CN102675827A

CN102675827A - 用hp-rtm工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料

Info

Publication number: CN102675827A
Application number: CN2012101532228A
Authority: CN
Inventors: 鲁平才; 阮诗平
Original assignee: ZHENJIANG YUDA COMPOSITE MATERIAL CO Ltd
Current assignee: Jiangsu Zhaoyun New Material Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，由环氧树脂组合物和碳纤维增强织物通过高压树脂传递模塑成型得到，树脂注射压力为50-300par；环氧树脂组合物包含A组份和B组份，A组份由环氧树脂、稀释剂、消泡剂、偶联剂和抗氧化剂组成，B组份为固化剂。本发明利用HP-RTM这一新的工艺形式实现传统RTM和模压工艺的复合，大大拓展了碳纤维的应用形式和应用范围，有效解决传统RTM等工艺生产效率低、尺寸稳定性差的问题，得到的环氧树脂基碳纤维复合材料应用形式和应用范围广，尺寸稳定性好，复合材料制造成本低，实现了多样化和复杂结构。

Description

用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增强环氧树脂复合材料，具体地说是一种用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料。

背景技术

碳纤维增强复合材料是目前最先进的高性能复合材料之一，具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀、热力学性能优良等特点，广泛用作结构材料和耐高温抗烧蚀材料。

环氧树脂(EP)/碳纤维(CF)复合材料是CF增强复合材料的一个重要分支。近年来，随着人们对EP/CF复合材料认识的不断深入，其优异的性能不断凸现，促使其用量不断上升。20世纪70年代以前，EP/CF复合材料被视为昂贵的材料，价格约为玻璃纤维(GF)增强复合材料的10倍，只用于军工、宇航等尖端技术行业。20世纪80年代以后，CF工业和EP工业迅速发展，EP/CF复合技术不断进步，加入到EP中的CF比例不断上升，目前CF的体积分数已可达60％以上，使EP/CF复合材料的质量提高而价格下降，拓宽了其应用领域，进一步促进了EP/CF复合材料的发展。

EP/CF复合材料的特性主要取决于CF、EP及EP与CF之间的粘结特性。EP/CF复合材料具有优异的性能，与钢相比，EP/CF复合材料的比强度为钢的4.8～7.2倍，比模量为钢的3.1～4.2倍，疲劳强度约为钢的2.5倍、铝的3.3倍，而且高温性能好，工作温度达400℃时其强度与模量基本保持不变。此外还具有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、抗蠕变、整体性好、抗分层、抗冲击等，在现有结构材料中，其比强度、比模量综合指标最高。在加工成型过程中EP/CF复合材料具有易大面积整体成型、成型稳定等独特的优点。

环氧树脂(EP)/碳纤维(CF)复合材料具有比强度、比模量高，密度小，结构尺寸稳定，耐热、耐低温及材料性能可设计等优点，其既可以作为结构材料承载又可以作为功能材料发挥作用，已经成为航空航天领域的首选材料。在航空领域，CF复合材料应用于无人机、直升机主结构、次结构件和特殊部位的特种功能部件。国外将EP/CF复合材料应用在战斗机和直升机的机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能。在民用航空领域，飞机机体结构中大量使用CF复合材料。这些部件包括减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼等。CF复合材料在航天领域也发挥着不可替代的作用。高模量CF质轻，刚性、尺寸稳定性和导热性好，因此很早就应用于人造卫星结构体及主体结构承力件、太阳能电池板、天线、导弹弹头、弹体、箭体和发动机壳体的结构部件上。CF复合材料也被用于航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。此外，还主要用于飞行器的轻型化，轻型机枪枪架，新型连续抽油杆，高精度天线，接骨板，风电叶片及导电复合材料等领域。

EP／CF复合材料的复合成型工艺有多种方式，其中RTM工艺因闭模成型，成型周期较短，生产环境好等优点收到青睐。但RTM技术国内外普遍存在的难点和问题，通过RTM技术得到的复合材料存在以下三个方面缺点：(1)树脂对纤维的浸渍不够理想，导致成型时间加长，制品空隙率较高；(2)制品的纤维含量较低(一般约50％)；(3)大面积、结构复杂的模具型腔内，树脂流动不均衡，而这个动态过程无法观察，更不能进行预测和控制，得到的复合材料结构简单。

