CN108582910A - 一种碳纤维高温预浸料及其层压板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纤维高温预浸料及其层压板，该碳纤维高温预浸料原材料包括碳纤维和高温树脂，其中，树脂玻璃化转变温度为≥180℃，碳纤维的质量百分比为50～70％，体积分数为40～60％，所述碳纤维高温预浸料的厚度为0.02～0.2mm，所述碳纤维的纤维面密度为(20～200)±D g/㎡，面密度公差D≤5。通过对碳纤维高温预浸料的碳纤维、高温树脂以及高温树脂对碳纤维的浸润作用和高温树脂和碳纤维的粘接效果等研究和优化，制得的碳纤维高温预浸料外观均匀、平整、缺陷少，力学性能好，有效的提高了复合材料层合板的各项力学性能。本发明配套提供一种使用上述碳纤维高温树脂预浸料制备的复合材料层压板。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料板技术领域，具体的说，是一种碳纤维高温预浸料及其层压板。
背景技术
高性能碳纤维增强树脂基复合材料以其高比强、高比模、高性能、可设计及综合性能优异等特点而在航天、航空、船舰、兵器等领域得到普遍重视，并已在航天航空领域得到广泛的应用。特别是先进军用飞机、火箭发动机壳体，为提高产品性能，降低结构重量，需大量采用高性能纤维增强树脂基复合材料。
其中预浸料是制备高性能碳纤维复合材料重要的中间材料，特别是碳纤维高温预浸料对复合材料性能影响较大，例如高温预浸料制成的复合材料产品将更适应于高温环境中，例如预浸料厚度将影响复合材料的设计空间、及铺层效果；预浸料的浸润均匀性，有无树脂贫富区及纤维损伤性等将影响复合材料的力学性能。
目前，碳纤维高温预浸料主要存在下述的技术问题：第一，碳纤维预浸料中存在缝隙、间隙、气泡、毛纱、或不平整，容易导致树脂堆积，影响复合材料性能。
第二，碳纤维面密度较大，厚度较厚，严重限制了在薄壁制件中的应用，不能满足高端复合材料领域的要求，而且纤维常采用小丝束纤维进行扩展，效率低，生产成本高，生产效率低。
第三，碳纤维的纤维损伤问题以及碳纤维与树脂的浸润性同样影响复合材料的力学性能。
因此，通过对碳纤维高温预浸料的碳纤维、高温树脂以及树脂对纤维的浸润研究，设计研制出一种外观质量好，综合性能高，生产成本低的碳纤维高温预浸料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温环境下解决以上问题的碳纤维高温预浸料及层压板。
本发明提供了一种碳纤维高温预浸料，该碳纤维高温预浸料原材料包括碳纤维和高温树脂，其中，树脂玻璃化转变温度为≥180℃，碳纤维的质量百分比为50～70％，体积分数为40～60％，所述碳纤维高温预浸料的厚度为0.02～0.2mm，所述碳纤维的纤维面密度为(20～200)±D g/㎡，面密度公差D≤5。
其中，所述树脂的玻璃化转变温度为≥180℃。
其中，所述树脂为环氧树脂，并且环氧树脂的固化温度180±5℃。
其中，所述碳纤维使用牌号为T700SC-12K-50C的碳纤维丝束。
其中，所述碳纤维为碳纤维丝束编织的编织布，不是单丝制成的碳纤维单向带高温预浸料，所述的碳纤维编织布编织类型包括平纹织物和斜纹织物，并且经向纱线和纬向纱线均为碳纤维展宽丝，所述碳纤维展宽丝的宽度为W，W＝(8～34)±WD mm，公差WD≤3。
其中，所述碳纤维展宽复丝拉伸强度为4900～5200MPa。
其中，所述碳纤维编织布的纬纱弧度范围为为0±3mm。
其中，所述的碳纤维使用牌号为T700SC-12K-50C的碳纤维丝束，所述碳纤维为碳纤维丝束编织的平纹织物或斜纹织物，且面密度为(48～200)±Dg/㎡，纬纱密度控制为(200mm/W±D/4)根/200mm。
其中，所述的碳纤维试使用超声合并扩展工艺制得的单向碳纤维。
一种碳纤维高温预浸料，该碳纤维预浸料包括碳纤维和高温树脂，由该碳纤维预浸料制备之前的分解示意图可知，依次包括第一层树脂、第二层碳纤维和第二层树脂，其中第一层树脂和第二层分别设在碳纤维的上下方，最后分别辊筒热压、冷却浸润至碳纤维中制得碳纤维预浸料。
本发明还提供一种使用上述碳纤维高温预浸料制备而成的层压板。
本发明的优化效果包括：
一、本发明碳纤维高温预浸料厚度较薄，通过对预浸料中碳纤维的质量和高温树脂的质量之比进行优化，有效的控制碳纤维的体积分数和高温树脂的质量分数，能有效提高预浸料的性能，增加其复合材料的力学性能。
二、本发明通过对碳纤维梳齿、展纱进行控制，能够有效解决树脂贫富、堆积，纤维克重不稳定，树脂浸润不均匀等问题，提高预浸料性能。
