CN103112175A - 一种连续纤维自增强梯度层合板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续纤维自增强梯度层合板及其制备方法，层合板的纤维体积含量与材料性能沿层合板厚度方向呈梯度分布，纤维体积含量由10%到60%变化，各层之间的体积含量差为3%-10%，层数为6-50层。使用摇黑板机进行纤维缠绕，通过改变摇纱密度改变纤维体积含量，并熔融热压成形，可制得。本发明获得了优异的各项力学性能，尤其是横向拉伸强度及纵横向剪切强度，可大约提高10%-20%；制备方法简单，能耗低，易成型，且容易实现大批量生产。

Description

一种连续纤维自增强梯度层合板及其制备方法
技术领域
本发明属于工程用结构材料及其制备领域，特别涉及一种连续纤维自增强梯度层合板及其制备方法。
背景技术
对于连续纤维增强复合材料层合板，由于纤维本身优异的力学性能及较强的可设计性，使其有着广泛的应用。然而一般连续纤维增强复合材料的纵向拉伸强度较高，但横向拉伸和剪切强度却较低。目前层合板的制备和设计时主要考虑纤维铺层方向对力学性能的影响，所以一般考虑的是对不同铺层角的复合材料进行结构优化分析。实际上，除纤维铺层角外，纤维体积含量对层合板的力学强度的影响也很大。另外，目前人们也采取很多其他方法来提高复合材料的各向力学强度，但这些制备方法复杂，能耗高，不适宜广泛应用到普通结构材料上，也不易实现大批量生产和制成大的结构部件。为此，应从新的角度来考虑既可提高复合材料的力学性能，又能满足日常的不同结构部件的需求的新的复合材料结构及制备方法。
功能梯度材料是一种多相非均匀材料，一般由两种材料组成，但与一般的两相层合材料不同，它是一种全新的非均质复合材料，由于梯度复合材料的优异的可设计性，使其航空航天、核工程、智能系统、能源领域、生物医学领域、电磁学、光电工程等方面有广泛的应用价值。目前关于梯度材料的研究，主要是陶瓷-金属等颗粒增强梯度复合材料，主要考虑的是利用梯度实现热防护、电、磁等功能性，而且目前文献中提到的纤维梯度复合材料均为短纤维增强或稍长纤维增强梯度复合材料，尽管也有学者曾提出层合板状纺织结构梯度复合材料并进行了初步的弯曲性能的研究，但这种结构由于使机织物呈梯度变化，难以实现，所以没有更进一步的研究和引起广泛关注。由于连续纤维本身优异的性能，所以应研究新的可以制备连续纤维增强梯度复合材料的制备方法，以提高复合材料的力学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种连续纤维自增强梯度层合板及其制备方法，该层合板获得了优异的各项力学性能，尤其是横向拉伸强度及纵横向剪切强度，可大约提高10%-20%；制备方法简单，能耗低，易成型，且容易实现大批量生产。
本发明的一种连续纤维自增强梯度层合板，纤维体积含量与材料性能沿层合板厚度方向呈梯度分布，纤维体积含量由10%到60%变化，各层之间的体积含量差为3%-10%，层数为6-50层。
所述层合板的增强体为连续超高分子量聚乙烯纤维UHMWPE，基体为低密度聚乙烯LDPE或高密度聚乙烯HDPE。
所述梯度变化方向为自外向内增加（对称）或减少或者自上向下增加或减少（非对称）。
本发明的一种连续纤维自增强梯度层合板的制备方法，包括：
（1）将UHMWPE纤维均匀地缠绕在1-3mm厚的钢板上，通过调节摇纱密度来改变纤维缠绕密度，得到不同体积含量的预料，体积含量由10%到60%变化；
（2）将预料的两面各铺上2-4层LDPE或HDPE薄膜，随后在两面各覆上一层防粘膜，并加上模具；将模具移至平板硫化机的上下压板之间，在卸载条件下预热1-3分钟，热压3-10分钟，使基体熔融且与纤维充分结合，随模具自然冷却至室温，以降低热压过程中产生的残余热应力及小的气泡，脱模得到不同体积含量的单层预浸料；
（3）将上述不同体积含量的单层预浸料，沿厚度方向按照各层之间的体积含量差3%-10%自外向内或自上而下进行铺层，层数为6-50层；热压3-10分钟，随模具自然冷却至室温，卸下模具，即得连续纤维自增强梯度层合板。
所述步骤（1）中采用棉纱摇黑板机缠绕纤维。
所述步骤（2）中的防粘膜为聚四氟乙烯布或芳纶布，以防止气泡产生。
所述步骤（2）中的预热温度为110-130℃，热压压强为0.5-1.5MPa，热压温度为115-130℃。
所述步骤（3）中的热压压强为0.5-1.5MPa，热压温度为115-130℃。
对于复合材料层合板，除了纤维铺层角外，纤维体积含量对复合材料的力学性能有很大影响，随纤维体积率增加，纵向强度明显增大，而横向强度和剪切强度纤维体积率增加而下降。本发明构思通过纤维体积含量的梯度变化，来综合考虑聚乙烯自增强复合材料在拉伸作用下纵横向拉伸及剪切强度，达到最佳的性能组合并获得力学性能更加优异的轻质高强复合材料。
有益效果
（1）本发明采用棉纱摇黑板机缠绕纤维，并通过摇纱密度的改变来得到不同的纤维体积含量，代替手工缠绕法，提高缠绕精度并大大节省时间，提高效率；
（2）本发明制备的梯度自增强层合板，采用梯度化铺层使层合板获得了优异的各项力学性能，尤其是横向拉伸强度及纵横向剪切强度，可大约提高10%-20%；因此，梯度结构可以提高层合板的力学性能；
（3）本发明的制备方法简单，能耗低，易成型，且容易实现大批量生产。
附图说明
图1为实施例1中F1、F2、L的层合板结构示意图；
图2为纵向拉伸应力-应变关系；
图3为横向拉伸应力-应变关系；
图4为纵横向剪切拉伸应力-应变关系。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
1、单层板制备：用棉纱摇黑板根据摇纱密度不同，制备了体积百分率从11%到50%等10种不同体积含量的单层板；
2、进行优化分析后，选取单层体积含量为:19%（1#），25%（2#），31%（3#）
制备出两种梯度变化方向的梯度层合板，F1:[3#/2#/1#]s和F2:[1#/2#/3#]s，并制备了普通的层合板（L：[2#]6s）进行对比试验（梯度层合板的结构见示意图1）。每种试样制备5个，力学试验按照GB/T1447-2005进行测试，5次实验取平均值。具体步骤如下：
第一步：纤维缠绕
1>采用棉纱摇黑板机将纤维均匀地缠绕在1-3mm厚的钢板上；
2>通过调节摇纱密度来改变纤维缠绕密度，以制备出不同体积百分率（19%（1#），25%（2#），31%（3#））的单层板。
第二步：熔融热压，制备单层板
1>在缠绕均匀的预料两面各铺上2-4层LDPE薄膜，随后在两面各覆上一层聚四氟乙烯脱模布，加上模具；
2>将装有预料的模具移至平板硫化机的上下压板之间，在卸载条件下以110-120℃预热2-4min；
3>在压强0.5-1.5MPa和温度115-130℃的热压工艺条件下加压3-10min，使基体熔融且与纤维充分结合；
4>随模具自然冷却至室温，以降低热压过程中产生的残余热应力及小的气泡，脱模；
第三步：热压成形，制备层合板
1>将制备的不同体积含量的单层预浸料，沿厚度方向进行铺层；
2>在温度115-130℃、压强0.5-1.5MPa的热压工艺条件下，热压3-10min；
3>随模具自然冷却至室温，卸下模具。
3、三种层合板的力学性能：
从附图1-3中可以看出，梯度层合板的纵横向强度和剪切强度均有所提高，且比各层纤维体积含量均匀分布的普通层合板提高大约10%-20%。

