CN108749038A - 一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术。生产的预浸料表面具有多种树脂图案，而不是与常规预浸料一样表面覆盖完整的树脂膜。该种预浸料可以通过低成本的制造技术在预浸料表面构造的树脂膜图案来形成特殊的排气通道，从而可以减缓气道堵塞过程，增加预浸料的固化工艺窗口和固化能力，大幅度延长了真空袋固化预浸料的室温使用寿命，大大降低了以此引起的树脂研发成本和研发周期，并且易于实现批量化制造同时提前设计的树脂膜图案和面密度能够保证固化后制件中孔隙率低，不会影响制件性能。

Description

一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术

技术领域

本发明涉及一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术。

背景技术

随着时代的发展和科学的进步，树脂基碳纤维复合材料越来越广的应用于航天航空、轨道交通、海洋装备和新能源等领域。但到目前为止，碳纤维复合材料仍未大幅度替换钢铁、铝等金属材料，这主要受制于碳纤维复合材料的高昂使用成本，包括昂贵的碳纤维价格以及昂贵的固化成本。因此，对于材料供应商来说，如何减少碳纤维价格以及如何减少复合材料固化成本是现今首要研究的最重要的课题，这决定了碳纤维复合材料是否能够得到批量化的应用。

热压罐固化和真空袋固化是碳纤维复合材料的两种常见固化方式。前者具有高产品质量和力学性能的优点和成本高的缺点，而后者则能提供最为便宜的固化成本，但产品质量一般。以此引出的比较主流的研究方向之一，就是用真空袋固化来保证达到热压罐固化的产品质量和力学性能，得到的产品就是我们俗称的真空袋固化（VBO）预浸料。

一般地，真空袋固化预浸料使用特殊性能的树脂，具有低挥发份，固化过程中，气体产生少。同时在预浸料中含有干纤维导气通道，能够引导固化过程中产生的气体排出层间或者制件，而不会陷入其中产生空隙或气泡影响性能。但是在实际使用过程中，树脂会因为扩散作用，缓慢地浸润干纤维，从而堵塞导气通道，导致使用真空袋固化后存在大量空隙。因此，普通的真空袋固化预浸料的室温使用寿命不长，大约为10~20天左右，这限制了真空袋固化预浸料的使用。通常的，如果需要提高室温使用寿命，通常只能对树脂进行修改，而无法改变预浸料制造技术，从而增加了无法估量的树脂研发成本和周期。

因此，有必要研究一种真空袋固化碳纤维预浸料图案化制造技术解决上述问题，并且成本低，易于推广使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空袋固化预浸料及其图案化制造技术，通过低成本的预浸料制造技术大幅度延长了真空袋固化预浸料的室温使用寿命，大大降低了以此引起的树脂研发成本和研发周期，并且易于实现批量化制造。

为了达到以上目的，本发明的技术解决方案如下：一种真空袋固化预浸料及其图案化制造技术，包括带规律性图案的树脂膜，然后将树脂膜在高温高压下浸润碳纤维，从而在预浸料表面图案化。

具体的生产步骤如下：

a.按照树脂特性以及预浸料要求，设计树脂膜图案以及树脂膜设计面密度；

b.根据树脂图案和树脂粘度来设计树脂膜制造技术；

c.将图案化的树脂膜与碳纤维含浸。

进一步地，步骤a中的树脂膜图案是通过不同树脂膜制造技术制造而成。其实质是树脂膜的差异分布，大部分的树脂规则的区域分布（简称“树脂区域”），由树脂缺少区域形成的沟壑或者凸起作为区域界限（简称“树脂界限”）。根据树脂在固化温度下的粘度来设计缺胶区的宽度，缺胶区宽度可为0.2mm~5mm。

进一步地，步骤a中的树脂膜图案有多种形状，包括连续竖条图案、规则点状图案、井字图案、斜线图案等。但图案中树脂界限必须连续，但由于图案中树脂设计面密度可以较低，因此实际制造过程中，图案可以只存在预浸料的一面或同时存在上下两面。

进一步地，步骤a中的树脂膜设计面密度以完整树脂膜面密度为基础，可以采取面积换算法来进行计算，在计算过程中剔除了缺胶区的树脂含量而得到，步骤a的树脂膜图案中，树脂界限的树脂面密度极低，为0~10g/m2。

进一步地，步骤b中的树脂可为环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种按一定比例混合得到的组合物。

进一步地，步骤b中的树脂膜制造技术根据树脂膜图案和树脂制造粘度，分为树脂转印技术、树脂浇注技术和刀板挡块技术三种。

其中树脂转印技术需要对设备进行一定的改造，成本较大，适用于精度较高和复杂的图案制造。因此，树脂转印技术适用于所有种类预浸料（单向和织物预浸料）的制造，其主要原理是通过辊轮表面雕刻的图案将树脂转印到离型纸表面。与普通涂膜机类似，适用于涂膜粘度下为5000~100000cps的树脂体系。