发明内容

为了克服传统RTM 工艺得到的碳纤维尺寸稳定性差、制造成本高、结构单一的缺点，本发明的目的是提供一种用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，该复合材料利用HP-RTM工艺形式实现传统RTM和模压工艺的复合得到，大大拓展了碳纤维的应用形式和应用范围，生产效率高、尺寸稳定性好，复合材料制造成本低，实现了多样化和复杂结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：该复合材料由环氧树脂组合物和碳纤维增强织物通过高压树脂传递模塑成型得到，树脂注射压力为50-300 par；所述环氧树脂组合物包含A组份和B组份，配方按如下重量份配置：A组份：环氧树脂80-100、稀释剂0-30、消泡剂0-5、偶联剂0-3、抗氧化剂0-5；B组份：固化剂30-90。

所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，双酚F型环氧树脂，对氨基苯酚环氧树脂，邻甲酚型环氧树脂，酚醛型环氧树脂，多官能度环氧树脂的一种或多种组合。

所述稀释剂为1,4丁二醇二缩水甘油醚，1,6乙二醇二缩水甘油醚，新戊二醇缩水甘油醚，乙二醇二缩水甘油醚，二羟甲基环己烷二缩水甘油醚，聚合二元醇所水甘油醚，二溴新戊二醇二缩水甘油醚，聚氧化丙烯二缩水甘油醚，间苯二酚二缩水甘油醚，环己二醇二缩水甘油醚，聚丙二醇二缩水甘油醚，多缩水甘油醚，二醇一缩水甘油醚，正辛醇缩水甘油醚，2-乙基己基缩水甘油醚，C12-C14醇缩水甘油醚，C8-C10脂肪醇缩水甘油醚，丁基缩水甘油醚，叔丁基酚缩水甘油醚，环氧丙烷烯丙基醚，苯基缩水甘油醚，邻环氧丙烷异辛基醚，甲酚缩水甘油醚，苄基缩水甘油醚，芳基缩水甘油醚，对叔丁基苯酚缩水甘油醚，对数碳酸缩水甘油醚和丁基缩水甘油醚中的一种或几种。

所述消泡剂为聚醚类消泡剂，醇类消泡剂，有机硅类消泡剂中的一种或几种。

所述偶联剂为钛酸酯类偶联剂，硅烷类偶联剂，硼酸酯类偶联剂和铝酸酯类偶联剂中的一种或几种。

所述抗氧化剂为亚磷酸酯类抗氧剂。

所述固化剂为直链脂肪族胺，环脂族胺，脂肪族芳香胺，内酰胺中的一种或几种。

所述碳纤维增强织物为短切毡、连续纤维毡、纤维布、无皱折织物、三维针织物或三维编织物。

成型工艺采用高压树脂传递模塑成型，树脂注射压力100-150 par。

本发明利用HP-RTM 这一新的工艺形式实现传统RTM和模压工艺的复合，大大拓展了碳纤维的应用形式和应用范围，有效解决传统RTM 等工艺生产效率低、尺寸稳定性差的问题，得到的环氧树脂基碳纤维复合材料应用形式和应用范围广，尺寸稳定性好，复合材料制造成本低，实现了多样化和复杂结构。

具体实施方式

实施例1

一种用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，该复合材料由环氧树脂组合物和碳纤维增强织物组成，所述环氧树脂组合物包含A组份和B组份，A组份由环氧树脂、稀释剂、消泡剂、偶联剂和抗氧化剂组成，B组份为固化剂。

取按质量份计的80份A850型环氧树脂、15份丁基缩水甘油醚、1份3-缩水甘油醚丙氧基三乙氧基硅烷，1份双（2,4-二叔丁基苯基）季戊四醇二亚磷酸酯在20℃-30℃条件下搅拌30min直至混合均匀，添加0.6份BYK-A530消泡剂保持温度不变，搅拌15min，最后静置12小时制的A组份。

