CN102924741A - 一种提高液态成型复合材料表面耐磨损性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于液态成型树脂基复合材料表面耐磨损性能技术，涉及一种通过在液态成型复合材料表面预制耐磨层来提高其表面耐磨损性能的方法。首先将耐磨树脂基体与增强纤维或其织物制备耐磨层预浸料，将耐磨层预浸料在100-150℃下进行预聚，将预聚后的预浸料直接贴覆在干态纤维预成型体表面，通过液态成型工艺与干态纤维预成型体共固化成型，使耐磨层复合材料所用的树脂基体与目前典型的航空用液态成型基体树脂能够实现分子水平上的结构兼容，并参加到树脂的固化反应中，不会影响原基体树脂及其复合材料的耐热性、力学性能及成型工艺性。

Description

一种提高液态成型复合材料表面耐磨损性能的方法

技术领域

本发明属于液态成型树脂基复合材料表面耐磨损性能研究，涉及一种通过在液态成型复合材料表面预制耐磨层来提高其表面耐磨损性能的方法。

背景技术

在复合材料的成型工艺中，液态成型工艺包括，树脂传递模塑（RTM）成型工艺、树脂膜浸渗（RFI）成型工艺以及真空辅助树脂浸渗（VARI）成型工艺，是近年来发展的一类新型的复合材料高性能化、低成本制造成型工艺。例如，就RTM成型工艺而言，其对模成型的工艺特点，改善了复合材料制件的尺寸控制、稳定性及表面粗糙度等，可以实现复杂整体结构复合材料制件的整体化制造。

采用RTM成型工艺制备的航空复合材料结构件在国外已有广泛应用，如美国在其第四代战机F-22和F-35等先进战斗机中都大量应用了RTM成型复合材料，F-22战斗机共有占非蒙皮复合材料结构重量约45%的约360件承载结构是用RTM技术制造的。而F-35的全复合材料尾翼更是获得了国际复合材料制造协会的创新大奖。除此之外在国外先进的军用运输机A400M（复合材料螺旋桨），NH90武装直升机（起落架悬臂）上均采用了RTM成型工艺制造的复合材料制件。

目前，我国在研的先进军、民用飞机中也大量的采用了RTM成型工艺等液态成型工艺制造复合材料结构件。并且除了将其应用于梁、框、肋以及机翼等次承力件或主承力件或复杂结构制件中外，甚至在一些活动翼面结构、动态传动机构上也得到了初步应用。但是，对于在服役过程中会进行往复作动的复合材料结构件而言，将会与其他的金属连接结构或配合结构发生相对摩擦，这就对复合材料材料表面的耐摩擦、磨损性能提出了新的要求。而目前，为了满足复合材料的高性能化要求，绝大多数复合材料结构件的纤维增强体均选用高比强度、比模量的碳纤维及其织物作为增强体，并选用环氧树脂、双马来酰亚胺树脂等高性能的树脂基体与之复合。上述复合材料体系的表面耐摩擦性能均较差，在使用过程中很容易发生表面磨损破坏，严重的甚至导致结构失效。

一般来说，对于复合材料结构表面耐磨处理的常用手段为表面喷涂耐磨涂层，其中多以二硫化钼等无机填料作为主体耐磨材料。但是采用耐磨涂层来提高复合材料表面的耐磨损性能尤其是针对液态成型复合材料而言，存在以下技术问题。首先，表面涂覆增加了复合材料的后处理工艺过程，增加了复合材料结构件的制造成本；第二，表面涂层与复合材料的界面结合能力较弱，在是使用过程中容易发生涂层剥落；第三，如果将无机耐磨填料直接添加到液态成型树脂基体中，将会大大提高基体树脂的黏度，这与液态成型工艺所要求的树脂低黏度相矛盾。

发明内容

本发明的目的是：本发明的目的是提出一种提高液态成型复合材料表面耐磨损性能的方法，通过在液态成型复合材料表面贴覆具有良好的结构兼容性和工艺兼容性的耐磨功能层，在不影响原基体树脂及其复合材料的耐热性、力学性能及成型工艺性的前提下，有效的提高液态成型复合材料的表面耐磨擦磨损性能。

