CN104589672A - 一种形状记忆复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于形状记忆材料技术领域，涉及一种面向航空航天领域应用的形状记忆复合材料的制备方法。本发明中的形状记忆复合材料采用取向非连续纤维与形状记忆热塑性或热固性树脂基体复合得到，纤维在复合材料中呈高度取向状态，与连续纤维增强复合材料相比力学性能保持率较高；同时纤维是不连续的，且纤维平均长度与纤维体积分数均可调节，通过协同优化可提高材料在形状记忆转变温度以上的破坏应变，使其具备较好的变形性和较高的折叠率，同时提高形状固定率。本发明实现了形状记忆复合材料力学性能和形状记忆性能的综合优化，在航空航天形状记忆复合材料应用领域具备广阔的应用潜力。

Description

一种形状记忆复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于形状记忆材料技术领域，涉及一种面向航空航天领域应用的形状记忆复合材料的制备方法。
背景技术
在航空领域，智能变形技术的发展已成为飞行器结构功能智能化设计的重要趋势，利用形状记忆效应可以自由的改变飞机的构型，比如机翼的形状，扩展飞机的传统任务领域，提升飞机的综合性能。在航天领域，由于航天器发射尺寸的限制，而且在外太空装配施工的困难性，空间可展开太阳帆、桁架和天线等大型结构在发射前必须折叠，当到达预定轨道后经可靠的展开过程达到工作状态。采用形状记忆材料可实现空间结构的自主展开。这项技术能有效减小航天器的发射体积，不需要复杂的机械辅助系统，展开时震动小，降低了发射成本。
常见的形状记忆材料有形状记忆合金，形状记忆聚合物和形状记忆复合材料。形状记忆合金具有小尺寸，高强度，应用范围广的优点，但是其制造成本高，回复变形有限，展开时系统振动较大。与金属或合金相比，聚合物的性能要更容易优化和改善，而且具有质轻，价格低廉的特点。形状记忆聚合物具有形变率高，响应速度快的优点。但是聚合物的强度和刚度较低，目前只能应用于自修复材料，医疗等对力学性能要求不高的领域。通过在聚合物中加入无序短纤维、颗粒增强材料得到形状记忆复合材料继承了形状记忆聚合物优良的形状记忆性能，但其力学性能仍然较低，不能应用于航空航天领域。采用连续纤维增强形状记忆复合材料的整体刚度较大，在材料形状记忆转变温度以上破坏应变小，导致材料变形能力差，折叠效率低，形状保持率低，具有较大的使用局限性，不能满足大变形的需要。
发明内容
本发明的目的是：提出一种力学性能及形状记忆性能均好的形状记忆复合材料的制备方法。
本发明的技术方案是：选择合适的取向非连续纤维丝束，其纤维平均长度为10mm-150mm；以取向非连续纤维丝束作为增强体，形状记忆树脂作为基体，制备形状记忆复合材料，其成型固化方法为如下之一:
(1)将形状记忆树脂通过胶膜机制备成胶膜，然后经由复合机与取向非连续纤维丝束或由取向非连续纤维丝束编织成的织物复合，制备取向非连续纤维增强形状记忆树脂预浸料，根据树脂的流变特性选择合适的制膜温度和复合温度条件，控制预浸料纤维体积分数为10％-60％；根据制备的复合材料制件的形状特征与树脂的成型温度和压力条件选择合适的成型工艺，可以为真空袋、热压罐或模压成型方法中的一种；
(2)通过预浸机将取向非连续纤维丝束与形状记忆树脂复合制成取向非连续纤维预浸丝束，采用纤维缠绕方法成型，热塑性树脂预浸丝束在缠绕时通过外加的红外或激光热源加热可实现同步固化，得到形状记忆复合材料，热固性树脂预浸丝束缠绕时根据树脂的粘度特性控制合适的环境温度，缠绕完成后转移到烘箱或热压罐中固化，根据树脂的固化反应特性选择相应的温度和压力条件；
(3)将纤维丝束编织成织物，并将织物铺放在模具中制成预成型体，根据制备的复合材料制件的形状特征与树脂的流变特性选择合适的成型工艺，可以为采用树脂真空吸注成型(VARI)、树脂传递模塑成型(RTM)或树脂膜熔渗成型(RFI)方法中的一种，经固化后得到形状记忆复合材料。
本发明中采用的纤维丝束包括下面一种或几种：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维或超高分子量聚乙烯纤维。
本发明中采用的形状记忆树脂包括形状记忆热固性树脂、形状记忆热塑性树脂及形状记忆热固性树脂与形状记忆热塑性树脂的混合物：其中，形状记忆热固性树脂为形状记忆交联聚乙烯、形状记忆交联聚苯乙烯、形状记忆聚氨酯、形状记忆环氧树脂、形状记忆氰酸酯树脂或形状记忆双马树脂；形状记忆热塑性树脂为形状记忆聚酯、形状记忆聚氨酯或形状记忆尼龙或其中任意两种以上形状记忆热塑性树脂的共聚物或共混物。
本发明中采用的织物的织造形式可以是单向织物、平纹织物、缎纹织物、斜纹织物、无纬布、无纺布或非屈曲织物(NCF)。
本发明的优点是：本发明中的取向非连续碳纤维是指具有固定长度或长度在一定范围内分布的短切碳纤维，其没有经过加捻工艺而在某一方向上高度取向的碳纤维丝束，由于非连续碳纤维的高度取向性，制备得到的复合材料力学性能与连续碳纤维复合材料相比，力学性能保持率高，且远远大于无序短切碳纤维增强复合材料。本发明提出将取向非连续纤维与形状记忆树脂基体复合得到形状记忆复合材料，这种复合形式使形状记忆复合材料在固定态时保持了较高的力学性能，同时，由于其纤维是不连续的，且纤维平均长度与复合材料纤维体积分数均可调节，通过协同优化可提高材料在形状记忆转变温度以上的破坏应变，使其具备较好的变形性和较高的折叠率，同时形状固定率提高，为形状记忆复合材料在航空航天领域的应用提供一个新的思路和方向。
本发明中的复合材料体系继承了形状记忆树脂和颗粒(或无序短切纤维)增强形状记忆复合材料良好的形状记忆性能，同时又保持了较高的力学性能，在航空航天形状记忆复合材料应用领域具备广阔的应用潜力。
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，然而本发明技术方案并不局限于以下所列举具体实施方式。
具体实施例
具体实施例1
选用T300取向非连续碳纤维丝束，纤维平均长度为50mm，将中温形状记忆环氧树脂用涂胶机制成半固态胶膜，然后将树脂胶膜与取向非连续丝束通过预浸设备加热加压复合，制备得到碳纤维预浸料，纤维体积分数为50％。将预浸料在模具上按一定的铺层方式铺叠，用热压罐加热加压固化，得到碳纤维增强形状记忆复合材料。
具体实施例2
选用T700取向非连续碳纤维丝束，纤维平均长度为75mm，将碳纤维丝束织成平纹织物，面密度120g/m2，将形状记忆双马树脂用涂胶机制成半固态胶膜，然后将树脂胶膜与平纹织物通过预浸设备加热加压复合，制备得到碳纤维织物预浸料，纤维体积分数为35％。将预浸料在模具上按一定的铺层方式铺叠，用热压机加热加压固化，得到碳纤维增强形状记忆复合材料。
具体实施例3
选用T800取向非连续碳纤维丝束，纤维平均长度为30mm，形状记忆聚酯与聚氨酯共混聚合物薄膜，将纤维丝束与共混聚合物薄膜在复合机上经热压复合得到预浸料，用热压机加压加热成型，得到碳纤维增强形状记忆聚氨酯复合材料，纤维体积分数为35％。
具体实施例4
选用聚酯纤维丝束，纤维平均长度为55mm，将纤维丝束织成单向帘子布，面密度100g/m2，然后将单向帘子布铺放在闭合的模腔中得到预成型体，与形状记忆环氧树脂通过树脂传递模塑工艺复合固化，得到聚酯纤维增强形状记忆复合材料，纤维体积分数为40％。
具体实施例5
选用Kevlar-29取向非连续芳纶纤维丝束，纤维平均长度为50mm，将纤维丝束织成平纹织物，面密度61g/m2，采用树脂膜熔渗成型方法，将形状记忆氰酸酯树脂胶膜铺放在半开放模具表面，在其上铺放取向非连续芳纶平纹织物预成型体，然后通过热压罐加热熔融树脂膜，在真空和外压作用下使熔融树脂渗透到纤维预成型体中，并排除气体，得到碳纤维增强形状记忆复合材料。

