CN103921452A - 一种采用低树脂含量预浸料制备复合材料的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高性能复合材料的低成本制造技术领域，涉及一种采用低树脂含量的纤维增强预浸料制备复合材料的工艺方法。首先，通过精确调控湿法预浸料制备工艺过程中树脂溶液的浓度，来调控预浸料中的树脂含量，在保证预浸料结构完整性及工艺操作性的前提下，实现树脂对纤维丝束的部分浸润，得到一种低树脂含量的预浸料。后续，结合闭模RTM成型工艺，依靠低黏度RTM树脂的注射、流动，最终完成对增强纤维的完全浸润，得到一种兼顾预浸料复合材料良好的铺覆工艺性、高纤维准直度及纤维体积分数，又能结合RTM工艺制造灵活性的高性能复合材料。

Description

一种采用低树脂含量预浸料制备复合材料的工艺方法
技术领域
本发明属于高性能复合材料的低成本制造技术领域，涉及一种采用低树脂含量预浸料制备复合材料的工艺方法。
背景技术
目前，在复合材料制造技术领域中，传统的预浸料热压罐成型工艺应用较为广泛，通过树脂与增强纤维的预先复合得到高纤维准直度的预浸料，经过热压罐成型工艺可制备具有较高纤维体积分数的优异力学性能的复合材料。但对于预浸料热压罐成型工艺而言，其更多的应用于制备大面积的壁板类结果，而对于一些具有复杂结构形式的整体复合材料构件而言，其制造灵活性较差，同时热压罐成型工艺耗时、耗能，制造成本较高。
液态成型工艺尤其是树脂传递模塑（RTM）工艺作为一种新型的复合材料成型工艺技术，是近年来航空复合材料低成本制造技术发展的主流。RTM工艺是一种闭模成型工艺，其工艺原理是在密闭的模腔内，通过压力驱动树脂流动并完成对干态纤维预成型体的浸润。与传统的预浸料-热压罐成型工艺相比，虽然RTM工艺制备的复合材料力学性能有一定程度的降低，但RTM工艺具有更高的制造精度，包括制件的外形尺寸、表面光洁度等，并且其结构设计效率较高，尤其适用于复杂构型复合材料制件的整体化制造，同时大大降低了复合材料制件的制造工艺成本和后续的装配成本。
对于RTM成型工艺而言，定型预制技术是其首要的关键技术，制备具有良好的结构自支撑能力的近净尺寸纤维预成型体，将直接影响到后续RTM成型工艺中树脂对预成型体的浸润效果，进而影响复合材料的内部质量及结构性能。传统的预浸料具有良好的表面黏性和铺覆特性，如果能将具有良好铺覆特性以及高纤维准直度的预浸料应用到RTM工艺中，便能够有效地解决近净尺寸预成型体定型、预制等技术难题，同时可以有效避免增强纤维在铺覆过程中发生屈曲变形，进而有效提高RTM复合材料制件的综合性能。
发明内容
本发明的目的是：本发明的目的是提出一种采用低树脂含量预浸料制备复合材料的工艺方法。得到一种兼顾预浸料复合材料良好的铺覆工艺性、高纤维准直度及高纤维体积分数，又能结合RTM工艺制造灵活性的高性能复合材料。
本发明的技术方案是：选择RTM成型树脂体系或者其预聚物配制成浓度为20%～30%wt的树脂溶液；采用湿法预浸工艺制备低树脂含量纤维增强预浸料，控制预浸料树脂含量为15%～25%wt；将制备好的低树脂含量预浸料铺层后，放置在RTM成型用闭合模具的模腔中，合模并注入RTM成型树脂，完成对增强纤维丝束完全浸润；按照所选RTM树脂体系的固化工艺，升温、固化，脱模后得到复合材料。
制备低树脂含量预浸料所选用的树脂基体与RTM成型工艺所选用的树脂基体完全相同或者是RTM成型树脂的预聚物，所选用的树脂基体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。
采用湿法预浸工艺制备低树脂含量预浸料所选用的纤维增强体可以为，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。
湿法预浸工艺中所用的树脂溶液浓度优选为25%wt。
所制备的低树脂含量预浸料中的树脂含量优选为18%wt。
本发明的优点是：
本发明中提出的一种采用低树脂含量预浸料制备复合材料的工艺方法，为一种低树脂含量预浸料与RTM成型工艺结合的、新型的工艺技术。将预浸料与RTM成型工艺相结合，通过精确调控湿法预浸料制备工艺过程中树脂溶液的浓度，来调控预浸料中的树脂含量，在保证预浸料结构完整性及工艺操作性的前提下，实现树脂对纤维丝束的部分浸润，得到一种低树脂含量的预浸料。后续，结合闭模RTM成型工艺，依靠低黏度RTM树脂的注射、流动，最终完成对增强纤维的完全浸润。既可以发挥预浸料复合材料高纤维准直度、纤维体积分数及优异的面内力学性能、良好的铺覆工艺性，又结合RTM工艺制造复杂结构复合材料制件的灵活性，借助闭合模具内RTM树脂与预浸料树脂发生的协同流动，完成对纤维增强丝束的完全浸润，得到一种兼顾预浸料及RTM成型工艺优点的高性能复合材料。