本发明的技术方案是：在液态成型复合材料表面预制耐磨层，耐磨层复合材料所用的树脂基体为热固性树脂或热塑性树脂中的耐磨树脂，耐磨层预浸料的纤维增强体为玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、玄武岩纤维中的一种或上述纤维的混编体，在液态成型复合材料表面预制耐磨层工艺步骤如下：

a)将所选用的耐磨热固性树脂基体与纤维增强体通过湿法、热熔法制备耐磨层预浸料，耐磨热塑性树脂与纤维增强体通过粉末法、混纱法、共编法等工艺制备热塑性耐磨层预浸料，控制耐磨层预浸料的树脂质量含量为30~50%。

b)将制备完成的耐磨层预浸料在100-150℃下进行预聚处理，将经过预聚处理的防磨层预浸料裁切后，铺覆于干态纤维预成型体的表面，然后一起铺放于液态成型模具中，完成合模工序；

c)将液态成型工艺树脂基体利用液态成型工艺注射入完成合模工序的预成型体中，然后在100-150℃下完成固化，从而得到表面具有耐磨层的液态成型复合材料。

所述的耐磨层预浸料的热固性树脂基体为苯并嗪树脂或酚醛树脂，热塑性树脂基体为聚芳醚酮或尼龙。

所述的耐磨层预浸料的纤维增强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非屈曲织物。

所述的液态成型复合材料的基体树脂为环氧树脂或氰酸酯树脂或双马来酰亚胺树脂或热固性聚酰亚胺树脂或不饱和聚酯树脂。

所述的液态成型复合材料的纤维增强体为玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、玄武岩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非屈曲织物。

本发明的优点是：本发明的优点是通过在液态成型复合材料表面贴覆与原液态成型复合材料具有良好的结构兼容性和工艺兼容性的耐磨功能层，与目前典型的航空用液态成型基体树脂能够实现分子水平上的结构兼容，在液态成型工艺下实现与干态纤维预成型体的共固化，在不影响原基体树脂及其复合材料的耐热性、力学性能及成型工艺性的前提下，有效的提高了液态成型复合材料的表面耐磨擦磨损性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

在液态成型复合材料表面预制耐磨层，耐磨层复合材料所用的树脂基体为热固性树脂或热塑性树脂中的耐磨树脂，耐磨层预浸料的纤维增强体为玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、玄武岩纤维中的一种或上述纤维的混编体，在液态成型复合材料表面预制耐磨层工艺步骤如下：

a)将所选用的耐磨热固性树脂基体与纤维增强体通过湿法、热熔法制备耐磨层预浸料，耐磨热塑性树脂与纤维增强体通过粉末法、混纱法、共编法等工艺制备热塑性耐磨层预浸料，控制耐磨层预浸料的树脂质量含量为30~50%。

b)将制备完成的耐磨层预浸料在100-150℃下进行预聚处理，将经过预聚处理的防磨层预浸料裁切后，铺覆1~4层耐磨层预浸料于干态纤维预成型体的表面，然后一起铺放于液态成型模具中，完成合模工序；

c)将液态成型工艺树脂基体利用液态成型工艺注射入完成合模工序的预成型体中，然后在100-150℃下完成固化，从而得到表面具有耐磨层的液态成型复合材料。

实施例1

以苯并噁嗪树脂作为基体树脂，高强玻璃纤维缎纹织物SW280为增强体，利用热熔法制备耐磨层预浸料，苯并噁嗪树脂质量分数约为40%。将耐磨层预浸料在140℃下预聚3h，冷却至室温，将预聚后的耐磨层预浸料按照[45/-45]的铺层方式，铺贴在干态碳纤维预成型体表面，纤维预成型体为国产碳纤维单向无纬织物U3160按照规定铺层方式铺覆。按照液态成型工艺要求，注入典型航空用高温环氧树脂5284RTM，至预成型体浸润完全后升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。耐磨层预浸料与干态碳纤维预成型体在液态成型工艺下实现共固化，界面结合良好，对液态成型复合材料的性能及成型工艺无任何影响，且有效的提高了复合材料表面的耐磨损性能。

实施例2

以苯并噁嗪树脂作为基体树脂，无碱玻璃纤维斜纹织物EW250为增强体，利用热熔法制备耐磨层预浸料，树脂质量分数约为45%。将耐磨层预浸料在130℃下预聚4h，冷却至室温，将预聚后的一层耐磨层预浸料铺贴在干态碳纤维预成型体表面，纤维预成型体为国产碳纤维斜纹织物CF3031按照规定铺层方式铺覆。按照液态成型工艺要求，注入典型航空用高温环氧树脂5284RTM，至预成型体浸润完全，升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。耐磨层预浸料与干态碳纤维预成型体在液态成型工艺下实现共固化，界面结合良好，对液态成型复合材料的性能及成型工艺无任何影响，且有效的提高了复合材料表面的耐磨损性能。

实施例3

以聚醚醚酮树脂作为基体树脂，以碳纤维平纹织物CF3011为增强材料，利用静电粉末工艺制备热塑性耐磨层预浸料，树脂质量分数约为40%。将一层热塑性树脂耐磨层预浸料铺贴在干态碳纤维预成型体表面，纤维预成型体为国产碳纤维缎纹织物CF3031按照规定铺层方式铺覆。按照液态成型工艺要求，注入典型航空用高温环氧树脂6421RTM，至预成型体浸润完全，升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。耐磨层预浸料与干态碳纤维预成型体在液态成型工艺下实现共固化，界面结合良好，对液态成型复合材料的性能及成型工艺无任何影响，且有效的提高了复合材料表面的耐磨损性能。

