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CN109608827A - 一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料的制备方法 - Google Patents

一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料的制备方法 Download PDF

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李晔
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Abstract

本发明属于预浸料及其复合材料制造技术领域，涉及一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料的制备方法。预浸料真空袋压工艺是一种低成本的复合材料成型技术，对设备场地要求较低，便于推广应用，但真空袋压工艺制备的复合材料普遍存在韧性较差的问题。本发明提出了一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料，树脂采用特定结构尺寸的增韧剂进行改性，所制备的预浸料采用半浸透的浸渍结构，经树脂定向流动后，增韧剂会富集到复合材料纤维层间区域，形成增韧层。该复合材料结构能够抑制冲击载荷下裂纹的产生及沿层间的扩展，减小损伤面积，大幅提高复合材料的韧性性能。

Description

一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于预浸料及其复合材料制备技术领域，涉及一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料的制备方法。
背景技术
热压罐成型工艺制备的复合材料性能优异、质量稳定可靠，目前是最为重要的复合材料成型方法，但其高昂的工艺成本一直被人诟病。真空袋压成型工艺(VBO)无需热压罐罐压，只需通过真空压力即可，由于热压罐设备成本远高于相同容积的烘箱，因此，将预浸料采用真空袋压工艺成型复合材料是一种重要的低成本复合材料技术。
与热压罐工艺相比，真空袋压成型工艺的优势是制造成本明显降低，但也存在着两个问题：一是复合材料内部质量较差。由于真空袋压工艺的成型压力远低于热压罐工艺，不利于抑制复合材料内部孔隙的生成，造成成型后复合材料内部的孔隙率较高。为降低真空袋压成型复合材料中的孔隙率，可以通过优化树脂体系的黏度与反应活性、预浸料的结构形式(最重要的方法是采用半透性浸渍结构)等方法进行控制，从而提高复合材料的内部质量。
另一个问题是复合材料的韧性性能较低。真空袋压工艺成型的复合材料内部质量良好时，其拉伸、压缩、弯曲、短梁剪切等基本力学性能与热压罐成型复合材料是相当的，但韧性性能一般要低得多。这是因为预浸料用树脂基体一般需要添加增韧剂进行改性，增韧剂的添加会明显增加树脂体系的黏度。采用热压罐成型时，较高的压力能够促进树脂流动，并压缩未被排出的气体、挥发分等形成的空隙，保障成型后的复合材料内部质量较好，而真空袋压成型工艺压力低得多，为保障复合材料内部质量，树脂基体中只能不添加或添加少量的增韧剂，因而造成复合材料的韧性较差。
对于复合材料的增韧手段，目前最为有效的方法是层间增韧。层间增韧不同于传统的树脂基体整体增韧，而是将复合材料的增韧区主要限定到复合材料的纤维层间。层间增韧的复合材料在纤维层间区域具有一定的厚度，这使得层间区的面积显著增大，有利于裂纹尖端塑性区的形成，裂纹在层间区的扩展也会耗散更大的能量，从而降低复合材料层间的损伤面积，提高复合材料的韧性性能。特别是，将增韧层控制到复合材料层间时，对树脂体系而言所需要的增韧剂含量并不大。
因此，如何将增韧层控制到复合材料的层间区域，采用真空袋压成型工艺制备出高韧性的复合材料极为重要。
发明内容
本发明的目的是提出了一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料制备方法，其中，树脂基体采用特定结构尺寸的增韧剂进行改性，所制备的预浸料采用半浸透的浸渍结构，选择树脂黏度在5～15Pa·s对应的温度区间，设置保温平台，树脂向预浸料未浸渍区流动，从而使增韧剂富集到纤维层间区域，大幅提高复合材料的韧性性能。
本发明技术方案如下：一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用增韧剂对树脂基体进行改性；
2)将增强纤维与步骤1)中的改性树脂基体复合为半浸透结构的预浸料；
3)将步骤2中的半浸透结构的预浸料采用真空袋压工艺成型，通过树脂定向流动，在增强纤维的过滤效应下，使增韧剂富集到复合材料纤维层间区域，形成增韧层。
优选地，步骤1)中所述的增韧剂为聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚氨酯、聚苯醚中的一种或两种及以上的组合。
优选地，步骤1)中所述增韧剂尺寸为2～10μm。
优选地，步骤1)中所述的采用增韧剂对树脂基体进行改性，增韧剂重量含量为3～10％。
优选地，步骤2)中所述的增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维。
优选地，步骤2)中所述的半浸透结构预浸料，浸渍程度为30～70％。
优选地，步骤3)中所述的复合材料，其纤维体积含量为50～60％。
优选地，步骤3)中所述的树脂定向流动，其方法是选择树脂黏度在5～15Pa·s对应的温度区间，设置保温平台，使树脂向预浸料未浸渍区流动。
本发明的优点是提出的真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料，采用低成本的方法能够成型高韧性的复合材料，使复合材料的韧性性能接近热压罐工艺的水平，有助于复合材料的大面积推广应用，将产生极高的经济效益。
附图说明
图1为高韧性预浸料结构演化示意图
图2为采用真空袋压工艺成型的未增韧复合材料层板显微结构
图3为采用真空袋压工艺成型的增韧复合材料层板显微结构
