CN103171212B - 一种增韧的叠层复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种增韧的叠层复合材料及其制备方法，这种叠层复合材料包含了传统的碳纤维叠层复合材料及插层于层间的柔性泡沫体薄层，即选择一定体密度和厚度的大开孔和高开孔率的泡沫体薄层作为插层材料增韧叠层复合材料，将开孔的泡沫体薄层插层于碳纤维铺层层间，在成型时的高压力下，柔性泡沫体薄层被压缩形成适配于层间增韧所需的密度和厚度，随后在树脂成型固化工艺下得到增韧的复合材料。本发明中柔性泡沫体的结构仍然保持连续性和具有在垂直层间方向的分布，从而得到更优异韧性的叠层复合材料，此外泡沫体的通透性不影响成型过程中树脂的流动。
Description
技术领域
本发明属于复合材料的增韧技术领域，涉及一种增韧的叠层复合材料及其制备方法。
背景技术
连续碳纤维增强的树脂基叠层复合材料越来越多地用于飞机主结构材料,如A380、B787等都使用了大量的复合材料。但这种材料的抗低速冲击问题以及由此带来的防冰雹冲击问题也遭到了质疑。国内外针对叠层复合材料的增韧进行了大量了的研究，在研究前沿上，如构造纤维和碳纳米管微纳米杂化结构，利用分子自组装技术成长刚棒进行树脂内增韧，掺杂碳纳米材料。但这些方法仅仅只适用于基础研究上，总会遇到成型加工性上的问题如工艺流程繁难、体系黏度大等，且真正的增韧效果并不看好。
传统的方法则有如原位增韧，如扩链增韧和形成互穿网络结构增韧，韧性则和交联密度有关，但韧性提高的结果往往是体系黏度变大工艺性变差、复合材料面内性能下降。而且树脂基体的韧性也不能有效转化到复合材料的抗低速冲击损伤性能上去。
较为广泛采用的方法则大多可以归属到层间增韧的插层技术，即在层间放入热塑性树脂颗粒、橡胶粒子、热塑性薄膜、热塑性纤维无纺布等使层间韧性得到提高。如CN101220561发展来的“离位”增韧技术，将热塑性树脂置于纤维铺层之间，而在工艺条件下则树脂溶解随后又发生分相形成复相结构，经过固化成型后层间多层次多相增韧相结构不降低其他力学性能，且使复合材料的压缩后冲击强度(CAI)提高100%以上，但对热塑性树脂的溶解性要求比较苛刻，若热塑性树脂在热固性树脂中具有一定溶解度则在注胶过程中导致增粘难以流动和被冲刷分散不均等现象；如WO9009410-A等将分散性颗粒加入层间用于增韧，但这种将分散性热塑性颗粒加入后颗粒结构和形貌几乎不发生改变，但分散性颗粒不易附着于碳纤维织物表面且容易产生粉尘污染；还有一种被实际应用的方法则是在层间加入尼龙无纺布等材料，能使复合材料的层间断裂韧性和CAI得到大幅度提高，但无纺布的纤维在层间倾向于层间分布，这在原理上不利于层间断裂韧性的提高；专利201110376947.9则提出了一种利用在层间利用聚酰亚胺泡沫前驱体在层间发泡并构建增韧物质的三维连续结构，但这种方法在发泡时需要经过较高的温度处理使聚酰亚胺泡沫前驱体转变为聚酰亚胺,不利于实际生产过程。
发明内容
本发明的目的：针对以上技术的不足之处,本发明提出了一种增韧的叠层复合材料及其制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种增韧的叠层复合材料，叠层复合材料由碳纤维铺层、被压缩的柔性泡沫薄层、固化的基体树脂组成。碳纤维铺层和被压缩的柔性泡沫薄层一层层叠在一起组成叠层复合材料的骨架，固化的基体树脂浸渍并充满整个叠层复合材料。被压缩的柔性泡沫薄层以插层形式分布于叠层复合材料的碳纤维铺层的层间，泡沫薄层的数量和碳纤维铺层数量之比在0.5～1之间，且每两个相邻碳纤维铺层的层间中插层的柔性泡沫薄层数量不多于1层，且优先分布于叠层复合材料的中心层间和靠近叠层复合材料中心的层间。被压缩的柔性泡沫薄层厚度小于60μm，单位面积质量在5～40g/m2之间。