树脂浇注技术和刀板挡块技术仅需加装装置，成本低，适用于精度低和连续竖条图案以及织物预浸料的制造。

树脂浇注技术需使用树脂浇注头，可用于装配在任何种类的涂膜机中。主体材质为不锈钢，与树脂接触表面做抛光处理，并内部镀铬增加硬度。浇注体整体腔体封闭，使用导热油或电加热，加热温度可为50℃~200℃。浇注头的出胶口具有可调间隙和挡块，分别用于调节树脂面密度和树脂界限间距。浇注头采用注胶泵提供浇注压力，受益于外压的作用可以适用于粘度较高的树脂体系。树脂浇注技术所用树脂在浇注温度下可为5000cps~500000cps。

刀板挡块技术仅用于采用刀板涂膜方式的涂膜机或含浸设备，所用树脂在浇注温度下可为5000cps~20000cps。

进一步地，步骤c中的纤维为碳纤维纱锭、单向织物、双向织物和经编织物中的一种。

使用碳纤维纱锭制造的单向预浸料面密度可为50~300gsm，只能配合具有图案方向会与纤维交叉的树脂膜进行使用。使用碳纤维织物制造的织物预浸料面密度可为120~600gsm，可以配合所有的图案化树脂膜进行使用。

本发明的有益效果是，该种预浸料和制造工艺，具有如下优点：

本发明的预浸料可以用于真空袋固化工艺，通过树脂膜表面图案可以额外构造空气通道，大大减缓材料使用过程中因为树脂的扩散作用而造成气道堵塞的问题发生，最大化材料使用寿命；

本发明的预浸料制造工艺适用于大部分的树脂（包括热压罐和真空袋固化树脂），材料需求成本低。本制造技术中的树脂浇注头可以直接加装在常规涂膜设备上，不需要重新采购设备，经济实效。同时可以与树脂膜制造速度同步，易于实现批量化。

附图说明

图1是环氧树脂预浸料表面的斜线组图案。

图1中，1-1为树脂界限；1-2为环氧树脂区域。

图2是双马来酰亚胺树脂预浸料表面的直线组图案。

图2中，2-1为T800级别纤维；2-2为双马来酰亚胺树脂区域。

图3是树脂浇注装置的示意图。

图3中，3-1为树脂管道；3-2为浇注头腔体；3-3为浇注头间隙。

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例的真空袋预浸料及其图案化制造技术，关键点在于摒弃传统预浸料对树脂膜完整性的需求，创新性地在树脂膜表面构造图案，将预浸料表面图案化。通过预浸料表面图案的树脂含量差异引入更多的空气通道，从而增加预浸料使用真空袋固化的能力。该制造技术主要是依靠特殊涂膜设备或者简易的树脂浇注头，将熔融的树脂以设计好的图案涂覆到离型纸表面，然后再转印到纤维表面。实施例的制造技术适用于大多数树脂的生产，能够增加真空袋固化预浸料的使用寿命，提高产品的实用性。同时也能适用于将热压罐固化预浸料转换为真空袋固化预浸料，大大减少研发成本和使用成本。实施例中制造技术可以根据设计需求选择成本较大和控制精确的树脂转印技术，也可以为了节约成本采用树脂浇注技术。

实施例1

根据预浸料表面图案示意图，如图1，详细说明具体实施例1.

预浸料中树脂为可使用真空袋固化工艺的中温固化体系双酚A型环氧树脂A（70℃粘度为30000cps），树脂含量为33%。预浸料由T300级别碳纤维纱排列而成，纤维面密度为133g/cm2。为了增加由环氧树脂A制造的真空袋固化预浸料的使用寿命，特采用本专利技术对预浸料进行改造。图1为预浸料上下表面图案，由树脂的不均匀分布构成。

其中，1-1为树脂区域，树脂面密度为35g/m2。

其中，1-2为树脂界限，树脂面密度仅为5g/cm2。树脂界限为多根与纤维方向成45°夹角的斜线组成，斜线宽0.5mm，斜线边缘之间距离3mm。

具体实施过程如下：

由于树脂流动性一般，预浸料直接使用碳纤维纱锭，因此采用树脂转印技术进行预浸料图案化制造，选择斜线组图案。使用带有斜线图案的雕刻辊进行涂膜，调整工艺参数，保证树脂膜面密度以及树脂膜表面斜线组之间的距离符合设计要求。然后再将制造好的树脂膜与碳纤维浸渍成预浸料。

将制造好的预浸料使用真空袋工艺在烘箱中进行固化。采用80℃下保温2h，再升至120℃下保温1h的固化制度。其固化出的层合板表面无缺胶。经C扫检验，合格，孔隙率为0.8%。

经过测试，普通真空袋预浸料的室温使用寿命为15天，而采用本专利制造的预浸料室温使用寿命至少为25天。很明显，预浸料使用寿命得到了提高。

实施例2

根据预浸料表面图案示意图，如图2，详细说明具体实施例2.