三、本发明在复配树脂时，通过对树脂流动性性能以及树脂对碳纤维的浸润作用进行了研究，制得的预浸料厚度均匀，浸润效果好，性能强。
四、本发明使用大丝束纤维进行预浸料指标，有效提高了预浸料制备层压板力学性能同事，极大的提高了生产效率，降低了生产成本。
附图说明
下面描述中的附图是本发明的一些实施个例，而不是全部实施例。
图1为本发明预浸料分解示意图；
图2为本发明预浸料层压板的铺贴示意图；
图3为本发明的一个实施例的纤维平纹织物示意图；
图4为本发明的另一个实施例的纤维斜纹织物的示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明的主要思想是提供一种碳纤维高温预浸料，解决现有技术中碳纤维预浸料存在的外观缺陷大，适应温度低，综合性能差、成本较高等问题。
参照附图1，本发明提供了一种碳纤维高温预浸料，该碳纤维预浸料包括碳纤维和高温树脂，由该碳纤维预浸料制备之前的分解示意图可知，依次包括第一层树脂1、第二层碳纤维2和第二层树脂3，其中第一层树脂1和第二层3分别设在碳纤维2的上下方，最后分别辊筒热压、冷却浸润至碳纤维中制得碳纤维预浸料，因此，树脂的质量为图纸第一层树脂1和第二层树脂3相应的质量之和。
本发明规定，预浸料的厚度为0.02～0.2mm，碳纤维面密度为(20～200)±D g/㎡，其中D为面密度公差，表示面密度的允许变动量，发明中保护的范围包括参数上下偏差公差的最大值、最小值及其之间的范围。例如面密度为100±D g/㎡，则该面密度的范围的极限值分别为(100－D)g/㎡和(100+D)g/㎡，并且D≤5。该碳纤维预浸料的纤维克重较低，所以碳纤维预浸料厚度较薄，能满足大部分制件的设计要求。
并且，碳纤维的质量百分比为50～70％，体积分数为40～60％。该比例的限定能够有效的提高预浸料性能，并增加制备复合材料后的材料的综合力学性能。
树脂本身的流动性能对预浸料中树脂与纤维的浸润效果有重要影响，进而改变预浸料以及预浸料制备的复合材料的力学性能。本发明限定的树脂的玻璃化转变温度为≥180℃，制备的预浸料能更长久的适应高温环境下，制成的复合材料后的材料能在更长久的在高温环境下工作。优选的树脂体系为环氧树脂，并且该环氧树脂的固化温度为180±5℃。上述树脂特别适用于高温预浸料的制备，与低克重纤维浸润效果佳，制得的预浸料性能更优异。
优选的，树脂的可用牌号为WP－2190、自主研发的HT1、HT2的环氧树脂。具体树脂的选择与碳纤维、预浸料和最终复合材料制件的用途相关，在某些个例实施例中，使用牌号HT1制得的环氧树脂与斜纹织物制得的预浸料性能更优异。
本发明碳纤维为使用牌号为T700SC-12K-50C的碳纤维丝束，牌号为T700SC-12K-50C的碳纤维丝束较大，由于小丝束价格较高，因此使用该大丝束碳纤维为原料进行制备的纤维预浸料能减少成本，并且能进一步提高碳纤维预浸料制备层压板的力学能力。
现有技术往往因碳纤维制备预浸料过程中的缺陷，容易导致树脂浸润性不佳，影响复合材料的性能。因此，本发明针对碳纤维的结构进行了研究有限定。
所述的碳纤维可以为碳纤维丝束编织的编织布，并且，经纱和纬纱均为碳纤维展宽丝，碳纤维编织布编织类型包括平纹织物和斜纹织物。将碳纤维丝束展宽为碳纤维宽丝，进行碳纤维布的织造，不仅能够有效减少纤维束的屈曲现象，减少纤维间的间隙，还能提高碳纤维布的机械强度，更加轻薄。优选的，纤维展宽丝的宽度限定为(8～34)±WD mm，公差WD≤3。公差WD与上述面密度公差D类似，表示宽度的允许变动量，本发明中保护的范围包括参数上下偏离公差的最大值、最小值及其之间的范围。该宽度范围的展宽丝制得的编织布轻薄，性能佳，能够提高预浸料及复合材料的机械强度。
展宽丝往往存在纤维损伤等缺陷，进而影响碳纤维编织布及预浸料性能。本发明限定碳纤维展宽复丝拉伸强度为4700～5200MPa。优选的，复丝拉伸强度的离散系数为0～5％。符合该要求的碳纤维展宽丝损伤小，准直性好，使得制得碳纤维编织布能够克服性能缺陷，并且提高预浸料的各项性能。
在碳纤维织物的织造过程中，碳纤维编织布中部分纬纱可能出现凸起或凹起等弧形结构，纬纱弧度具体是指弧形结构距离平面的最大偏离距离，本发明控制纬纱弧度范围为0～3mm,进而保证编织布的外观及最终复合材料产品的各项力学性能。
参照附图2，碳纤维高温预浸料层压板的铺层示意图，该铺层如图示为0°方向铺贴n层，层数n根据层压板的厚度1～4mm和碳纤维高温预浸料厚度0.02～0.2mm之比得出，层压板的厚度可选自1mm、2mm、3mm、4mm。
