本發(fā)明涉及光伏支架，具體是一種輕質(zhì)高強碳纖維增強鋁合金光伏支架及其制備工藝。

背景技術：

1、隨著全球能源結(jié)構轉(zhuǎn)型的加速推進，光伏發(fā)電系統(tǒng)作為可再生能源的重要載體，其關鍵支撐結(jié)構——光伏支架的性能優(yōu)化日益受到關注。傳統(tǒng)光伏支架常為鋁合金材質(zhì)，盡管其力學性能較差，但其具有優(yōu)異的耐腐蝕性和加工性能，因而在早期光伏支架中得到廣泛應用。但隨著光伏電池板尺寸的增加，尤其是海上光伏等大尺寸光伏電池板的普及應用，新場景對光伏支架輕量化、高效率和耐久性等方面提出了新的要求，傳統(tǒng)鋁合金光伏支架由于其強度和耐久性差的限制，極易發(fā)生各種載荷下的屈曲失效，已經(jīng)不適合作為新應用場景下的光伏支架應用要求。

2、碳纖維作為輕質(zhì)、高強、耐腐蝕的新材料杰出代表，廣泛的應用于多種領域。其密度僅為鋼的1/5左右，但其強度卻為鋼的8倍，非常適合用于有減重和承重需求的框架結(jié)構材料。但碳纖維表面以石墨結(jié)構為主，致密且光滑，活性碳原子數(shù)量少，表面能低，導致表面浸潤性能較差，與金屬基體的界面結(jié)合強度較弱。

3、因此，改善碳纖維與金屬基體的界面結(jié)合性能，并用其增強改善鋁合金光伏支架的相關性能，以滿足光伏支架在更嚴峻的場景中的應用是具有重要意義的。基于此，本發(fā)明將提供一種輕質(zhì)高強碳纖維增強鋁合金光伏支架及其制備工藝。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種輕質(zhì)高強碳纖維增強鋁合金光伏支架及其制備工藝，以解決上述背景技術中提出的問題。

2、為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供如下技術方案：

3、一種輕質(zhì)高強碳纖維增強鋁合金光伏支架的制備工藝，包括以下步驟：

4、步驟1：對碳纖維編織布進行預處理，得到預處理碳纖維編織布；

5、步驟2：將預處理碳纖維編織布放入鍍鎳液中，經(jīng)化學鍍鎳，清洗，干燥，退火，得到鍍鎳碳纖維編織布；

6、步驟3：在模具中間固定放置鍍鎳碳纖維編織布，同時向其中導入鋁合金金屬液，經(jīng)軋制，爐冷，退火，得到光伏支架部件；再將光伏支架部件組裝，得到輕質(zhì)高強碳纖維增強鋁合金光伏支架。

7、進一步地，所述預處理包括灼燒處理、一次清洗處理、粗化氧化處理、二次清潔處理四步處理；

8、其中，所述灼燒處理的具體過程為：于空氣或氧氣氛圍下，將碳纖維編織布加熱至400～500℃灼燒5～20min，待其自然冷卻至室溫，完成灼燒處理；

9、所述一次清潔處理的具體過程為：灼燒處理后，將碳纖維編織布放入去離子水中，超聲清洗5～15min，取出，干燥，完成一次清潔處理；

10、所述粗化氧化處理的具體過程為：一次清潔處理后，將碳纖維編織布放入到酸溶液中，于60～80℃下浸泡處理0.5～2h，完成粗化氧化處理；

11、所述二次清潔處理的具體過程為：粗化氧化后處理后，將碳纖維編織布放入去離子水中，超聲清洗5～15min，取出，再用去離子水漂洗1～2次，干燥，完成二次清洗處理，得到預處理碳纖維編織布。

