产品强度越高, 刚性 越好; 但注射成型的难度也随之增大, 对注塑机的 螺杆、热流道系统等要求更为严格。碳纤维长度越 长, 在注射成型过程中对注塑机螺杆的磨损就越严 重。因此, 螺杆表面的硬度要求就更为严格。由于塑 料原料中碳纤维的添加, 使塑料的流动性下降, 注 塑机螺杆的剪切能力就要求更高, 以便将塑料快速 熔融。塑料熔体流动性的下降使得塑料熔体在从喷 嘴进入模具型腔的过程中消耗更多的时间, 自身温 度迅速下降, 使成型困难, 型腔易出现熔体填充不 满现象。因此, 碳纤维增强复合塑料的注射成型必 须使用热流道系统, 减少进料过程中的热量流失。 成型后的制品由于纤维的存在, 易存在应力集 中, 导致产品翘曲变形, 所以产品厚度 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 要尽量 保证过渡平稳。随着纤维含量的增高, 成型后许多 纤维会附在产品表面, 造成凸凹不平, 会使笔记本 电脑的外壳变得粗糙。因此, 20%以上纤维含量的 塑料原料不适于厚 0. 125~ 0. 188 mm的 PET薄膜和 作为笔记本外壳表面装饰的模内镶嵌注射成型 ( IML)。成型后的粗糙外壳表面可以进行喷漆处理, 为提高外壳表面硬度, 在喷漆之后可以再进行喷 UV处理。 碳纤维增强复合塑料可以通过注射的方式成 型, 解决了碳纤维自身不能注射成型的缺点, 可以 容易地做出结构复杂的零件。 目前, 联想、索尼、华硕、宏基等品牌都已成功 地将碳纤维增强复合塑料应用到电脑外壳的制造 中。 3 热固性连续性碳纤维复合板材应用于笔记本电 脑外壳 短碳纤维复合增强塑料虽然易于成型, 但塑料 始终占了其质量的大部分, 碳纤维质量轻、拉伸强 度高、传热性高的突出优势未能得到很好的体现。 因此, 一种以环氧树脂 (热固性树脂) 为基体、连续 性碳纤维成分含量占据主体的热固性碳纤维复合 板材便出现了, 如图 6所示。 热固性连续性碳纤维复合板材的常用制备方 法为: 碳纤维编织布与环氧树脂基体模内浇注热压 成型。 环氧树脂是泛指分子中含有 2个或 2个以上环 氧基团的有机高分子化合物, 除个别外, 它们的相 图 6 热固性连续性碳纤维复合板材 对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子 链中含有活泼的环氧基团为其特征, 环氧基团可以 位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子 结构中含有活泼的环氧基团, 使它们可与多种类型 的固化剂发生交联反应形成不溶、不熔的具有三向 网状结构的高聚物。环氧树脂形式多样,固化方便, 粘附力强,固化时的收缩率低,内应力小, 有优良的 力学性能、高介电性能、特殊的化学稳定性、尺寸稳 定性、耐霉菌。正因为环氧树脂这些优良的性能,以 环氧树脂为基材成型的碳纤维复合板材可以在苛刻 的热带条件下使用。 碳纤维布一般选用日本东丽公司( TORAY)优质 碳纤维双向编织而成 (双向可以保证笔记本外壳不 易变形, 且笔记本横向和纵向均能保持强度和韧 性) ,该类型的碳纤维与环氧树脂复合可以最大程度 地发挥二者的优势。 热固性连续性碳纤维复合板材笔记本外壳的成 型工艺是将浸渍树脂后的碳纤维双向布平铺在笔记 本外壳成型模具内, 加热使环氧树脂固化后成型。 碳纤维布必须与树脂很好地浸泡, 确保环氧树脂与 碳纤维融合良好, 碳纤维布要平整地铺于模腔, 确保 纹路平整、不变形。成型后的笔记本外壳脱模后应 尽快平整放置 24 h后再进行切边 (环氧树脂完全固 化时间要 24 h, 在其固化前, 放置不良将导致产品变 形,而且完全固化后表面硬度会达到最高)。 基于环氧树脂连续性碳纤维复合板材成型的笔 记本电脑外壳 (见图 7) , 在保持碳纤维特有的立体 编织纹路和光泽的基础上, 与传统产品在同等强度 条件下,厚度可减薄 50%, 重量减轻 40% , 而且拥有 良好的耐候性和耐腐蚀性。 但其缺点是表面环氧树脂较脆, 外壳跌落时易 碎, 成型后完全定型需要较长时间, 生产效率较低, 笔记本外壳内部结构件无法成型, 需要将结构件另 71模具工业 2011年第 37卷第 1期 图 7 热固性连续性碳纤维(双向)复合材料笔记本外壳 外注射成型后与碳纤维外壳粘和, 而且环氧树脂固 化后属于难粘合物质,增加了工序和成本。 4 热塑性连续性碳纤维复合板材应用于笔记本电 脑外壳 针对热固性碳纤维复合板材的缺陷, 以 PMMA、 ABS等热塑性塑料为基体, 采用连续性碳纤维增强 的热塑性连续性碳纤维复合板材应运而生 [3], 如图 8、9所示。 