CN111004407A

CN111004407A - 一种预浸料及制备方法

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Publication number: CN111004407A
Application number: CN201911174274.1A
Authority: CN
Inventors: 陈哲明; 欧秋仁; 董大为; 张帅; 陈超
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2020-04-14

Abstract

本发明提出一种预浸料及制备方法，由连续增强纤维、薄层网毡和树脂组成，采用热熔法双面树脂膜浸渍连续增强纤维和薄层网毡复合而成，薄层网毡位于连续增强纤维一侧；树脂占预浸料的质量百分比不超过15％，连续增强纤维占预浸料的质量百分比不低于80％，其余为薄层网毡。本发明通过预浸料结构设计和制备工艺控制，使预浸料满足后续分切工艺以及RTM成型工艺需求，且便于存储、运输。

Description

一种预浸料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种预浸料及制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料由于其轻质、高强高韧性等优异性能在航空航天结构中得到广泛应用。近年来，各种低成本化成型技术发展推动纤维增强树脂基复合材料的应用范围扩大，应用场景更加丰富。树脂传递模塑(RTM)工艺是针对先进复合材料的低成本化最早研发的液态成型技术。RTM成型过程中首先将干态纤维使用定型剂搭接固定或直接将织物预成型体置于闭合模具中，然后注入树脂基体，经固化成型即可获得具有优良综合性能的近净尺寸复合材料构件。对于RTM成型工艺而言，定型预制技术是其首要的关键技术，纤维预成型体的结构自支撑能力将直接影响到后续RTM成型工艺中树脂对预成型体的浸润效果、内部质量及结构性能。

预浸料技术是一种将树脂预聚体与纤维或织物在固化成型前预浸复合的工艺方法，易于储存且使用便捷，同时具有良好的表面黏性，便于铺叠成型，纤维准直度高，利于复合材料构件内部应力传递。传统的RTM工艺直接使用干态纤维或织物，存在纤维预制体铺制、定性困难等技术难题，尤其是对于大尺寸制件的RTM成型，使用传统工艺存在人工刷涂定型剂效率低，材料体系均匀性和稳定性差等问题，因此本发明提出一种适用于RTM预制体自动化铺制成型的低树脂含量预浸料，可将预浸料的诸多性能优势应用至RTM成型工艺中，以解决上述问题。目前存在的技术难题有：1)适用于RTM成型的预浸料树脂含量需控制在较低的水平，浸渍均匀性控制困难；2)低树脂含量预浸料须满足分切工艺需求，以得到适用于预制体自动化铺制系统的预浸丝束，然而由于预浸料树脂含量低，在分切过程中丝束易发生劈裂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种可适用于RTM成型的低树脂含量预浸料及制备方法，将预浸料的性能优势和技术优势应用至预制体编织技术中，以改进现有技术的不足，促进RTM成型的推广应用。

本发明的技术解决方案：一种预浸料，其特征在于：由连续增强纤维、薄层网毡和树脂组成，采用热熔法双面树脂膜浸渍连续增强纤维和薄层网毡复合而成，薄层网毡位于连续增强纤维一侧；树脂占预浸料的质量百分比不超过15％，连续增强纤维占预浸料的质量百分比不低于80％，其余为薄层网毡。

一种预浸料制备方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

第一步，制备树脂膜；

第二步，将薄层网毡一侧与第一步制备的树脂膜预浸复合粘接在一起，得到树脂膜/薄层网毡；

第三步，将第二步的树脂膜/薄层网毡、连续增强纤维、树脂膜采用热熔法浸渍复合得到预浸料。

一种上述方法制备的预浸料，用于RTM预制体编织。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明通过预浸料结构设计和制备工艺控制，使预浸料满足后续分切工艺以及RTM成型工艺需求，且便于存储、运输；

(2)本发明通过双面树脂膜浸渍复合，使树脂起到粘接作用，以及单面贴覆薄型网毡提供横向附着力，防止预浸料丝束在分切过程中发生劈裂；

(3)本发明纤维的准直度高，且有树脂粘接，纤维不易发生屈曲变形，使预制体编织的技术难度下降且有利于提高产品质量可靠性；

(4)本发明自有的表面粘性可提供定型支撑力，免去干态纤维或织物和定型剂配合使用的过程，同时定型剂分布均匀性可控；

(5)本发明预浸丝束可满足预制体自动化编织铺放工艺需求，提高大尺寸样件预制体铺制效率，降低工艺复杂度，节约成本；

(6)表面贴覆的薄层网毡可起到导流作用，在RTM成型的树脂注入过程中引导树脂浸渍纤维增强体，降低复合材料层间出现缺陷的机率，提高产品质量可靠性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明流程图；

