CN107337899A - 一种复合功能预浸料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合功能预浸料及其制备方法，制备方法包括：将碳纤维和另一不同的纤维混合编制，得到混编纤维；使用树脂涂布混编纤维，得到混编预浸料；将混编预浸料铺叠成型；以及使混编预浸料固化成型。通过使用混编纤维预浸料，减少了两种单一纤维直接层铺在一起收缩变形带来的形变量，提高了零件的外形尺寸精确度。

Description

一种复合功能预浸料及其制备方法
技术领域
本发明涉及预浸料，更具体地，涉及复合功能预浸料及其制备方法。
背景技术
随着复合材料的普及和应用，越来越多的领域开始应用复合材料。在现有技术中，常用的两种复合材料为玻璃纤维增强复合材料与碳纤维增强复合材料。
在复合材料生产过程中，为实现某些功能，在不同层使用不同类型的纤维预浸料混合铺叠固化成型。由于不同层的纤维(碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等)在热固化过程中的形变量不同，导致固化成型零件形变严重，尺寸稳定性难以保证。
此外，在复合材料中，由于不同层的纤维的热膨胀系数不同，所以容易导致热膨胀失配，从而引起不期望的形变或结构强度的损失。有些复合材料使用80％以上的碳纤维材料来增强结构强度，然而这引起成本的显著增加。因此，在复合材料领域，对形变量小、强度高且成本低的复合材料的需求在不断地增加。
发明内容
本发明提出一种复合功能预浸料的制备方法，以改善不同纤维混合铺叠带来的尺寸变形问题，同时实现增强拉伸或压缩强度以及降低成本的目的。
本发明提供了一种制备复合功能预浸料的方法，其特征在于，所述方法包括：将碳纤维和另一不同的纤维混合编制，得到混编纤维；使用树脂涂布所述混编纤维，得到混编预浸料；将所述混编预浸料铺叠成型；以及使所述混编预浸料固化成型。
在上述方法中，其中，所述另一不同的纤维为玻璃纤维、石英纤维或芳纶纤维。
在上述方法中，其中，所述树脂为环氧树脂、氰酸酯树脂、双马来酸酐树脂或酚醛树脂。
在上述方法中，其中，在所述混编预浸料中，碳纤维的体积含量占总体比例的30～70％。
在上述方法中，其中，在所述混编预浸料中，所述另一不同的纤维的体积含量占总体比例的10～30％。
在上述方法中，其中，在所述混编预浸料中，所述树脂的体积含量占总体比例的20～40％。
在上述方法中，其中，在所述混编预浸料中，碳纤维的体积含量占总体比例的10～70％，所述另一不同的纤维的体积含量占总体比例的10～40％，所述树脂的体积含量占总体比例的20～50％。
在上述方法中，其中，将所述混编预浸料铺叠成型进一步包括将所述混编预浸料作为过渡层铺叠在对应的两种单一纤维预浸料之间。
在上述方法中，其中，使用真空袋压固化来固化所述混编预浸料。
在上述方法中，其中，所述真空袋压固化的固化温度为100-185℃，固化时间为1-9小时，固化压力为0.1-0.7兆帕。
本发明还提供了使用上述方法制备的复合功能预浸料。
通过使用混编纤维预浸料，减少了两种单一纤维直接层铺在一起收缩变形带来的形变量，提高了零件的外形尺寸精确度。此外，还可以实现增强拉伸或压缩强度以及降低成本的目的。
附图说明
图1示出了制备混编预浸料的工艺流程。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
首先，使用编织机把碳纤维、玻璃纤维、石英纤维或芳纶纤维等按一定比例进行两两混合编制，然后使用树脂制作混编树脂预浸料。混合编制的纤维的种类和组分可根据需求进行设计，以同时满足零件特殊功能和力学强度的要求。树脂为环氧树脂、氰酸酯树脂、双马来酸酐树脂或酚醛树脂中的一种或多种。可以在混合编制的纤维的一面涂布树脂制作预浸料，也可以在混合编制的纤维的两面均涂布树脂制作预浸料，涂布可以使用浸涂或喷涂等。
混编预浸料可以单独固化成型，也可以作为两种单一纤维预浸料混合铺叠固化的过渡铺层来使用。例如，下面一层为碳纤维预浸料，中间一层为碳纤维和玻璃纤维的混合编制预浸料，上面一层为玻璃纤维预浸料。作为过渡层的混编预浸料，其碳纤维体积含量占总体比例的30～70％，另一种纤维的体积含量占总体比例的10～30％，树脂的体积含量占总体比例的20～40％。
