CN101423618A - 一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法 - Google Patents

一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料的制备技术，涉及一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法。采用微米尺度异相刚性微3－3结构，以四针状氧化锌晶须作为层间增强体，按如下方法制备层间改性热固性树脂复合材料：(1)将100℃下真空干燥2h的四针状氧化锌晶须以机械振动筛或静电吸附或流化床沉积或滚筒式丝网撒粉方法沉积到纤维织物表面，得到改性织物；(2)将改性织物按照规定方式铺层后，利用树脂传递模塑技术或树脂膜渗透技术以现有的基体树脂固化工艺制备复合材料。本发明可以提高复合材料层间的强－韧化性能，获得高冲击阻抗和高损伤容限，覆盖典型航空航天复合材料结构应用的温度范围，特别是高温范围300℃以上。

Description

一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料的制备技术，涉及一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法。
背景技术
在新一代航空航天飞行器当中，纤维增强树脂基复合材料在结构重量中所占的比重显著增大，使用部位也更加广泛，因此对材料韧性的要求也愈加突出。特别是针对复合材料层间韧性不足，抗冲击损伤能力有限这一问题，长期以来一直是研究的热点。为解决此问题，已提出了多种改进措施，当前最为广泛采用的增韧方法是在热固性树脂中加入橡胶或是热塑性树脂，通过反应诱导的相分离形成分相结构。但是这些增韧成分的引入，增加了树脂体系的化学复杂性，可能引起诸多问题，例如增韧剂的选择要考虑与原有树脂基体相匹配，树脂的工艺条件会发生改变，对树脂的刚度、模量、湿/热性能可能产生影响等。此外，在纤维增强体存在的情况下，树脂体系的分相行为可能会受到抑制，无法充分发挥增韧效果。事实上，这种加入了橡胶或热塑性成分的增韧树脂，已经是与增韧前的基础树脂不同的全新体系，针对原有树脂所制定的工艺规范需要调整，而且必须经过重新评价认证后才能应用于航空结构中。因此，立足现有体系进行增韧就成为最现实的选择。
基于以上问题，提出了“离位”增韧的技术思想(发明专利：一种增韧的复合材料层合板及其制备方法，专利号200610099381.9)，针对层间这样的薄弱环节进行增韧，包括：功能组分分离，层结构功能分离，“周期性”或“非周期性”结构优化，预制一体化，强化弱结构等特点。但是，克服高分子-高分子复相或多相系复杂、复相材料相变的材料化学限制、精确控制热反应诱导失稳分相动力学和选择高分子-高分子配对是较困难的。
发明内容
本发明的目的是提供一种突破高分子-高分子复相或多相系复杂、复相材料相变的材料化学限制、难以精确控制热反应诱导失稳分相动力学的困难和高分子-高分子配对困难的一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法。本发明的技术解决方案是，采用微米尺度异相刚性微3-3结构，以四针状氧化锌晶须作为层间增强体，按如下方法制备层间改性热固性树脂复合材料：
(1)将100℃下真空干燥2h的四针状氧化锌晶以机械振动筛或静电吸附或流化床沉积或滚筒式丝网撒粉方法沉积到纤维织物表面，得到改性织物；
(2)将改性织物按照规定方式铺层后，利用树脂传递模塑技术或树脂膜渗透技术以现有的基体树脂固化工艺制备复合材料。
所述的热固性树脂是指环氧树脂或双马来酰亚胺树脂或热固性聚酰亚胺树脂或酚醛树脂或聚苯并噁嗪树脂或氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂。
所述的连续纤维可以是玻璃纤维或碳纤维或芳伦纤维或玄武岩纤维或天然植物纤维中的一种或上述纤维的混编体，其织造形式是单向织物或平纹织物或缎纹织物或斜纹织物或无纺布或无纬布或或非屈曲织物。
所述的刚性三维晶须为四针状氧化锌晶须，四针状氧化锌晶须的任意两针的夹角109°，针状体长度约40μm～80μm，针状体根部直径2μm～8μm。
每层纤维表面沉积的四针状氧化锌晶须的用量是5g/m2～10g/m2。
作为增强体的四针状氧化锌晶须与树脂基体分离，直接将其引入复合材料层间。