图3为本发明实施例1所得预浸料贴覆碳毡表面形貌结构(电镜)；

图4为对比例1所得预浸料贴覆碳毡表面形貌结构(电镜)。

具体实施方式

下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。

本发明使用热熔法实现纤维增强体浸渍得到低树脂含量预浸料，然后将预浸料分切成丝束形式得到可用于RTM自动化预制体成型过程的预浸丝料。通过表面贴覆薄层网毡以及双面树脂膜浸渍复合的工艺设计，制备得到低树脂含量的预浸布料，表面网毡的横向附着力和树脂提供的粘接作用防止预浸布料在低树脂含量状态下发生劈裂，并可被分切得到适用于RTM自动化预制体成型的预浸料丝束。

本发明如图1所示，提供一种预浸料，可用于RTM成型工艺。预浸料由连续增强纤维、薄层网毡和树脂组成，采用热熔法双面树脂膜浸渍连续增强纤维和薄层网毡复合而成，薄层网毡位于连续增强纤维一侧；树脂占预浸料的质量百分比不超过15％，连续增强纤维占预浸料的质量百分比不低于80％，其余为薄层网毡。

本发明对连续增强纤维的种类没有特殊限制，根据复合材料性能选择合适种类，可以是玻璃纤维、碳纤维或者芳纶纤维等的一种或者几种的混合物。优选地，连续增强纤维含量为85～93％，RTM工艺性最佳。连续增强纤维不低于80％，对RTM成型没有明显不利影响。

本发明对树脂的种类没有特殊限制，根据复合材料性能选择合适种类，可以为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂或氰酸酯树脂等。优选地，树脂在预浸料中含量为5～10％，RTM工艺性最佳。树脂含量不超过15％，对RTM成型没有明显不利影响，树脂含量应不低于3％，以保证树脂对增强纤维提供足够的粘结力防止预浸布在分切及使用过程中发生劈裂，同时赋予预浸料必要的表面粘性，在RTM预制体自动化铺制成型中起到定型剂作用；热熔法制备预浸料时，一侧胶膜保证浸透薄层网毡后，再能浸润一部分纤维。

本发明对薄层网毡的种类没有特殊限制，可以为薄型碳纤毡网、纤维纱网等透气网毡，网毡面密度为≤15g/m²，厚度≤0.3mm，便于热熔法制备预浸料时能浸透，并浸润一部分薄层网毡下的纤维。优选地，网毡面密度为5～10g/m²，厚度≤0.2mm，工艺性综合性能最佳。

进一步，本发明还提供如图2所示的一种预浸料制备方法，通过以下步骤实现：

1、制备树脂膜。

选择合适温度和辊间压力制备能满足热熔法制备预浸料的树脂膜，具体工艺为本领域公知技术，本领域技术可根据树脂种类等确定合适的工艺。优选，树脂膜面密度偏差≤10％。

2、将薄层网毡一侧与树脂膜预浸复合粘接在一起。

本发明不要求薄层网毡与树脂膜粘接强度，只要能保证在后续复合增强纤维时，不明显脱层影响铺覆即可。

3、将第二步的树脂膜/薄层网毡、连续增强纤维、树脂膜采用热熔法浸渍复合得到预浸料。

本步骤，连续增强纤维一面贴覆纯树脂膜，另一面贴覆浸渍树脂的薄层网毡，热熔法工艺可以借鉴现有双面树脂预浸料制备工艺，本领域技术人员在尽可能渗透浸渍的目的下，选择合适的复合工艺。优选，本步骤选择合适的复合温度，使树脂粘度不超过20000mPa·s，以使树脂在压辊和毛细作用下向内尽可能渗透浸渍，形成如图1所示的微观结构，以保证树脂对增强纤维起到一定的粘接作用，同时表面贴覆的薄层网毡可提供横向附着力，防止在后续分切过程中丝束劈裂。

4、将步骤3得到的预浸料分切成预浸丝束。

使用分切装置将浸渍复合收卷得到的预浸布料分切成不同规格宽度的预浸丝束，丝束宽度根据后续RTM预制体自动化编织成型工艺的需要进行选择，如可以选择3.175mm、6.35mm或12.7mm等宽度规格。

进一步，本发明还提供一种预浸料，用于RTM预制体编织。

实施例1

组成结构：

T700连续碳纤维 88～90wt％

5g/m²短纤碳毡(约0.1mm厚) 2～2.5wt％

中温固化环氧树脂 8～10wt％

制备工艺：

1、制备树脂膜，选择合适温度和辊间压力，将树脂膜的面密度控制在10±1g/m²。

2、将5g/m²短纤碳毡与步骤1制备得到的树脂膜预浸复合。

3、浸渍复合，得到预浸料。

将197g/m²的T700单向连续碳纤维一面贴覆纯树脂膜，另一面贴覆步骤2制备的浸渍树脂的短纤碳毡，选择复合温度85℃，树脂粘度约10000mPa·s。

4、分切。使用分切装置将浸渍复合收卷得到的预浸布料分切成宽为6.350±0.025mm的预浸丝束，分切后的预浸丝束没有劈裂，预浸丝束在RTM预制体铺置温度下具有良好表面搭接粘性，可用于RTM预制体的自动化成型编织。