实施例4

以酚醛树脂作为基体树脂，对位芳纶纤维缎织物为增强体，利用溶液法（湿法）制备耐磨层预浸料，酚醛树脂质量分数为约为50%。将耐磨层预浸料在100℃下预聚2h，冷却至室温，将预聚后的耐磨层预浸料按照[45/-45]的铺层方式，铺贴在干态碳纤维预成型体表面，纤维预成型体为国产碳纤维单向无纬织物U7192按照规定铺层方式铺覆。按照液态成型工艺要求，注入3266RTM环氧树脂，至预成型体浸润完全，升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选环氧树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。耐磨层预浸料与干态碳纤维预成型体在液态成型工艺下实现共固化，界面结合良好，对液态成型复合材料的性能及成型工艺无任何影响，且有效的提高了复合材料表面的耐磨损性能。

实施例5

将尼龙6纺丝制备成纤维，与T300碳纤维混纱并织造成平纹或缎纹机织物，然后经230℃热辊加热加压制备成尼龙/碳纤维热塑性耐磨层预浸料，尼龙6树脂的质量分数约为45%。将一层耐磨层预浸料铺贴在干态碳纤维预成型体表面，纤维预成型体为T300碳纤维帘子布G0827按照规定铺层方式铺覆。按照液态成型工艺要求，注入RTM氰酸酯树脂，至预成型体浸润完全，升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。耐磨层预浸料与干态碳纤维预成型体在液态成型工艺下实现共固化，界面结合良好，对液态成型复合材料的性能及成型工艺无任何影响，且有效的提高了复合材料表面的耐磨损性能。

实施例6

将尼龙66树脂纺丝制备成纤维，与玄武岩纤维混纱并织造成平纹或缎纹机织物，然后经270℃热辊加热加压浸渍制备成尼龙/玄武岩纤维热塑性耐磨层预浸料，尼龙66树脂的质量分数约为45%。，将耐磨层预浸料按照[45/0/-45]的铺层方式，铺贴在干态碳纤维预成型体表面，纤维预成型体为国产碳纤维单向无纬织物U3160按照规定铺层方式铺覆。按照液态成型工艺要求，注入高温环氧树脂体系5284RTM，至预成型体浸润完全，升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选高温环氧树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。耐磨层预浸料与干态碳纤维预成型体在液态成型工艺下实现共固化，界面结合良好，对液态成型复合材料的性能及成型工艺无任何影响，且有效的提高了复合材料表面的耐磨损性能。

Claims (5)

1.一种提高液态成型复合材料表面耐磨损性能的方法，其特征是，在液态成型复合材料表面预制耐磨层，耐磨层复合材料所用的树脂基体为热固性树脂或热塑性树脂中的耐磨树脂，耐磨层预浸料的纤维增强体为玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、玄武岩纤维中的一种或上述纤维的混编体，在液态成型复合材料表面预制耐磨层工艺步骤如下：

a)将所选用的耐磨热固性树脂基体与纤维增强体通过湿法、热熔法制备耐磨层预浸料，耐磨热塑性树脂与纤维增强体通过粉末法、混纱法、共编法等工艺制备热塑性耐磨层预浸料，控制耐磨层预浸料的树脂质量含量为30~50%。

b)将制备完成的耐磨层预浸料在100-150℃下进行预聚处理，将经过预聚处理的防磨层预浸料裁切后，铺覆于干态纤维预成型体的表面，然后一起铺放于液态成型模具中，完成合模工序；

c)将液态成型工艺树脂基体利用液态成型工艺注射入完成合模工序的预成型体中，然后在100-150℃下完成固化，从而得到表面具有耐磨层的液态成型复合材料。

2.如权利要求1所述的一种提高液态成型复合材料表面耐磨损性能的方法，其特征是，所述的耐磨层预浸料的热固性树脂基体为苯并嗪树脂或酚醛树脂，热塑性树脂基体为聚芳醚酮或尼龙。

3.如权利要求1所述的一种提高液态成型复合材料表面耐磨损性能的方法，其特征是，所述的耐磨层预浸料的纤维增强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非屈曲织物。

4.如权利要求1所述的一种提高液态成型复合材料表面耐磨损性能的方法，其特征是，所述的液态成型复合材料的基体树脂为环氧树脂或氰酸酯树脂或双马来酰亚胺树脂或热固性聚酰亚胺树脂或不饱和聚酯树脂。

5.如权利要求1所述的一种提高液态成型复合材料表面耐磨损性能的方法，其特征是，所述的液态成型复合材料的纤维增强体为玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、玄武岩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非屈曲织物。