作为增强体的四针状氧化锌晶须沉积层出现在每层连续纤维织物表面，或选择性的周期化的或非周期化的出现在纤维织物表面。
作为增强体的四针状氧化锌晶须均匀的沉积到纤维织物表面或以一定的图案沉积到纤维织物表面，而且可以在需要特别增韧的地方选择性的沉积。
本发明具有的优点和有益效果，本发明在“离位”思想基础之上，提出一种新的层间增韧方法，以克服高分子-高分子复相或多相系复杂、复相材料相变的材料化学限制、难以精确控制的热反应诱导失稳分相动力学的困难和高分子-高分子配对的困难，采用无机刚性异构三维晶须利用其特殊的几何结构在层间部位形成刚性的机械“锚接”结构如图1所示，以物理连接的方式提高复合材料层间的强-韧化性能，获得高冲击阻抗和高损伤容限，覆盖典型航空航天复合材料结构应用的温度范围，特别是高温范围(300℃以上)。
附图说明
图1层间机械“锚接”结构作用示意图；
图2四针状氧化锌晶须。
具体实施方式
以具有四针状结构的刚性氧化锌晶须作为层间增强体，在不改变基体树脂的化学性质以及固化工艺的前提下，针对相对薄弱的层间部位进行选择性的增韧。氧化锌晶须由于其特殊的几何结构，当其存在于纤维层间时，晶须的针状体将插入纤维织物层内，同时不破化纤维织物的连续性及完整性，而是将两层纤维织物物理的“锚接”在一起，在纤维层间形成无数刚性的物理锚接点从而有效的抑制层间微裂纹的扩展以及各向异性的铺层之间在受载时发生的相对滑移，提高复合材料的层间韧性。
本发明包括至少一层纤维增强的基体树脂层和至少一层四针状氧化锌晶须改性的连续纤维织物增强体，所述的热固性树脂是指环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚苯并噁嗪树脂、氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂。所述的连续纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、玄武岩纤维、天然植物纤维中的一种或上述纤维的混编体，其织造形式可以是单向织物、平纹织物、缎纹织物、斜纹织物、无纺布、无纬布、或非屈曲织物(NCF)等。所述方法包括：
a.将四针状氧化锌晶须以机械振动筛、静电吸附、流化床沉积等方法按照一定的含量沉积到纤维织物表面，得到改性织物；
b.将所述改性织物按照规定方式铺层后，利用树脂传递模塑技术(RTM)或树脂膜渗透技术(RFI)制备复合材料，所选用的基体树脂的固化工艺不变。
(1)将100℃下真空干燥2h的四针状氧化锌晶以机械振动筛或静电吸附或流化床沉积或滚筒式丝网撒粉方法沉积到纤维织物表面，得到改性织物；
(2)将所述改性织物按照规定方式铺层后，利用树脂传递模塑技术(RTM)或树脂膜渗透技术(RFI)制备复合材料层板，所选用的基体树脂的固化工艺不变。
所述的热固性树脂是指环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚苯并噁嗪树脂、氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂。
所述的连续纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、玄武岩纤维、天然植物纤维中的一种或上述纤维的混编体，其织造形式可以是单向织物、平纹织物、缎纹织物、斜纹织物、无纺布、无纬布、或非屈曲织物(NCF)等。
实施例一：
将100℃下真空干燥2小时的四针状氧化锌晶须，通过60目的机械振动筛，沉积到高强无碱玻璃纤维织物SW280表面，按照[(0/90)]8方式各向异性铺层，并保证两层纤维之间氧化锌晶须含量5g/m2，合模。将典型的航空用环氧树脂体系E以0.1MPa压力压入闭合模具，完成充模。
在充模过程结束后，保持闭模，加热引发闭合模具环氧树脂的固化反应。固化条件：以2℃/min的升温速率，在常压下从室温升温到180℃，保温2h，同时在0.20Mpa压力下进行保压2h。然后，再以同样的速率从180℃升温到200℃，同时从0.20MPa升压至0.40MPa，再保温保压2h；最后，以约2℃/min的降温速率降温，但在降温过程中保持压力不变，直至冷却到室温，从而完成全部固化过程。固化反应结束后开模，取出制品。
采用氧化锌晶须“离位”增韧RTM工艺制备的玻璃纤维/环氧树脂层合板的力学性能数据(玻璃纤维体积含量45％)。
表1 增韧前后的材料力学性能测试结果
 