图 8 热塑性( PMMA)连续性碳纤维(单向)复合板材 图 9 热塑性( PMMA)连续性碳纤维 (双向 )复合板材 [4] 热塑性连续性碳纤维复合板材的优势在于其 可以热压成型, 表面易于粘结, 基于模内镶嵌注射 成型工艺可以方便地成型内部结构件, 如图 10所 示。笔记本电脑外壳一般选用以 PMMA为基体的热 塑性碳纤维复合板材, 因为 PMMA成型的塑件强度 较高, 且与碳纤维融合性能良好, 复合成的材料性 能、工艺均优于基材,从而使这种复合材料的应用性 能和应用领域得到了拓展。 图 10 热塑性连续性碳纤维(单向)热压成型笔记本外壳 合成的复合材料笔记本电脑外壳相对传统的热 固性复合材料具有如下优势: ( 1) 同等强度下热塑性连续性碳纤维复合材料制 得的笔记本电脑外壳厚度要比热固性碳纤维复合材 料制得的笔记本电脑外壳厚度减薄 10%, 重量减轻 10%。 ( 2)易延展性能使最终产品更具韧性, 且难以损 坏。 ( 3)热塑性碳纤维复合板材的制备产能很高,用 低压加热成型的方法可以快速、高效地成型笔记本 电脑外壳,易于大批量生产。 ( 4)在增强纤维,构造形式和外观方面的选择范 围更广。 ( 5)热塑性产品可回收利用。 但热塑性连续性碳纤维复合板材用于笔记本外 壳热成型时, 由于厚度较厚 ( 1~ 1. 2mm) , 加热时厚 度方向存在温度梯度。若板材上下面温差较大, 热 成型后的笔记本电脑外壳易出现回弹,尺寸改变,从 而导致报废。因此, 必须保证热塑性连续性碳纤维 复合板材加热的均匀性,并保持足够的冷却时间。 5 碳纤维复合薄膜应用于笔记本电脑外壳装饰 以上 3种碳纤维复合材料在笔记本电脑外壳上 的应用都是基于其功能优势。但性能优良的碳纤维 材料基本进口于日本, 而且优良的碳纤维还属于军 事、航天航空等关键领域的重要材料,被列入各国战 略控制物资范畴, 所以碳纤维价格高昂,以此制备的 碳纤维复合材料笔记本电脑外壳当然成本不菲, 只 能用于笔记本电脑高端市场, 但其独特的光泽和纹 路使笔记本外壳显露着高贵、神秘的色彩。 72 模具工业 2011年第 37卷第 1期 基于 IML工艺的碳纤维复合薄膜厚度一般为 0. 3~ 0. 4mm, 以 PMMA或环氧树脂为基体复合了 一层连续性碳纤维, 通过模内注射或胶粘的方式覆 于笔记本电脑外壳。出于外观需求, 而非结构功能 需要, 碳纤维只用了 1层, 这就极大地降低了成本, 从而满足了人们对碳纤维笔记本电脑外观的渴 求。基于 IML工艺的碳纤维薄膜笔记本外壳如图 11 所示。 图 11 基于 IML工艺的碳纤维薄膜笔记本外壳 6 碳纤维复合材料在笔记本电脑行业的应用展望 随着碳纤维复合材料制备技术的日益成熟, 越 来越多的高性能、优质、环保碳纤维复合材料将会问 世, 这将使得碳纤维复合材料在笔记本电脑行业的 应用越来越广泛。碳纤维复合材料不仅用于电脑外 壳制备, 还可用于电脑键盘等小型功能结构件的制 备, 可让人们敲击键盘更省力。大范围使用碳纤维 复合材料将会在增加笔记本电脑强度的同时极大地 减轻笔记本电脑的重量、厚度, 使其更易携带, 从而 大大推动笔记本电脑市场的发展。 参考文献: [ 1]贺 福,王茂章.碳纤维及其复合材料 [M] .北京 :科学 出版社, 1997: 45- 46. 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[ 4]吴慧欣.三维建模技术的研究与应用[ D] . 西安:西安建 筑科技大学, 2004: 10- 15. 思瑞测量技术(深圳)有限公司推出新一代全系列影像测量设备 2010年 11月,海克斯康集团下属的思瑞测量技术(深圳)有限公司举办影像测量机新产品发布会, 推出新一代全系列影像测量设备, 商务运营总监曹银华先生对新产品作了介绍。新一代影像测量设备 是依托海克斯康集团先进的影像技术开发而成的,完美地结合了传统的光学和最新的计算机图像处理 技术, 可以对零件上的点、线、圆等基本元素作精密测量, 具有批量 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 和 SPC功能, SVM DCC Classic 系列全自动影像测量机和 SVM DCC Advance系列影像测量仪采用业界的标杆软件 PC_DMIS VISION, 核心算法经国际权威认证机构 PTB认证。具有操作简单、测量速度快、性能优良稳定、价格适中等特 点,可广泛应用于模具、塑胶、电子、金属制品、金属加工等领域, 尤其是连接器、精密夹具、家电制品、精 密冲压件、PCB线路板、电脑、汽车相关零配件、手机配件、医疗器械、机械配件等行业的测量。 (郑利文 报道)