12、進一步地，所述酸溶液為濃硝酸溶液或濃硝酸與濃硫酸以體積比1:(1～3)混合得到的混合酸溶液；其中濃硝酸的濃度為65wt％，濃硫酸的濃度為96wt％。

13、本發(fā)明中對碳纖維編織布進行了四步預處理，首先對其進行灼燒處理，在高溫氧化條件下，既可以有效去除碳纖維表面的油污、膠層等雜質(zhì)，還可以使碳纖維編織布表面出現(xiàn)一些微小的如凹槽、坑洞類的缺陷，同時冷卻后，碳纖維編織布表面也會引入一些含氧官能團。其中，雜質(zhì)的去除、微小缺陷的增加以及含氧官能團的引入均可以提高后續(xù)鍍鎳層與碳纖維紡織布的結(jié)合力，從而避免鍍鎳層與碳纖維紡織布出現(xiàn)分層，形成界面缺陷，使鋁合金光伏支架的力學性能達不到理想的增強效果?？紤]到灼燒過程，碳纖維紡織布的微觀狀態(tài)并不容易控制，若灼燒過度，會使得碳纖維紡織布過度氧化，其質(zhì)量和力學性能會發(fā)生顯著下降，便不能夠有效發(fā)揮到增強鋁合金光伏支架的作用，因此，本發(fā)明中對灼燒溫度、灼燒時間進行了控制，限定灼燒溫度在400～500℃，灼燒時間在5～20min。灼燒處理后，對碳纖維紡織布進行了一次清潔處理，主要是為了去除因灼燒殘留在碳纖維紡織布上的無機物以及碳顆粒等雜質(zhì)。接著本發(fā)明對碳纖維紡織布進行粗化氧化處理，該處理過程為了進一步增加碳纖維紡織布的表面粗糙度和含氧官能團數(shù)量，以提高鍍鎳層與碳纖維紡織布的結(jié)合力；考慮到前述灼燒處理后的碳纖維編織布的表面粗糙度已經(jīng)有所增加，且表面粗糙度過大會削弱鍍鎳層與碳纖維紡織布的機械嵌合力，因此本發(fā)明對碳纖維紡織布的粗化氧化處理進行了縮減，限定粗化氧化處理時間為1～2h；最后二次清洗處理去除碳纖維編織布表面殘留的酸以及雜質(zhì)，得到預處理碳纖維編織布。

14、進一步地，所述鍍鎳液包括以下組分：按濃度計，六水合硫酸鎳40～60g/l、次磷酸鈉30～50g/l、酒石酸40～60g/l、檸檬酸鈉10～15g/l、十二烷基硫酸鈉0.1～0.3g/l、羥乙基磺酸鈉0.05～0.2g/l、n,n-二乙基丙炔胺甲酸鹽0.02～0.05g/l、硫酸鑭0.01～0.02g/l，以去離子水作為溶劑，加入10wt％的硫酸溶液調(diào)節(jié)ph至4.6～5。

15、進一步地，所述鍍鎳液中還包括以下組分：按濃度計，碳纖維粉0.5～1g/l、納米銅粉0.5～1g/l。

16、進一步地，所述碳纖維粉的長度為50μm，直徑為11μm。

17、進一步地，所述納米銅粉的粒徑為50nm。

18、進一步地，所述化學鍍鎳的參數(shù)為：鍍鎳溫度為50～70℃，鍍鎳時間為0.5～2h。

19、本發(fā)明中配制了鍍鎳液，該鍍鎳液穩(wěn)定性好，鍍鎳效率高，得到的鍍鎳層質(zhì)量致密均勻。鍍鎳液中，六水合硫酸鎳提供鎳離子，次磷酸鈉作為還原劑，兩者反應，在預處理碳纖維編織布上將鎳離子還原成鎳；酒石酸作為絡合劑，降低鎳離子活性，避免鍍鎳過程過快，具有穩(wěn)定鍍鎳液的作用；檸檬酸鈉則作為輔助絡合劑和緩沖劑，輔助酒石酸穩(wěn)定鍍鎳液的同時，還可以調(diào)節(jié)鍍鎳液的ph值，避免鍍鎳液ph值波動過大，影響鍍鎳層的質(zhì)量；十二烷基硫酸鈉作為表面活性劑，可以增強鍍鎳液對預處理碳纖維編織布的潤濕性，使得鍍鎳層的質(zhì)量更為均勻致密；羥乙基磺酸鈉、n,n-二乙基丙炔胺甲酸鹽兩者一方面可進一步輔助增強鍍鎳液的穩(wěn)定性，另一方面可作為光亮劑，提高鍍鎳層的質(zhì)量；硫酸鑭作為稀土添加劑，其可以促進鎳離子還原，提高鍍鎳層的沉積速率和質(zhì)量；若僅是單一的在預處理碳纖維編織布表面沉積鎳，隨著鍍鎳時間的增加，得到的鍍鎳碳纖維編織布的延伸率會逐漸下降，而延伸率下降，最終會使得制備得到的光伏支架的抗變形能力下降，因此，方案中為了進一步增強鍍鎳層的機械性能，加入了碳纖維粉和納米銅粉作為增強劑，同時兩者還可提高后續(xù)與鋁合金的結(jié)合力。

