CN111019291A - 一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，包括以下重量百分比的原料：主体增强体：20～60％；功能增强体：5～15％；基体树脂：30～70％；固化剂：1～20％。本发明还公开了上述耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施，S1，称取原料，S2，制备树脂浇铸体，S3，制备树脂胶膜，S4，制备预浸料，S5，制备预混合体，S6，制备短纤维～树脂浇铸体，S7，将S6中制备的短纤维～树脂浇铸体制备成短纤维‑树脂胶片，S8，进行铺层，S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化，即得。本发明方案利用高性能无机短纤维层插层复合材料层压板，提高复合材料的冲击损伤阻抗。

Description

一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高性能复合材料制备方法，具体涉及一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料及其制备方法。
背景技术
高性能纤维增强热固性复合材料通常由于基体树脂高的交联密度而呈现脆性，表现出低的冲击损伤阻抗和损伤容限特征。复合材料层压板由多层增强体通过一定铺层方式制得，而各铺层之间一般没有纤维的增强，只是靠热固性树脂基体起着粘结和传递载荷作用；另一方面由于各层在取向、结构等方面存在差异致使各层加工过程中热膨胀系数存在各向异性及受载荷时各层泊松比的不匹配，当层合板存在几何不连续区域或机械连接处等高应力集中区域，其在高应力条件下会因弱层间性能导致层合板在工作过程中出现结构损伤甚至破坏，特别是遭受外来冲击时尤为明显。所以如何抑制复合材料层合板分层损伤失效，提高其抗冲击能量和抗分层能力具有重要意义。
目前通常采用的解决方法包括基体增韧、铺层结构优化设计、层压板缝纫技术、Z-向穿刺及边界帽型增强等方法。
在复合材料中，层间增韧通常有三种方式：颗粒增韧、纤维增韧和薄膜增韧。层间增韧技术主要是通过将韧性材料(薄膜或薄纱)或预制颗粒利用工程技术手段放置于复合材料铺层之间以达到增韧的目的，而所述颗粒、纤维和薄膜材料通常为热塑性树脂或橡胶等韧性材料。这些方法或多或少一定程度上带来制造成本增加、重量增加、面内性能削弱等负面影响，而层间增韧方法可避免上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：
主体增强体：20～60％；
功能增强体：5～15％；
基体树脂：30～70％；
固化剂：1～20％。
作为本发明进一步的方案：所述主体增强体的纤维原料为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维等脆性纤维。
作为本发明进一步的方案：所述主体增强体的形式是纤维的集合体，具体可为纤维织物、纤维束或者纤维织物和纤维束按照任意比例进行配比后的混合物，所述纤维织物可选机织物、针织物或编织物。
作为本发明进一步的方案：所述功能增强体的纤维原料为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，所述的功能增强体的材料与主增强体采用的原料为同一种纤维，或者为不同种纤维。
作为本发明进一步的方案：所述功能增强体为短切纤维，采用纤维长度值分布在1～10mm的纤维混合配比而成，不同长度的短纤维所占比率分别为：1mm:13～17％， 2mm:18～22％，3mm:16～20％，4mm:14～18％，5mm:10～14％，6mm:6～10％，7mm:3～7％， 8mm:2～4％，9mm:1～3％，10mm:0.5～1.5％；
作为本发明进一步的方案：所述基体树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚AD型环氧树脂中的一种或任意两种或两种以上的组合。
作为本发明进一步的方案：所述固化剂为胺类化合物、脲类衍生物、双氰胺、硫醇类、咪挫类中的一种或两种的组合或两种以上的组合。
本发明还提供另一技术方案：一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
S1，称取原料，按照如下比例称取：
主体增强体：20～60％；
功能增强体：5～15％；
基体树脂：30～70％；
固化剂：1～20％；
S2，制备树脂浇铸体，将固化剂与基体树脂组成的固化体系制备树脂浇铸体。
S3，制备树脂胶膜，将S2中制备的树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成树脂胶膜；
S4，制备预浸料，将S3制备的树脂薄膜和主增强体的纤维集合体结合在一起，具体步骤为：将纤维集合体有序经过自制预浸机先铺展，并进行有序排列；纤维集合体与制成的树脂胶膜在热压辊上进行嵌合，得到制备预浸料，嵌合而成；
S5，制备预混合体，将作为功能增强体的短切纤维与树脂通过机械搅拌进行充分混合，制得预混合体。