Claims (4)

1.一种形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于：(一)、选择取向非连续纤维丝束，其纤维平均长度为10mm-150mm；(二)、以取向非连续纤维丝束作为增强体，形状记忆树脂作为基体，制备形状记忆复合材料，其成型固化方法为如下之一:
(1)将形状记忆树脂通过胶膜机制备成胶膜，然后经由复合机与取向非连续纤维丝束或由取向非连续纤维丝束编织成的织物复合，制备取向非连续纤维增强形状记忆树脂预浸料，预浸料的纤维体积分数为10％-60％；然后采用真空袋、热压罐或模压成型方法成型固化，得到形状记忆复合材料；
(2)通过预浸机将取向非连续纤维丝束与形状记忆树脂复合制成取向非连续纤维预浸丝束，采用纤维缠绕方法成型固化，得到形状记忆复合材料；
(3)将纤维丝束编织成织物，并将织物铺放在模具中制成预成型体，采用树脂真空吸注成型、树脂传递模塑成型或树脂膜熔渗成型方法成型固化，树脂为形状记忆树脂，得到形状记忆复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于：所述纤维丝束包括下面一种或几种：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维或超高分子量聚乙烯纤维。
3.根据权利要求书1所述的一种形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于：所述的形状记忆树脂包括形状记忆热固性树脂、形状记忆热塑性树脂及形状记忆热固性树脂与形状记忆热塑性树脂的混合物：其中，形状记忆热固性树脂为形状记忆交联聚乙烯、形状记忆交联聚苯乙烯、形状记忆聚氨酯、形状记忆环氧树脂、形状记忆氰酸酯树脂或形状记忆双马树脂；形状记忆热塑性树脂为形状记忆聚酯、形状记忆聚氨酯或形状记忆尼龙或其中任意两种以上形状记忆热塑性树脂的共聚物或共混物。
4.根据权利要求1中所述的一种形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于，所述织物的织造形式可以是单向织物、平纹织物、缎纹织物、斜纹织物、无纬布、无纺布或非屈曲织物。
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