Claims (8)

1.一种连续纤维自增强梯度层合板，其特征在于：纤维体积含量与材料性能沿层合板厚度方向呈梯度分布，纤维体积含量由10%到60%变化，各层之间的体积含量差为3%-10%，层数为6-50层。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维自增强梯度层合板，其特征在于：所述层合板的增强体为连续超高分子量聚乙烯纤维UHMWPE，基体为低密度聚乙烯LDPE或高密度聚乙烯HDPE。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维自增强梯度层合板，其特征在于：所述梯度变化方向为自外向内增加或减少或者自上向下增加或减少。
4.一种连续纤维自增强梯度层合板的制备方法，包括：
（1）将UHMWPE纤维均匀地缠绕在1-3mm厚的钢板上，通过调节摇纱密度来改变纤维缠绕密度，得到不同体积含量的预料，体积含量由10%到60%变化；
（2）将预料的两面各铺上2-4层LDPE或HDPE薄膜，随后在两面各覆上一层防粘膜，并加上模具；将模具移至平板硫化机的上下压板之间，在卸载条件下预热1-3分钟，热压3-10分钟，随模具自然冷却至室温，脱模得到不同体积含量的单层预浸料；
（3）将上述不同体积含量的单层预浸料，沿厚度方向按照各层之间的体积含量差3%-10%自外向内或自上而下进行铺层，层数为6-50层；热压3-10分钟，随模具自然冷却至室温，卸下模具，即得连续纤维自增强梯度层合板。
5.根据权利要求4所述的一种连续纤维自增强梯度层合板的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中采用棉纱摇黑板机缠绕纤维。
6.根据权利要求4所述的一种连续纤维自增强梯度层合板的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的防粘膜为聚四氟乙烯布或芳纶布。
7.根据权利要求4所述的一种连续纤维自增强梯度层合板的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的预热温度为110-130℃，热压压强为0.5-1.5MPa，热压温度为115-130℃。
8.根据权利要求4所述的一种连续纤维自增强梯度层合板的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的热压压强为0.5-1.5MPa，热压温度为115-130℃。
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