S6，制备短纤维-树脂浇铸体，将环氧树脂与固化剂以及S5中制备得到的预混合体进行充分混合，组成固化体系，制得短纤维-树脂浇铸体。
S7，将S6中制备的短纤维-树脂浇铸体制备成短纤维-树脂胶片，将上述短纤维-树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成短纤维 -树脂胶片；
S8，进行铺层，将S4制备的预浸料和S6制备的短纤维-树脂胶片进行铺层操作，具体来说，将预浸料按所需层数进行铺层，各纤维预浸布层间利用短纤维-树脂胶片进行插层，即，在两层织物之间是一层短纤维-树脂胶片。
S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化后，即得到耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料。
作为本发明进一步的方案：所述的S2中使用的基体树脂的质量占S1中称取的基体树脂总量的10～20％；所述的S5中的树脂用量占S1中称取的基体树脂用量的25～35％；所述的S6中的树脂用量为S1中称取的基体树脂总量减去S2和S5中树脂的用量后的剩余质量。
作为本发明进一步的方案：在所述的S9进行加热固化时，具体方法为，在压力为0，在温度为75～85℃，预固化30～45min；然后，在压力为0.3～0.5MPa，温度为120～130℃下，固化时间120min～130min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：利用高性能无机短纤维层插层复合材料层压板，通过具有一定纤维长度范围的短纤维在层间空间的随机取向分布，很大程度上与相邻铺层建立内嵌式结合，实现提高复合材料层压板的冲击损伤阻抗和损伤容限，本发明制备的。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，实施例中这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清除和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
本发明实施例中，一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，包括以下材料：
主体增强体：20～60％
功能增强体：5～15％
基体树脂：30～70％
固化剂：1～20％
其中，所述主体增强体的纤维原料为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维等脆性纤维。
其中，所述主体增强体的形式是纤维的集合体，具体可选的有纤维织物、纤维束或者纤维织物和纤维束按照任意比例进行配比后的混合物，所述纤维织物可选机织物、针织物或编织物。
其中，所述功能增强体的纤维原料为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维。
所述的功能增强体的材料与主增强体采用的原料为同一种纤维，或者为不同种纤维；
所述功能增强体为短切纤维，采用纤维长度值分布在1～10mm的纤维混合配比而成，不同长度的短纤维所占比率分别为：1mm:13～17％，2mm:18～22％，3mm:16～20％，4mm:14～18％，5mm:10～14％，6mm:6～10％，7mm:3～7％，8mm:2～4％，9mm:1～3％， 10mm:0.5～1.5％；
所述的基体树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚AD型环氧树脂中的一种或任意两种或两种以上的组合；
所述固化剂为胺类化合物、脲类衍生物、双氰胺、硫醇类、咪挫类中的一种或多种组合。
一种上述耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
S1，按照上述的配方称取原料，
S2，制备树脂浇铸体，将固化剂与基体树脂组成的固化体系制备树脂浇铸体。其中，使用的基体树脂的质量占S1中称取的基体树脂总量的10～20％；
S3，制备树脂胶膜，将S2中制备的树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成树脂胶膜；
S4，制备预浸料，将S3制备的树脂薄膜和主增强体的纤维集合体结合在一起，具体步骤为：将纤维集合体有序经过自制预浸机先铺展，并进行有序排列；纤维集合体与制成的树脂胶膜在热压辊上进行嵌合，得到制备预浸料，嵌合而成；
S5，制备预混合体，将作为功能增强体的短切纤维与树脂通过机械搅拌进行充分混合，制得预混合体。所述的的树脂用量占S1中称取的基体树脂用量的25～35％；
S6，制备短纤维-树脂浇铸体，将环氧树脂与固化剂以及S5中制备得到的预混合体进行充分混合，组成固化体系，制得短纤维-树脂浇铸体。所述的树脂用量为S1中称取的基体树脂总量减去S2和S5中树脂的用量后的剩余质量。