其工艺优势有三，第一、有利于实现近净尺寸预成型体的制造；第二、提高预成型体中纤维的准直度及体积分数，有利于复合材料制件面内性能的提高；第三、在RTM工艺过程中，低树脂含量胶预浸料中的树脂会与后续注入的树脂在压力的驱动下协同流动，降低了复合材料层间及纤维束内出现缺陷的机率。
具体实施方式
首先，通过精确调控湿法预浸料制备工艺过程中树脂溶液的浓度，来调控预浸料中的树脂含量，在保证预浸料结构完整性、表面黏性、工艺操作性及可压缩性的前提下，实现树脂对纤维丝束的部分浸润，得到一种低树脂含量的预浸料。后续，将这种低树脂含量的预浸料放置在RTM成型用闭合模具内，依靠RTM工艺中，低黏度RTM树脂的注射、流动，最终完成对增强纤维丝束的完全浸润，固化后，得到一种兼顾预浸料复合材料良好的铺覆工艺性、高纤维准直度及纤维体积分数，又能结合RTM工艺制造灵活性的高性能复合材料，其工艺步骤如下：
a)选择RTM成型树脂体系或者其预聚物，将其溶解在丙酮溶剂中，并进行机械搅拌，配制成浓度为20%～30%wt的树脂溶液；
b)采用湿法预浸工艺制备低树脂含量纤维增强预浸料，通过调控树脂溶液的浓度，使树脂部分浸润纤维增强体，最终控制预浸料树脂含量为15%～25%wt；
c)将制备好的低树脂含量预浸料铺层后，放置在RTM成型用闭合模具的模腔中，合模并注入RTM成型树脂，完成对增强纤维丝束完全浸润；
d)按照所选RTM树脂体系的固化工艺，升温、固化，脱模后得到复合材料。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施例
具体实施例1
选择典型RTM高温环氧树脂作为基体树脂，将其在160℃下预聚30min得到预浸料级树脂基体，将其溶解在丙酮中配制为树脂溶液，溶液浓度为25%wt。选用国产CCF300碳纤维作为增强体，利用湿法预浸工艺制备低树脂含量预浸料，其中树脂含量为18%wt。按照[0]16的铺层方式，完成预成型体铺贴，将其放置在RTM成型用闭合模具内，合模压缩至2mm厚度，在0.2MPa的压力辅助下，注入RTM高温环氧树脂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，最终得到的复合材料。
具体实施例2
选择典型RTM高温环氧树脂作为基体树脂，将其在160℃下预聚30min得到预浸料级树脂基体，将其溶解在丙酮中配制为树脂溶液，溶液浓度为30%wt。选用U3160国产碳纤维单向无纬织物作为增强体，利用湿法预浸工艺制备低树脂含量预浸料，其中树脂含量为20%wt。按照[45/-45]3s的铺层方式，完成预成型体铺贴，将其放置在RTM成型用闭合模具内，合模压缩至2mm厚度，在0.2MPa的压力辅助下，注入RTM高温环氧树脂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，最终得到的复合材料。
具体实施例3
选择典型RTM双马来酰亚胺树脂作为基体树脂，将其在130℃下预聚90min得到预浸料级树脂基体，将其溶解在丙酮中配制为树脂溶液，溶液浓度为25%wt。选用CF3031国产碳纤维斜纹织物作为增强体，利用湿法预浸工艺制备低树脂含量预浸料，其中树脂含量为15%wt。按照[0]9的铺层方式，完成预成型体铺贴，将其放置在RTM成型用闭合模具内，合模压缩至2mm厚度，在0.2MPa的压力辅助下，注入RTM双马来酰亚胺树脂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，最终得到的复合材料。
具体实施例4
选择典型RTM氰酸酯树脂作为基体树脂，将其在150℃下预聚60min得到预浸料级树脂基体，将其溶解在丙酮中配制为树脂溶液，溶液浓度为23%wt。选用国产石英纤维缎纹织物作为增强体，利用湿法预浸工艺制备低树脂含量预浸料，其中树脂含量为18%wt。按照[0]8的铺层方式，完成预成型体铺贴，将其放置在RTM成型用闭合模具内，合模压缩至2mm厚度，在0.2MPa的压力辅助下，注入RTM氰酸酯树脂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，最终得到的复合材料。
具体实施例5
选择典型RTM中温环氧树脂作为基体树脂，将其在90℃下预聚30min得到预浸料级树脂基体，将其溶解在丙酮中配制为树脂溶液，溶液浓度为30%wt。选用国产高强玻璃纤维缎纹织物作为增强体，利用湿法预浸工艺制备低树脂含量预浸料，其中树脂含量为25%wt。按照[45/-45]2s的铺层方式，完成预成型体铺贴，将其放置在RTM成型用闭合模具内，合模压缩至2mm厚度，在0.2MPa的压力辅助下，注入RTM中温环氧树脂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，最终得到的复合材料。