例如，在根据需要铺层混编预浸料之后，对预浸料进行固化成型。混编预浸料可以单独铺叠，例如根据需要铺叠多层混编预浸料。混编预浸料也可以作为过渡层铺叠，例如根据需要将混编预浸料铺叠在两种单一纤维预浸料之间。优选地，固化成型的方法为真空袋压固化，但本发明不限于此。优选地，以下的真空袋压固化的固化温度100-185℃，固化时间1-9小时，压力为0.1-0.7兆帕。
本发明的复合功能预浸料可以应用于航空航天、轮船潜艇、汽车轻量化以及体育器材等方面。下面对混编预浸料的具体用途进行说明，但是本领域技术人员应该理解，下面的实例并不以任何方式限制本发明。
一航空功能结构件具有电磁干扰功能和力学强度要求，使用单一预浸料无法满足结构件电磁功能和结构强度的双重需求，而电磁干扰功能对结构件的外形尺寸的要求较高，分别使用单一纤维预浸料以及将混编纤维的预浸料铺叠在单一纤维预浸料之间来制作厚度均为2mm的预浸料的功能结构件。
实施例1
将碳纤维与石英纤维混合编制后用环氧树脂制作碳纤维与石英纤维的混合编制预浸料，其中，混编预浸料中的碳纤维体积含量占总体比例的30％，石英纤维的体积含量占总体比例的30％，环氧树脂的体积含量占总体比例的40％，环氧树脂进行双面涂布。使用同样的方法分别制备碳纤维预浸料与石英纤维预浸料，环氧树脂含量相同，仅纤维替换为单一纤维。然后，进行铺层，将碳纤维预浸料作为底层，混合编制预浸料作为中间层，石英纤维预浸料作为顶层，通过真空袋压固化得到功能件一。将碳纤维预浸料作为底层，另一碳纤维预浸料作为中间层，石英纤维预浸料作为顶层，通过真空袋压固化得到功能件二。将碳纤维预浸料作为底层，石英纤维预浸料作为中间层，另一石英纤维预浸料作为顶层，通过真空袋压固化得到功能件三。
实施例2
将碳纤维与玻璃纤维混合编制后用氰酸酯树脂制作碳纤维与玻璃纤维的混合编制预浸料，其中，混编预浸料中的碳纤维体积含量占总体比例的50％，玻璃纤维的体积含量占总体比例的20％，氰酸酯树脂的体积含量占总体比例的30％，氰酸酯树脂进行双面涂布。使用同样的方法分别制备碳纤维预浸料与玻璃纤维预浸料，氰酸酯树脂含量相同，仅纤维替换为单一纤维。然后，进行铺层，将碳纤维预浸料作为底层，混合编制预浸料作为中间层，玻璃纤维预浸料作为顶层，通过真空袋压固化得到功能件四。将碳纤维预浸料作为底层，另一碳纤维预浸料作为中间层，玻璃纤维预浸料作为顶层，通过真空袋压固化得到功能件五。将碳纤维预浸料作为底层，玻璃纤维预浸料作为中间层，另一玻璃纤维预浸料作为顶层，通过真空袋压固化得到功能件六。
实施例3
将碳纤维与芳纶纤维混合编制后用双马来酸酐树脂制作碳纤维与芳纶纤维的混合编制预浸料，其中，混编预浸料中的碳纤维体积含量占总体比例的70％，芳纶纤维的体积含量占总体比例的10％，双马来酸酐树脂的体积含量占总体比例的20％，双马来酸酐树脂进行双面涂布。使用同样的方法分别制备碳纤维预浸料与芳纶纤维预浸料，双马来酸酐树脂含量相同，仅纤维替换为单一纤维。然后，进行铺层，将碳纤维预浸料作为底层，混合编制预浸料作为中间层，芳纶纤维预浸料作为顶层，通过真空袋压固化得到功能件七。将碳纤维预浸料作为底层，另一碳纤维预浸料作为中间层，芳纶纤维预浸料作为顶层，通过真空袋压固化得到功能件八。将碳纤维预浸料作为底层，芳纶纤维预浸料作为中间层，另一芳纶纤维预浸料作为顶层，通过真空袋压固化得到功能件九。
测量以上功能件的形变量、拉伸强度和压缩强度，根据这几个指标的国标标准中的测量方法进行测量，得到的结果如表1所示。
表1不同功能结构件性能测试结果
由上可知，通过使用混编纤维的预浸料铺叠在单一纤维之间，作为两种单一纤维的过渡层，减少了两种单一纤维的收缩变形带来的形变量，提高了零件的外形尺寸精确度，实现了功能和结构强度的双重目标。此外，使用混编预浸料的功能件的拉伸强度和压缩强度也均有明显的提高。
实施例4
汽车轻量化外壳对复合材料零件力学性能需求不高，但需降低制造成本。使用碳纤维与另一纤维(例如，玻璃纤维)混合编织预浸料可同时达到力学性能和降低成本的目的，作为整体铺叠的混编预浸料，其碳纤维体积含量占总体比例的10～70％，另一种纤维(例如，玻璃纤维)的体积含量占总体比例的10～40％，树脂的体积含量占总体比例的20～50％，同样地，下面制备厚度均为2mm的预浸料的外壳零件。具体地，将碳纤维与玻璃纤维混合编制后用环氧树脂制作碳纤维与玻璃纤维的混合编制预浸料，其中，混编预浸料中的碳纤维体积含量占总体比例的40％，玻璃纤维的体积含量占总体比例的25％，环氧树脂的体积含量占总体比例的35％，环氧树脂进行双面涂布。使用同样的方法分别制备碳纤维预浸料与玻璃纤维预浸料，环氧树脂含量相同，仅纤维替换为单一纤维。然后，将混合编制预浸料铺层3层，厚度为约2mm，通过真空袋压固化得到外壳零件一。将碳纤维预浸料铺层至厚度为约2mm，通过真空袋压固化得到外壳零件二。将玻璃纤维预浸料铺层至厚度为约2mm，通过真空袋压固化得到外壳零件三。