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下所做出的若干变形和改进，都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例为真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料制备方法。如图1所示，步骤如下：
1)树脂选用真空袋压工艺用环氧树脂LT90(中航复合材料有限公司产品)。采用平均粒径为5μm的热塑性聚酰亚胺粉体对环氧树脂LT90进行增韧改性，聚酰亚胺粉体在环氧树脂中的重量占比为7％，将混合料经三辊机混合均匀；
2)采用CCF800碳纤维(威海拓展纤维有限公司产品)作为增强材料，采用热熔法工艺制备预浸料，预浸料纤维面密度为145g/m2，树脂含量为35％。碳纤维与树脂膜的复合温度为80℃，生产速率为2mm/min，此时所制备的预浸料为半浸透状态，浸渍程度为40％；
3)将预浸料进行下料、铺贴，然后采用真空袋压工艺对进行封装。在固化成型过程中，选择120℃作为保温台阶，时间为90min，此时环氧树脂LT90黏度在10Pa·s左右，树脂在真空压力作用下向预浸料未浸渍区迁移，而热塑性聚酰亚胺粉体被纤维阻隔，无法向预浸料内部的未浸渍区流动，从而使聚酰亚胺粉体富集到纤维层间，形成具有一定厚度的增韧层。如图2、图3所示，之后将预浸料层板升温至180℃保温2h，完成复合材料的固化成型。
4)将复合材料按照相应测试标准进行试样加工与测试，从测试结果来看，增韧前后复合材料基本力学性能差异不大，但增韧后复合材料的韧性性能(CAI)提高了60％，增韧前后复合材料性能如下：
测试项目 测试方法 增韧前 增韧后
0°拉伸强度/MPa ASTM D3039 2503 2579
0°拉伸模量/GPa ASTM D3039 161 155
0°压缩强度/MPa ASTM D6641 1075 1058
0°压缩模量/GPa ASTM D6641 146 145
弯曲强度/MPa ASTM D7264 1898 1976
弯曲模量/GPa ASTM D7264 139 137
纵横剪切强度/MPa ASTM D3518 84.2 97.6
纵横剪切模量/GPa ASTM D3518 3.8 4.0
CAI/MPa ASTM D7136&7137 153 245
实施例2
本实施例为真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料制备方法。步骤如下：
1)树脂选用真空袋压工艺用环氧树脂LT90。采用平均粒径为3μm的热塑性聚醚砜粉体对环氧树脂LT90进行增韧改性，聚醚砜粉体在环氧树脂中的重量占比为6％，将混合料经三辊机混合均匀；
2)采用CCF300碳纤维(威海拓展纤维有限公司产品)作为增强材料，采用热熔法工艺制备预浸料，预浸料纤维面密度为133g/m2，树脂含量为34％。碳纤维与树脂膜的复合温度为80℃，生产速率为2mm/min，此时所制备的预浸料为半浸透状态，浸渍程度为50％；
3)将预浸料进行下料、铺贴，然后采用真空袋压工艺对进行封装。在固化成型过程中，选择120℃作为保温台阶，时间为90min，此时环氧树脂LT90黏度在10Pa·s左右，树脂在真空压力作用下向预浸料未浸渍区迁移，而热塑性聚醚砜粉体被纤维阻隔，无法向预浸料内部的未浸渍区流动，从而使聚醚砜粉体富集到纤维层间，形成具有一定厚度的增韧层。之后将预浸料层板升温至180℃保温2h，完成复合材料的固化成型。
4)将复合材料按照相应测试标准进行试样加工与测试，从测试结果来看，增韧前后复合材料基本力学性能差异不大，但增韧后复合材料的韧性性能(CAI)提高了52％，增韧前后复合材料性能如下：
测试项目 测试方法 增韧前 增韧后
0°拉伸强度/MPa ASTM D3039 1663 1675
0°拉伸模量/GPa ASTM D3039 128 124
0°压缩强度/MPa ASTM D6641 1235 1206
0°压缩模量/GPa ASTM D6641 122 120
弯曲强度/MPa ASTM D7264 1546 1593
弯曲模量/GPa ASTM D7264 117 116
纵横剪切强度/MPa ASTM D3518 126 122
纵横剪切模量/GPa ASTM D3518 4.15 4.07
CAI/MPa ASTM D7136&7137 148 225

Claims (8)

1.一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用增韧剂对树脂基体进行改性；
2)将增强纤维与步骤1)中的改性树脂基体复合为半浸透结构的预浸料；
3)将步骤2中的半浸透结构的预浸料采用真空袋压工艺成型，通过树脂定向流动，在增强纤维的过滤效应下，使增韧剂富集到复合材料纤维层间区域，形成增韧层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述的增韧剂为聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚氨酯、聚苯醚中的一种或两种及以上的组合。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述增韧剂尺寸为2～10μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述的采用增韧剂对树脂基体进行改性，增韧剂重量含量为3～10％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的半浸透结构预浸料，浸渍程度为30～70％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述的复合材料，其纤维体积含量为50～60％。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述的树脂定向流动，其方法是选择树脂黏度在5～15Pa·s对应的温度区间，设置保温平台，使树脂向预浸料未浸渍区流动。
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