性能 本发明 低韧性 测试标准
0℃拉伸强度/MPa 499 541 GB/T3354-1999
 
0℃拉伸模量/GPa 23.4 22.9 GB/T3354-1999
0℃压缩强度/MPa 414 439 GB/T3856-1983
0℃压缩模量/GPa 24.8 25.1 GB/T3856-1983
90℃拉伸强度/MPa 388 469 GB/T3354-1999
90℃拉伸模量/GPa 20.7 20.8 GB/T3354-1999
90℃压缩强度/MPa 392 371 GB/T3856-1983
90℃压缩模量/GPa 22.2 21.4 GB/T3856-1983
0℃弯曲强度/MPa 818 778 GB/T3356-1999
0℃弯曲模量/GPa 21.7 20.2 GB/T3356-1999
层间剪切强度/MPa 85.0 61.3 JC/T773-1982
实施例二：
将100℃下真空干燥2h的四针状氧化锌晶须，通过60目的机械振动筛，沉积到连续玻璃纤维织物SW280表面，按照[(0/90)]8方式各向异性铺层，并保证两层纤维之间氧化锌晶须含量5g/m2，合模。将典型的航空用环氧树脂体系3xxx以0.1MPa压力压入闭合模具，完成充模。
在充模过程结束后，保持闭模，加热引发闭合模具环氧树脂的固化反应。固化条件：以2℃/min的升温速率，在常压下从室温升温到80℃，保温4h，同时进行保压0.20Mpa2h。然后，再以同样的速率从80℃升温到120℃，同时从0.20MPa升压至0.40MPa，再保温保压12h；最后，以约2℃/min的降温速率降温，但在降温过程中保持压力不变，直至冷却到室温，从而完成全部固化过程。固化反应结束后开模，取出制品。
采用氧化锌晶须“离位”增韧RTM工艺制备的玻璃纤维/环氧树脂层合板的力学性能数据(玻璃纤维体积含量45％)。
表2 增韧前后的材料力学性能测试结果
 
性能 本发明 低韧性 测试标准
0℃拉伸强度/MPa 542 566 GB/T3354-1999
0℃拉伸模量/GPa 22.8 22.9 GB/T3354-1999
0℃压缩强度/MPa 439 398 GB/T3856-1983
0℃压缩模量/GPa 26 25.8 GB/T3856-1983
 
90℃拉伸强度/MPa 453 456 GB/T3354-1999
90℃拉伸模量/GPa 21.2 22.5 GB/T3354-1999
90℃压缩强度/MPa 385 389 GB/T3856-1983
90℃压缩模量/GPa 24.3 24.7 GB/T3856-1983
0℃弯曲强度/MPa 719 678 GB/T3356-1999
0℃弯曲模量/GPa 18.9 18.2 GB/T3356-1999
层间剪切强度/MPa 68.2 49.0 JC/T773-1982
实施例三：
将100℃下真空干燥2h的四针状氧化锌晶须，通过60目的机械振动筛，沉积到连续碳纤维织物U-3160的表面，按照[0]12方式各向异性铺层，并保证两层纤维之间氧化锌晶须含量5g/m2，合模。将典型的航空用RTM成型工艺双马来酰亚胺(BMI)树脂以0.1MPa压力压入闭合模具，完成充模。
在充模过程结束后，保持闭模，通过加热引发闭合模具内树脂的固化反应。固化条件：以2℃/min的升温速率，在常压下从室温升温到130℃，保温1h，同时进行保压0.20MPa一小时。然后，再以同样的速率从130℃升温到190℃，同时从0.20MPa升压至0.40MPa，再保温保压3h；最后，以约2℃/min的降温速率降温，但在降温过程中保持压力不变，直至冷却到室温，从而完成全部固化过程。固化反应结束后开模，取出制品。
采用氧化锌晶须“离位”增韧RTM工艺制备的碳纤维/双马来酰亚胺树脂层合板的力学性能数据(碳纤维体积含量55％)。
表3 增韧前后的材料力学性能测试结果
 