实施例5
将碳纤维与石英纤维混合编制后用氰酸酯树脂制作碳纤维与石英纤维的混合编制预浸料，其中，混编预浸料中的碳纤维体积含量占总体比例的70％，石英纤维的体积含量占总体比例的10％，氰酸酯树脂的体积含量占总体比例的20％，氰酸酯树脂进行双面涂布。使用同样的方法分别制备碳纤维预浸料与石英纤维预浸料，氰酸酯树脂含量相同，仅纤维替换为单一纤维。然后，将混合编制预浸料铺层3层，厚度为约2mm，通过真空袋压固化得到外壳零件四。将碳纤维预浸料铺层至厚度为约2mm，通过真空袋压固化得到外壳零件五。将石英纤维预浸料铺层至厚度为约2mm，通过真空袋压固化得到外壳零件六。
实施例6
将碳纤维与芳纶纤维混合编制后用酚醛树脂制作碳纤维与芳纶纤维的混合编制预浸料，其中，混编预浸料中的碳纤维体积含量占总体比例的10％，芳纶纤维的体积含量占总体比例的40％，酚醛树脂的体积含量占总体比例的50％，酚醛树脂进行双面涂布。使用同样的方法分别制备碳纤维预浸料与芳纶纤维预浸料，酚醛树脂含量相同，仅纤维替换为单一纤维。然后，将混合编制预浸料铺层3层，厚度为约2mm，通过真空袋压固化得到外壳零件七。将碳纤维预浸料铺层至厚度为约2mm，通过真空袋压固化得到外壳零件八。将芳纶纤维预浸料铺层至厚度为约2mm，通过真空袋压固化得到外壳零件九。
测量以上外壳零件的形变量、拉伸强度和压缩强度，根据这几个指标的国标标准中的测量方法进行测量，得到的结果如表2所示。
表2外壳零件性能检测结果
由上可知，混纺预浸料铺叠成型的零件形变量小，外形尺寸精确度高，从而增强了工艺可操作性。此外，使用混合编织预浸料可同时达到力学性能和降低成本的目的，有利于降低制造成本。
本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (11)

1.一种制备复合功能预浸料的方法，其特征在于，所述方法包括：
将碳纤维和另一不同的纤维混合编制，得到混编纤维；
使用树脂涂布所述混编纤维，得到混编预浸料；
将所述混编预浸料铺叠成型；以及
使所述混编预浸料固化成型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述另一不同的纤维为玻璃纤维、石英纤维或芳纶纤维。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述树脂为环氧树脂、氰酸酯树脂、双马来酸酐树脂或酚醛树脂。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述混编预浸料中，碳纤维的体积含量占总体比例的30～70％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述混编预浸料中，所述另一不同的纤维的体积含量占总体比例的10～30％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述混编预浸料中，所述树脂的体积含量占总体比例的20～40％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述混编预浸料中，碳纤维的体积含量占总体比例的10～70％，所述另一不同的纤维的体积含量占总体比例的10～40％，所述树脂的体积含量占总体比例的20～50％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述混编预浸料铺叠成型进一步包括将所述混编预浸料作为过渡层铺叠在对应的两种单一纤维预浸料之间。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用真空袋压固化来固化所述混编预浸料。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述真空袋压固化的固化温度为100-185℃，固化时间为1-9小时，固化压力为0.1-0.7兆帕。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法制备的复合功能预浸料。
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