20、進一步地，步驟2中，所述退火的參數(shù)為：氫氣氛圍下，以5～10℃/min的升溫速率升溫至400～500℃，保溫1～2h，爐冷。

21、進一步地，所述鋁合金金屬液包括以下成分：按百分數(shù)計，cu≤0.1wt％、si≤0.4wt％、fe≤0.4wt％、mn?0.4～1wt％、mg?4～4.9wt％、zn≤0.25wt％、cr?0.05～0.25wt％、ti≤0.15wt％，余量為al。

22、進一步地，所述鋁合金金屬液中還包括鍍鎳碳纖維1～2wt％；其中，鍍鎳碳纖維由碳纖維經(jīng)步驟1、步驟2的方法制備得到，碳纖維的長度為2mm，直徑為11μm。

23、本發(fā)明中設計進一步在鋁合金金屬液中加入碳纖維，用以增強光伏支架的力學性能，但考慮到單一碳纖維加入到鋁合金中，碳纖維與鋁合金的界面結(jié)合能力并不好，反而會使制備得到的光伏支架的性能受到一定負影響。因此，本發(fā)明中基于前述對碳纖維編織布的處理方法，進一步采用該方法對碳纖維進行處理，得到鍍鎳碳纖維，該鍍鎳碳纖維與鋁合金界面結(jié)合緊密，可以有效地對鋁合金進行增強，進而使制備得到的光伏支架具有更好的力學性能。

24、進一步地，步驟3中，所述退火的參數(shù)為：以5～10℃/min的升溫速率升溫至300～400℃，保溫1～2h，爐冷。

25、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所達到的有益效果是：

26、(1)本發(fā)明對碳纖維編織布經(jīng)四步預處理，得到預處理碳纖維編織布；其表面干凈無雜質(zhì)，具有較高的表面粗糙度和含氧官能團數(shù)量，且碳纖維編織布的整體力學性能衰減較少，在后續(xù)能夠與鍍鎳層形成穩(wěn)定的結(jié)合作用，進而對鋁合金光伏支架的力學性能起到有效增強作用；

27、(2)本發(fā)明中配制了鍍鎳液，該鍍鎳液穩(wěn)定性好，鍍鎳效率高，得到的鍍鎳層質(zhì)量致密均勻；為了進一步增強鍍鎳層的機械性能，鍍鎳液中加入了碳纖維粉和納米銅粉作為增強劑，同時兩者還可提高后續(xù)與鋁合金的結(jié)合力；

28、(3)本發(fā)明中基于前述對碳纖維編織布的處理方法，進一步采用該方法對碳纖維進行處理，得到鍍鎳碳纖維，該鍍鎳碳纖維與鋁合金界面結(jié)合緊密，可以有效地對鋁合金進行增強，進而使制備得到的光伏支架具有更好的力學性能、耐磨性能以及耐腐蝕性能；

29、(4)本發(fā)明中以鍍鎳碳纖維編織布為中間增強基材，同時在鋁合金金屬液中引入鍍鎳碳纖維，兩者協(xié)同，綜合制備得到了一種力學性能優(yōu)異，且具有更高安全性、適用性以及耐久性的鋁合金光伏支架。