S7，将S6中制备的短纤维-树脂浇铸体制备成短纤维-树脂胶片，将上述短纤维-树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成短纤维 -树脂胶片；
S8，进行铺层，将S4制备的预浸料和S6制备的短纤维-树脂胶片进行铺层操作，具体来说，将预浸料按所需层数进行铺层，各纤维预浸布层间利用短纤维-树脂胶片进行插层，即，在两层织物之间是一层短纤维-树脂胶片。
S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化后，即得到耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料。所述的加热固化时，首先，在压力为0，在温度为75～85℃，预固化30～45min；然后，在压力为0.3～0.5MPa，温度为120～130℃下，固化120min～130min。
实施例1
本发明实施例中，一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，包括以下材料：
主体增强体：20％
功能增强体：15％
基体树脂：30％
固化剂：1％
其中，所述主体增强体的纤维原料为碳纤维
其中，所述主体增强体的形式为纤维束。
其中，所述功能增强体的纤维原料为碳纤维。
所述功能增强体为短切纤维，采用纤维长度值分布在1～10mm的纤维混合配比而成，不同长度的短纤维所占比率分别为：1mm:15％，2mm:18％，3mm:20％，4mm:18％， 5mm:10％，6mm:7％，7mm:5％，8mm:3％，9mm:1％，10mm:0.5％；
所述的基体树脂为双酚A型环氧树脂；
所述固化剂为胺类化合物。
一种上述耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
S1，按照上述的配方称取原料
S2，制备树脂浇铸体，将固化剂与基体树脂组成的固化体系制备树脂浇铸体。其中，使用的基体树脂的质量占S1中称取的基体树脂总量的10％；
S3，制备树脂胶膜，将S2中制备的树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成树脂胶膜；
S4，制备预浸料，将S3制备的树脂薄膜和主增强体的纤维集合体结合在一起，具体步骤为：将纤维集合体有序经过自制预浸机先铺展，并进行有序排列；纤维集合体与制成的树脂胶膜在热压辊上进行嵌合，得到制备预浸料，嵌合而成；
S5，制备预混合体，将作为功能增强体的短切纤维与树脂通过机械搅拌进行充分混合，制得预混合体。所述的的树脂用量占S1中称取的基体树脂用量的25％；
S6，制备短纤维-树脂浇铸体，将环氧树脂与固化剂以及S5中制备得到的预混合体进行充分混合，组成固化体系，制得短纤维-树脂浇铸体。所述的树脂用量为S1中称取的基体树脂总量减去S2和S5中树脂的用量后的剩余质量。
S7，将S6中制备的短纤维-树脂浇铸体制备成短纤维-树脂胶片，将上述短纤维-树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成短纤维 -树脂胶片；
S8，进行铺层，将S4制备的预浸料和S6制备的短纤维-树脂胶片进行铺层操作，具体来说，将预浸料按所需层数进行铺层，各纤维预浸布层间利用短纤维-树脂胶片进行插层，即，在两层织物之间是一层短纤维-树脂胶片。
S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化后，即得到耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料。所述的加热固化时，首先，在压力为0，在温度为75℃，预固化45min；然后，在压力为0.5MPa，温度为120℃下，固化120min。
实施例2
本发明实施例中，一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，包括以下材料：
主体增强体：40％
功能增强体：5％
基体树脂：70％
固化剂：10％
其中，所述主体增强体的纤维原料为玻璃纤维。
其中，所述主体增强体的形式是机织物。
其中，所述功能增强体的纤维原料为碳纤维。
所述功能增强体为短切纤维，采用纤维长度值分布在1～10mm的纤维混合配比而成，不同长度的短纤维所占比率分别为：1mm:15％，2mm:20％，3mm:17％，4mm:16％， 5mm:12％，6mm:7％，7mm:6％，8mm:3％，9mm:2％，10mm:0.8％；
所述的基体树脂为双酚F型环氧树脂；
所述固化剂为脲类衍生物。
一种上述耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
S1，按照上述的配比称取原料；
S2，制备树脂浇铸体，将固化剂与基体树脂组成的固化体系制备树脂浇铸体。其中，使用的基体树脂的质量占S1中称取的基体树脂总量的15％；
S3，制备树脂胶膜，将S2中制备的树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成树脂胶膜；