参照附图3，碳纤维编织物为平纹织物，该平纹织物与织造技术中的平纹组织一致，指经纬组织点以1:1比例交替出现的一种基本织物，由经纱和纬纱一上一下相间交织而成。其中，碳纤维使用牌号为T700SC-12K-50C进行制备，碳纤维面密度为(48～200)±D g/㎡，碳纤维展宽丝的宽度为(8～34)±WD mm，公差WD≤3。制得的预浸料厚度为0.048～0.2mm，满足高端复合材料领域的要求。
具体的，碳纤维宽丝宽度可选自8±0.5mm、10±0.7mm、16±1mm、20±1mm、27±2mm或34±2.5mm。使用牌号为T700SC-12K-50C进行制备时，相应的，碳纤维编织布面密度可选自200±5g/㎡、160±5g/㎡、100±3g/㎡、80±3g/㎡或48±2g/㎡。
另一方面，通过对碳纤维的纬纱密度(根/200mm)进行了研究和限定，通过限定200mm的纬纱根数能够进一步控制碳纤维编织布间隙及平整度，保证碳纤维的均匀性，其中，纬纱密度控制为(200mm/W±D/4)根/200mm，D为面密度公差，能够有效解决纤维之间间隙问题，避免树脂堆积区的产生。优选的，相邻经纱之间的间隙或相邻纬纱之间的间隙小于2mm，改善提高预浸料性能。
参照附图4，碳纤维编织物可以为斜纹织物该平纹织物与织造技术中的斜纹组织一致，指相邻经/纬纱上连续的经/纬组织点排列成斜线，织物表面呈现连续斜线知纹的织物组织。斜纹织物是一个组织循环的纱线数至少为3根，该碳纤维制得的预浸料能够满足高端复合材料领域的要求。
作为本发明的优选示例，树脂的牌号为WP-2190、HT1或HT2系列的环氧树脂。
纤维层位碳纤维平纹编织物，其中经纬纱为宽度相同的展宽丝，展宽丝选自8±0.5mm、10±0.7mm、16±1mm、20±1mm、27±2mm或34±2.5mm，相应的，密度可选自200±5g/㎡、160±5g/㎡、100±3g/㎡、80±3g/㎡或48±2g/㎡，并且纬纱密度选自(25±1.2)根/200mm、(20±1.2)根/200mm、(12.5±0.8)根/200mm、(10±0.8)根/200mm、(7.5±0.8)根/200mm或(6±0.6)根/200mm。
本发明控制上述参数，有效的解决了树脂浸润不均匀、预浸料外观及力学性能不佳等技术问题。并且，本发明提供的薄预浸料还可以增加复合材料层压板的设计空间，提高复合材料层压板各项性能，本发明还保护一种使用上述纤维预浸料制备的复合材料层压板。
上面描述的内容可以单独的或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或其它变体意在涵盖非其他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在的另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种碳纤维高温预浸料，其特征在于，碳纤维高温预浸料原材料包括碳纤维和高温树脂，碳纤维的质量百分比为50～70％。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维高温预浸料，其特征在于，碳纤维高温预浸料的厚度为0.02～0.2mm，碳纤维的纤维面密度为(20～200)±D g/㎡，面密度公差D≤5。
3.如权利要求1所述的一种碳纤维高温预浸料，其特征在于，树脂为环氧树脂，玻璃化转变温度为≥180℃，固化温度180±5℃。
4.如权利要求1所述的一种碳纤维高温预浸料，其特征在于，碳纤维使用牌号为T700SC-12K-50C的碳纤维丝束。
5.如权利要求1所述的一种碳纤维高温预浸料，其特征在于，碳纤维为碳纤维丝束编织的编织布，并且，经纱和纬纱均为碳纤维展宽丝，碳纤维编织布编织类型包括平纹织物和斜纹织物；碳纤维展宽丝的宽度为W，W＝(8～34)±WD mm，公差WD≤3。
6.如权利要求5所述的一种碳纤维高温预浸料，其特征在于，碳纤维编织物为平纹织物，该平纹织物与织造技术中的平纹组织一致，指经纬组织点以1:1比例交替出现的一种基本织物，由经纱和纬纱一上一下相间交织而成。其中，碳纤维使用牌号为T700SC-12K-50C进行制备，碳纤维面密度为(48～200)±D g/㎡，碳纤维展宽丝的宽度为(8～34)±WD mm，公差WD≤3。制得的预浸料厚度为0.048～0.2mm。
7.如权利要求1所述的一种碳纤维高温预浸料，其特征在于，还提供一种使用上述碳纤维高温预浸料制备而成的层压板。
8.一种碳纤维高温预浸料的制备方法，依次包括第一层树脂、第二层碳纤维和第二层树脂，其中第一层树脂和第二层树脂分别设在第二层碳纤维的的上下方，最后分别辊筒热压，冷却浸润至碳纤维中制得碳纤维预浸料。
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