对得到的预浸料表面及内部结构进行扫描电镜分析，结果见图3。

实施例2

组成结构：

T700连续碳纤维 85～88wt％

10g/m²短纤碳毡(约0.2mm厚) 4～5wt％

高温固化环氧树脂 8～10wt％

制备工艺：

预浸料制备胶膜面密度控制在10±1g/m²，使用10g/m²短纤碳毡，浸渍复合温度100℃，树脂粘度约8000mPa·s，其他工艺条件与实施例1相同，将浸渍复合收卷得到的预浸布料分切成宽为3.175mm±0.025mm的预浸丝束，分切后的预浸丝束没有劈裂，预浸丝束在RTM预制体铺置温度下具有良好表面搭接粘性，可用于RTM预制体的自动化成型编织。

对得到的预浸料表面及内部结构进行扫描电镜分析，结果与图3类似。

实施例3

组成结构：

T700连续碳纤维 80～83wt％

15g/m²短纤碳毡(约0.3mm厚) 5～7wt％

双马来酰亚胺树脂 10～13wt％

制备工艺：

预浸料制备胶膜面密度控制在13±1g/m²，使用15g/m²短纤碳毡，制备预浸料复合温度85℃，树脂粘度约12000mPa·s其他工艺条件与实施例1相同，将浸渍复合收卷得到的预浸布料分切成宽为12.7mm±0.025mm的预浸丝束，分切后的预浸丝束没有劈裂，预浸丝束在RTM预制体铺置温度下具有良好表面搭接粘性，可用于RTM预制体的自动化成型编织。

比较例1

组成结构：

T700连续碳纤维 82～85wt％

20g/m²短纤碳毡(约0.5mm厚) 8～9wt％

中温固化环氧树脂 8～10wt％

制备工艺：使用20g/m²短纤碳毡，其他工艺条件均与实施例1相同。对得到的预浸料表面及内部结构进行扫描电镜分析，结果见图4。

比较例2

组成结构：

T700连续碳纤维 90～92wt％

中温固化环氧树脂 8～10wt％

制备工艺：本对比例未使用薄型网毡，采用双面10±1g/m²树脂膜进行浸渍复合，其他工艺条件均与实施例1相同。

图3显示，按照实施例1得到的预浸料样品表面有短纤碳毡附着，且所选碳毡面密度在本发明要求范围内，树脂可有效浸渍到碳毡与连续增强纤维的表面，使碳毡和纤维表面粘结牢固，发挥其附着作用，从而实现低树脂含量状态下，防止预浸料在分切过程中发生劈裂。图4为使用对比例1得到的样品电镜照片，使用20g/m²碳毡(约0.5mm厚)，超出了本发明对薄层网毡的技术要求，由于碳毡孔密度较低，且碳毡变厚，树脂不易发生浸渍接触到连续纤维增强体，进而导致碳毡和增强纤维之间粘接性差。实际上，比较例1得到的预浸布料在分切过程中发生了严重的劈裂，进而使其分切效率下降，也导致丝束无法满足RTM成型工艺需求。对比例2得到的预浸布料，由于没有薄型网毡提供横向附着力，树脂的粘接力有限，增强纤维可被轻易撕裂，预浸布无法满足分切工艺需要。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims

1.一种预浸料，其特征在于：由连续增强纤维、薄层网毡和树脂组成，采用热熔法双面树脂膜浸渍连续增强纤维和薄层网毡复合而成，薄层网毡位于连续增强纤维一侧；树脂占预浸料的质量百分比不超过15％，连续增强纤维占预浸料的质量百分比不低于80％，其余为薄层网毡。

2.根据权利要求1所述的一种预浸料，其特征在于：所述的树脂含量应不低于3％。

3.根据权利要求1所述的一种预浸料，其特征在于：所述的薄层网毡的网毡面密度为≤15g/m²，厚度≤0.3mm。

4.根据权利要求1所述的一种预浸料，其特征在于：所述的连续增强纤维含量为85～93％。

5.根据权利要求1或2所述的一种预浸料，其特征在于：所述的树脂在预浸料中含量为5ˉ10％。

6.根据权利要求1或3所述的一种预浸料，其特征在于：所述的网毡面密度为5～10g/m²，厚度≤0.2mm。

7.一种预浸料制备方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

第一步，制备树脂膜；

8.根据权利要求7的一种预浸料制备方法，其特征在于：还包括步骤，

第四步，将第三步得到的预浸料分切成预浸丝束。

9.根据权利要求7的一种预浸料制备方法，其特征在于：所述第三步中选择合适的复合温度，使树脂粘度不超过20000mPa·s。

10.一种上述方法制备的预浸料，用于RTM预制体编织。