制备方法为首先将柔性泡沫体切割成薄片状，薄片的面密度为5～40g/m2，其中柔性泡沫体指的是开孔的泡沫，通孔率在95%～100%，体密度为1～20kg/m3，其中薄片在5Mpa的压力下厚度小于60μm；随后将切割得到的泡沫薄片放置进入传统连续碳纤维叠层复合材料所用的碳纤维织物或预浸料的层间，每一个层间插层的柔性泡沫薄层数量不多于1层，且优先插层叠层复合材料的中心层间和靠近叠层复合材料中心的层间，最后压缩成制件所需要的尺寸，按基体树脂的成型条件固化成型。
所述的柔性泡沫体的材料为聚酰亚胺、尼龙、聚芳醚酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮、三聚氰胺、聚氨酯、PMI、聚乙烯。
碳纤维及其织物的种类和形式包含各种商业化的碳纤维T300、T800、T700、CCF300，其编织方式可以为单向、平纹、斜纹、缎纹。
基体树脂为环氧树脂、苯并噁嗪树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂。
成型固化工艺可以为热压罐成型、RTM、模压、真空辅助或真空袋成型。
本发明的优点和特点是：
利用大开孔的柔性泡沫体薄层作为层间插层材料，组成柔性泡沫体的物质的韧性可以对复合材料起到增韧作用，而其结构仍然能保持连续性和具有在垂直层间方向的分布和高的通透性，从而得到更优异韧性的叠层复合材料，此外泡沫体的通透性不影响成型过程中树脂的流动，泡沫材料的多样性为增韧材料提供更多的选择。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的设计和制备技术做进一步详细说明。
实施例1：
（1-1）将密度为5kg/m3聚酰亚胺泡沫（型号AC530）或11kg/m3的尼龙泡沫或7kg/m3的聚醚酰亚胺泡沫置于真空烘箱中抽真空使其充分开孔，随后分别切割成3mm厚的聚酰亚胺泡沫或1mm厚的尼龙泡沫或2mm厚的聚醚酰亚胺泡沫薄片，此时薄片面密度为15g/m2或11g/m2或14g/m2；
（1-2）将上述得到的泡沫体薄层一一放置于连续碳纤维单向增强的环氧树脂基预浸料的层间进行铺层，使每一个层间都插层一层泡沫体薄层，碳纤维T300、3K或碳纤维T800、12K，环氧树脂5228（北京航空材料研究院产品）或QY9611（北京航空制造工程研究所产品），压缩并定型后得到插层的复合材料预制体；
（1-3）按该环氧树脂预浸料规定的固化工艺，将上述插层泡沫体薄层的复合材料预制体利用常规的模压方法进行真空成型固化，得到环氧树脂基增韧的复合材料制品。
实施例2：
（2-1）将密度为3kg/m3PMI泡沫或9kg/m3的聚乙烯泡沫分别切割成1mm厚的PMI泡沫或3.5mm厚的聚乙烯泡沫的薄片，此时薄片面密度为3g/m2或31.5g/m2；
（2-2）将上述得到的泡沫薄层一一放置于连续碳纤维增强缎纹织物的层间进行铺层，泡沫薄层集中插层在中间及邻近中间层的60%总的层间数量的层间，碳纤维T700、12K，加压定型后置于模具中固定形状；
（2-3）利用RTM工艺，将液态苯并噁嗪（BOZ）树脂、德国Henkel公司产品Epsilon，注入预制体并浸渍完全，然后按照该BOZ树脂规定的工艺进行成型和固化，得到RTM成型的增韧的复合材料制品。
实施例3：
（3-1）将密度为7kg/m3PMI泡沫或13kg/m3的聚醚醚酮泡沫分别切割成1mm厚的PMI泡沫或2mm厚的聚醚醚酮泡沫的薄片，此时薄片面密度为7g/m2或26g/m2；
（3-2）将上述泡沫体薄层一一放置于碳纤维织物层间进行铺层，泡沫薄层集中插层在中间及邻近中间层的80%总的层间数量的层间，碳纤维T300、3K，置于模具中加压固定形状；