预浸料中树脂为高温固化体系双马来酰亚胺树脂B（70℃粘度为40000cps），树脂含量为40%。预浸料使用了T800级别碳纤维平纹织物，纤维面密度为200g/cm2。为了保证树脂B制造的预浸料可以进行真空袋固化，特采用本专利的技术对预浸料进行改造。预浸料仅在上表面使用图案化的树脂膜。

其中，1-1为树脂区域，树脂面密度为84g/m2。

其中，1-2为树脂界限，由于树脂界限中不存在树脂，所以树脂界限主要表现为裸露的T800纤维。树脂界限形状为多根与织物经向平行的直线组，直线宽0.8mm，直线边缘之间距离5mm。

具体实施过程如下：

树脂在固化温度下流动性好，预浸料主材为碳纤维织物，因此采用树脂浇注技术进行预浸料图案化制造。优先使用树脂浇注头进行树脂膜的制造。将树脂B从树脂泵通过加热的管道3-1注入到浇注头腔体3-2中，并通过保持树脂泵送压力来保证从浇注头间隙3-3中流出的树脂量，并使用挡块来精确控制树脂膜图案中树脂界限的间距为0.8mm。然后再将制造好的树脂膜与碳纤维浸渍成预浸料。

将制造好的预浸料使用真空袋工艺在烘箱中进行固化。采用160℃下保温2h，再升至200℃下保温3h的固化制度。其固化出的层合板表面无缺胶。经C扫检验，合格，孔隙率为1%。

将该预浸料用热压罐固化。然后将两种固化工艺的基本性能数据进行对比，相差在10%以内，因此该技术制造的预浸料使用真空袋工艺固化是可行的。

Claims (10)

1.一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术，其特征在于：将带有规律性图案的树脂膜在高温高压下浸润碳纤维，从而在预浸料表面图案化，具体生产步骤为：

a.按照树脂特性以及预浸料要求，设计树脂膜图案以及树脂膜设计面密度；

b.根据树脂图案和树脂粘度来设计树脂膜制造技术；

c.将图案化的树脂膜与碳纤维含浸。

2.如权利要求1所述的一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术，其特征在于：所述树脂膜图案是通过不同树脂膜制造技术制造而成，其实质是树脂膜的差异分布，树脂规则的区域分布，由树脂缺少区域形成的沟壑或者凸起作为区域界限，根据树脂在固化温度下的粘度来设计缺胶区的宽度，所述缺胶区宽度为0.2mm~5mm。

3.如权利要求1所述的一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术，其特征在于：所述树脂膜图案有多种形状，包括连续竖条图案、规则点状图案、井字图案、斜线图案，所述图案中树脂界限连续，所述图案可以只存在预浸料的一面或同时存在上下两面。

4.如权利要求1所述的一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术，其特征在于：所述步骤a中的树脂膜设计面密度以完整树脂膜面密度为基础，采取面积换算法来进行计算，在计算过程中剔除了缺胶区的树脂含量而得到，步骤a中的所述树脂膜图案中，树脂界限的树脂面密度为0~10g/m2。

5.如权利要求1所述的一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术，其特征在于：所述步骤b中的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种按一定比例混合得到的组合物。

6.如权利要求1所述的一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术，其特征在于：所述步骤b中的树脂膜制造技术根据树脂膜图案和树脂粘度，分为树脂转印技术、树脂浇注技术和刀板挡块技术三种。

7.如权利要求1所述的一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术，其特征在于：所述步骤c中的碳纤维为碳纤维纱锭、单向织物、双向织物和经编织物中的一种。

8.如权利要求6所述的一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术，其特征在于：所述树脂转印技术用于所有种类预浸料的制造，适用的树脂体系在涂膜温度下粘度为5000cps~100000cps。

9.如权利要求6所述的一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术，其特征在于：所述树脂浇注技术需使用树脂浇注头，用于装配在任何种类的涂膜机中，所述树脂浇注技术所用树脂在浇注温度下可为5000cps~500000cps。

10.如权利要求7所述的一种真空袋固化碳纤维预浸料及其图案化制造技术，其特征在于：所述树脂浇注头主体材质为不锈钢，与树脂接触表面做抛光处理，并内部镀铬增加硬度，浇注体整体腔体封闭，使用导热油或电加热，加热温度可为50℃~200℃，浇注头的出胶口具有可调间隙和挡块，分别用于调节树脂面密度和树脂界限间距。