取按重量份计，30份异佛尔酮二胺、25份聚醚胺混合均匀制的B组份。

将A组份与B组份混合，在静态混合器搅拌均匀，室温下抽真空脱气泡10min制得环氧树脂组合物。

把碳纤维织物按照成型制品的规格铺放到模具中，合模夹紧后，调节树脂注胶系统中的计量设备， 100par压力下将经静态混合器混合均匀树脂体系经注胶系统的注胶口注入到模具行腔中，使树脂体系浸渍增强材料与成型体，最后经固化、脱模得到制品。

本实施例制得的一种用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，弯曲强度1020Mpa、弯曲模量 96GPa、抗拉强度960Mpa、抗拉模量90GPa。

实施例2

又一种用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，该复合材料由环氧树脂组合物和碳纤维增强织物组成，所述环氧树脂组合物包含A组份和B组份，A组份由环氧树脂、稀释剂、消泡剂、偶联剂和抗氧化剂组成，B组份为固化剂。

取按质量份计的90份A850型环氧树脂、15份丁基缩水甘油醚、1份3-缩水甘油醚丙氧基三乙氧基硅烷，1份双（2,4-二叔丁基苯基）季戊四醇二亚磷酸酯在20℃-30℃条件下搅拌30min直至混合均匀，添加0.6份BYK-A530消泡剂保持温度不变，搅拌15min，最后静置12小时制的A组份。

取按重量份计的20份异佛尔酮二胺、25份聚醚胺混合均匀制的B组份。

把碳纤维织物按照成型制品的规格铺放到模具中，合模夹紧后，调节树脂注胶系统中的计量设备， 150par压力下将经静态混合器混合均匀树脂体系经注胶系统的注胶口注入到模具行腔中，使树脂体系浸渍增强材料与成型体，最后经固化、脱模得到制品。

本实施例制得的复合材料，弯曲强度1100Mpa、弯曲模量 101GPa、抗拉强度1030Mpa、抗拉模量94GPa。

Claims

1.一种用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：该复合材料由环氧树脂组合物和碳纤维增强织物通过高压树脂传递模塑成型得到，树脂注射压力为50-300 par；所述环氧树脂组合物包含A组份和B组份，配方按如下重量份配置：A组份：环氧树脂80-100、稀释剂0-30、消泡剂0-5、偶联剂0-3、抗氧化剂0-5；B组份：固化剂30-90。

2.根据权利要求1所述的用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、对氨基苯酚环氧树脂、邻甲酚型环氧树脂、酚醛型环氧树脂、多官能度环氧树脂的一种或几种组合。

3.根据权利要求1所述的用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述稀释剂为1,4丁二醇二缩水甘油醚、1,6乙二醇二缩水甘油醚、新戊二醇缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、二羟甲基环己烷二缩水甘油醚、聚合二元醇所水甘油醚、二溴新戊二醇二缩水甘油醚、聚氧化丙烯二缩水甘油醚、间苯二酚二缩水甘油醚、环己二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、多缩水甘油醚、二醇一缩水甘油醚、正辛醇缩水甘油醚、2-乙基己基缩水甘油醚、C12-C14醇缩水甘油醚、C8-C10脂肪醇缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚、叔丁基酚缩水甘油醚、环氧丙烷烯丙基醚、苯基缩水甘油醚、邻环氧丙烷异辛基醚、甲酚缩水甘油醚、苄基缩水甘油醚、芳基缩水甘油醚、对叔丁基苯酚缩水甘油醚、对数碳酸缩水甘油醚和丁基缩水甘油醚中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述消泡剂为聚醚类消泡剂、醇类消泡剂、有机硅类消泡剂中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述偶联剂为钛酸酯类偶联剂、硅烷类偶联剂、硼酸酯类偶联剂和铝酸酯类偶联剂中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述抗氧化剂为亚磷酸酯类抗氧剂。

7.根据权利要求1所述的用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述固化剂为直链脂肪族胺、环脂族胺、脂肪族芳香胺、内酰胺中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述碳纤维增强织物为短切毡、连续纤维毡、纤维布、无皱折织物、三维针织物或三维编织物。

9.根据权利要求1所述的用HP-RTM工艺快速成型的环氧树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：树脂注射压力为100-150par。