具体实施例6
选择典型RTM氰酸酯树脂作为基体树脂，将其在150℃下预聚60min得到预浸料级树脂基体，将其溶解在丙酮中配制为树脂溶液，溶液浓度为25%wt。选用U3160国产碳纤维单向无纬织物作为增强体，利用湿法预浸工艺制备低树脂含量预浸料，其中树脂含量为18%wt。按照[02/45/90/-45/03/45/90/-45/03/45/-45/03/-45/90/45/03/-45/90/45/02]2s的铺层方式，完成复杂结构复合材料双曲臂梁主承力臂预成型体铺层，再按照[02/45/90/-45/03/45/90/-45/03/45/-45/03/-45/90/45/03/-45/90/45/02/45/90/-45/03/45/03/45/90/-45/02]s的铺层方式，完成复杂结构复合材料双曲臂梁腹梁预成型体铺层，将主承力臂预成型体与腹梁预成型体在RTM成型用闭合模具内组装，合模，在0.2MPa的压力辅助下，注入RTM氰酸酯树脂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，最终得到的复合材料。
具体实施例7
选择典型RTM中温环氧树脂作为基体树脂，将其在90℃下预聚30min得到预浸料级树脂基体，将其溶解在丙酮中配制为树脂溶液，溶液浓度为25%wt。选用CF3052国产碳纤维斜纹织物作为增强体，利用湿法预浸工艺制备低树脂含量预浸料，其中树脂含量为18%wt。按照[45/0/-45/90]2的铺层方式，完成复杂结构复合材料口框蒙皮预成型体铺贴，按照[45/0/-45/90]2的铺层方式，完成复杂结构复合材料口框L型加强筋预成型体铺贴，将蒙皮预成型体与L型加强筋预成型体在RTM成型用闭合模具内组装，合模压缩至4.8mm厚度，在0.2MPa的压力辅助下，注入RTM中温环氧树脂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，最终得到的复合材料。
具体实施例8
选择典型RTM双马来酰亚胺树脂作为基体树脂，将其在130℃下预聚90min得到预浸料级树脂基体，将其溶解在丙酮中配制为树脂溶液，溶液浓度为25%wt。选用U7192碳纤维单向无纬织物作为增强体，利用湿法预浸工艺制备低树脂含量预浸料，其中树脂含量为18%wt。按照[45/-45/0/-45/45]的铺层方式，完成复杂结构复合材料唇口蒙皮预成型体铺层，再按照[0/-45/90/45]s+[-45/90]s的铺层方式完成支撑肋预成型体铺层，将蒙皮预成型体与支撑肋预成型体在RTM成型用闭合模具内组装，合模，在0.2MPa的压力辅助下，注入RTM双马来酰亚胺树脂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，最终得到的复合材料。

Claims (5)

1.一种采用低树脂含量预浸料制备复合材料的工艺方法，其特征是，选择RTM成型树脂体系或者其预聚物配制成浓度为20%～30%wt的树脂溶液；采用湿法预浸工艺制备低树脂含量纤维增强预浸料，控制预浸料中树脂含量为15%～25%wt；将制备好的低树脂含量预浸料铺层后，放置在RTM成型用闭合模具的模腔中，合模并注入RTM成型树脂，完成对增强纤维丝束完全浸润；按照所选RTM树脂体系的固化工艺，升温、固化，脱模后得到复合材料。
2.如权利要求1所述的一种采用低树脂含量预浸料制备复合材料的工艺方法，其特征是，制备低树脂含量预浸料所选用的树脂基体与RTM成型工艺所选用的树脂基体完全相同或者是RTM成型树脂的预聚物，所选用的树脂基体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。
3.如权利要求1所述的一种采用低树脂含量预浸料制备复合材料的工艺方法，其特征是，采用湿法预浸工艺制备低树脂含量预浸料所选用的纤维增强体可以为，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。
4.如权利要求1所述的一种采用低树脂含量预浸料制备复合材料的工艺方法，其特征是，湿法预浸工艺中所用的树脂溶液浓度优选为25%wt。
5.如权利要求1所述的一种采用低树脂含量预浸料制备复合材料的工艺方法，其特征是，所制备的低树脂含量预浸料中的树脂含量优选为18%wt。
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