（3-3）利用RTM工艺，将液态双马来酰亚胺（BMI）树脂6421（北京航空材料研究院产品），按照该树脂RTM成型的工艺要求注入，然后再按规定的工艺进行成型固化，得到增韧的双马来酰亚胺树脂基复合材料制品。
实施例4：
（4-1）将密度为7.1kg/m3聚酰亚胺泡沫或10.5kg/m3的聚醚酰亚胺泡沫分别切割成0.5mm厚的聚酰亚胺泡沫或1.5mm厚的聚醚酰亚胺的薄片，此时薄片面密度为3.55g/m2或15.75g/m2；
（4-2）将上述得到的泡沫体薄层一一放置于连续碳纤维单向增强的聚酰亚胺树脂基预浸料的层间进行铺层，使每一个层间都插层一层泡沫体薄层，碳纤维T700、12K，聚酰亚胺树脂基预浸料牌号LP15（北京航空材料研究院产品），得到预制体；
（4-3）利用热压罐工艺，将上述结构预制体按照该预浸料规定的工艺进行成型固化，得到增韧的高温聚酰亚胺复合材料制品。
实施例5：
（5-1）将密度为8kg/m3的尼龙泡沫或4.5kg/m3的聚氨酯泡沫置于真空烘箱中抽真空使其充分开孔，随后分别切割成1.5mm厚的尼龙泡沫或2mm厚的聚氨酯泡沫的薄片，此时薄片面密度为12g/m2或9g/m2；
（5-2）将上述泡沫体薄层一一放置于碳纤维织物层间进行铺层，使每一个层间都插层一层泡沫体薄层，碳纤维CCF300、3K，置于模具压缩并合模固定得到复合材料预制体；
（5-3）利用RTM工艺，将液态环氧树脂3266（北京航空材料研究院产品），按照该树脂RTM成型的工艺要求注入，然后再按规定的工艺进行成型固化，得到增韧的环氧树脂基复合材料制品。
Claims (5)
1.一种增韧的叠层复合材料，其特征为，叠层复合材料由碳纤维铺层、被压缩的柔性泡沫薄层、固化的基体树脂组成，碳纤维铺层和被压缩的柔性泡沫薄层一层层叠在一起组成叠层复合材料的骨架，固化的基体树脂浸渍并充满整个叠层复合材料，被压缩的柔性泡沫薄层以插层形式分布于叠层复合材料的碳纤维铺层的层间，泡沫薄层的数量和碳纤维铺层数量之比在0.5～1之间，且每两个相邻碳纤维铺层的层间中插层的柔性泡沫薄层数量不多于1层，且分布于叠层复合材料的中心层间和靠近叠层复合材料中心的层间，被压缩的柔性泡沫薄层厚度小于60μm，单位面积质量在5～40g/m2之间；
制备方法为，首先将柔性泡沫体切割成薄片状，薄片的面密度为5～40g/m2，其中柔性泡沫体指的是开孔的泡沫，通孔率在95％～100％，体密度为1～20kg/m3，其中薄片在5MPa的压力下厚度小于60μm；随后将切割得到的泡沫薄片放置进入传统连续碳纤维叠层复合材料所用的碳纤维织物或预浸料的层间，每一个层间插层的柔性泡沫薄层数量不多于1层，且插层叠层复合材料的中心层间和靠近叠层复合材料中心的层间，最后压缩成制件所需要的尺寸，按基体树脂的成型条件固化成型。
2.根据权利要求1所述的一种增韧的叠层复合材料，其特征为，所述的柔性泡沫体的材料为聚酰亚胺、尼龙、聚芳醚酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮、三聚氰胺、聚氨酯、PMI、聚乙烯。
3.根据权利要求1所述的一种增韧的叠层复合材料，其特征在于：碳纤维为T300、T800、T700、CCF300，碳纤维织物的编织方式为单向、平纹、斜纹、缎纹。
4.根据权利要求1所述的一种增韧的叠层复合材料，其特征在于：基体树脂为环氧树脂、苯并噁嗪树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂。
5.根据权利要求1所述的一种增韧的叠层复合材料，其特征在于：成型固化工艺为热压罐成型、RTM、模压、真空辅助或真空袋成型。
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