性能 本发明 低韧性 测试标准
层间剪切强度/MPa 115 96.9 JC/T773-1982
GIC/(J/m2) 466 426 HB7402-1996
GIIC/(J/m2) 1001 934 HB7403-1996
实施例四
将100℃下真空干燥2h的四针状氧化锌晶须，通过60目的机械振动筛，沉积到连续碳纤维织物U-3160表面，按照[0]12方式各向异性铺层，并保证两层纤维之间氧化锌晶须含量5g/m2，合模。将典型的航空用环氧树脂体系3xxx以0.1MPa压力压入闭合模具，完成充模。
在充模过程结束后，保持闭模，加热引发闭合模具环氧树脂的固化反应。固化条件：以2℃/min的升温速率，在常压下从室温升温到80℃，保温4h，同时进行保压0.20Mpa 2h。然后，再以同样的速率从80℃升温到120℃，同时从0.20MPa升压至0.40MPa，再保温保压12h；最后，以约2℃/min的降温速率降温，但在降温过程中保持压力不变，直至冷却到室温，从而完成全部固化过程。固化反应结束后开模，取出制品。
采用氧化锌晶须“离位”增韧RTM工艺制备的玻璃纤维/环氧树脂层合板的力学性能数据(玻璃纤维体积含量55％)。
表4 增韧前后的材料力学性能测试结果
 
性能 本发明 低韧性 测试标准
0℃弯曲强度/MPa 1460 1340 GB/T3356-1999
0℃弯曲模量/GPa 94.9 78.5 GB/T3356-1999
层间剪切强度/MPa 107 87.2 JC/T773-1982

Claims (8)

1.一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法，其特征是，采用微米尺度异相刚性微3-3结构，以四针状氧化锌晶须作为层间增强体，按如下方法制备层间改性热固性树脂复合材料：
(1)将100℃下真空干燥2h的四针状氧化锌晶以机械振动筛或静电吸附或流化床沉积或滚筒式丝网撒粉方法沉积到纤维织物表面，得到改性织物；
(2)将改性织物按照规定方式铺层后，利用树脂传递模塑技术或树脂膜渗透技术以现有的基体树脂固化工艺制备复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法，其特征是，所述的热固性树脂是指环氧树脂或双马来酰亚胺树脂或热固性聚酰亚胺树脂或酚醛树脂或聚苯并噁嗪树脂或氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂。
3.根据权利要求1所述的一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法，其特征是，所述的连续纤维可以是玻璃纤维或碳纤维或芳伦纤维或玄武岩纤维或天然植物纤维中的一种或上述纤维的混编体，其织造形式是单向织物或平纹织物或缎纹织物或斜纹织物或无纺布或无纬布或或非屈曲织物。
4.根据权利要求1所述的一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法，其特征是：所述的刚性三维晶须为四针状氧化锌晶须，四针状氧化锌晶须的任意两针的夹角109°，针状体长度约40μm～80μm，针状体根部直径2μm～8μm。
5.根据权利要求1所述的一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法，其特征是，每层纤维表面沉积的四针状氧化锌晶须的用量是5g/m2～10g/m2。
6.根据权利要求1所述的一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法，其特征是：作为增强体的四针状氧化锌晶须与树脂基体分离，直接将其引入复合材料层间。
7.根据权利要求1和6所述一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法，其特征是，作为增强体的四针状氧化锌晶须沉积层出现在每层连续纤维织物表面，或选择性的周期化的或非周期化的出现在纤维织物表面。
8.根据权利要求1和6所述的一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法，其特征是，作为增强体的四针状氧化锌晶须均匀的沉积到纤维织物表面或以一定的图案沉积到纤维织物表面，而且可以在需要特别增韧的地方选择性的沉积。
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