S4，制备预浸料，将S3制备的树脂薄膜和主增强体的纤维集合体结合在一起，具体步骤为：将纤维集合体有序经过自制预浸机先铺展，并进行有序排列；纤维集合体与制成的树脂胶膜在热压辊上进行嵌合，得到制备预浸料，嵌合而成；
S5，制备预混合体，将作为功能增强体的短切纤维与树脂通过机械搅拌进行充分混合，制得预混合体。所述的的树脂用量占S1中称取的基体树脂用量的35％；
S6，制备短纤维-树脂浇铸体，将环氧树脂与固化剂以及S5中制备得到的预混合体进行充分混合，组成固化体系，制得短纤维-树脂浇铸体。所述的树脂用量为S1中称取的基体树脂总量减去S2和S5中树脂的用量后的剩余质量。
S7，将S6中制备的短纤维-树脂浇铸体制备成短纤维-树脂胶片，将上述短纤维-树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成短纤维 -树脂胶片；
S8，进行铺层，将S4制备的预浸料和S6制备的短纤维-树脂胶片进行铺层操作，具体来说，将预浸料按所需层数进行铺层，各纤维预浸布层间利用短纤维-树脂胶片进行插层，即，在两层织物之间是一层短纤维-树脂胶片。
S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化后，即得到耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料。所述的加热固化时，首先，在压力为0，在温度为85℃，预固化30min；然后，在压力为0.3MPa，温度为130℃下，固化125min。
实施例3
本发明实施例中，一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，包括以下材料：
主体增强体：60％
功能增强体：10％
基体树脂：50％
固化剂：20％
其中，所述主体增强体的纤维原料为玄武岩纤维。
其中，所述主体增强体的形式是编织物。
其中，所述功能增强体的纤维原料为玄武岩纤维。
所述功能增强体为短切纤维，采用纤维长度值分布在1～10mm的纤维混合配比而成，不同长度的短纤维所占比率分别为：1mm:16％，2mm:20％，3mm:19％，4mm:15％， 5mm:13％，6mm:9％，7mm:7％，8mm:2％，9mm:1.5％，10mm:1.5％；
所述的基体树脂为双酚AD型环氧树脂；
所述固化剂为双氰胺。
一种上述耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
S1，按照上述配方称取原料；
S2，制备树脂浇铸体，将固化剂与基体树脂组成的固化体系制备树脂浇铸体。其中，使用的基体树脂的质量占S1中称取的基体树脂总量的20％；
S3，制备树脂胶膜，将S2中制备的树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成树脂胶膜；
S4，制备预浸料，将S3制备的树脂薄膜和主增强体的纤维集合体结合在一起，具体步骤为：将纤维集合体有序经过自制预浸机先铺展，并进行有序排列；纤维集合体与制成的树脂胶膜在热压辊上进行嵌合，得到制备预浸料，嵌合而成；
S5，制备预混合体，将作为功能增强体的短切纤维与树脂通过机械搅拌进行充分混合，制得预混合体。所述的的树脂用量占S1中称取的基体树脂用量的30％；
S6，制备短纤维-树脂浇铸体，将环氧树脂与固化剂以及S5中制备得到的预混合体进行充分混合，组成固化体系，制得短纤维-树脂浇铸体。所述的树脂用量为S1中称取的基体树脂总量减去S2和S5中树脂的用量后的剩余质量。
S7，将S6中制备的短纤维-树脂浇铸体制备成短纤维-树脂胶片，将上述短纤维-树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成短纤维 -树脂胶片；
S8，进行铺层，将S4制备的预浸料和S6制备的短纤维-树脂胶片进行铺层操作，具体来说，将预浸料按所需层数进行铺层，各纤维预浸布层间利用短纤维-树脂胶片进行插层，即，在两层织物之间是一层短纤维-树脂胶片。
S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化后，即得到耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料。所述的加热固化时，首先，在压力为0，在温度为80℃，预固化35min；然后，在压力为0.4MPa，温度为125℃下，固化130min。
实施例4
本发明实施例中，一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，包括以下材料：
主体增强体：30％
功能增强体：8％
基体树脂：40％
固化剂：5％
其中，所述主体增强体的纤维原料为玻璃纤维。
其中，所述主体增强体的形式是针织物。
其中，所述功能增强体的纤维原料为玻璃纤维。
所述功能增强体为短切纤维，采用纤维长度值分布在1～10mm的纤维混合配比而成，不同长度的短纤维所占比率分别为：1mm:16％，2mm:19％，3mm:19％，4mm:15％， 5mm:13％，6mm:7％，7mm:4％，8mm:2.5％，9mm:2.5％，10mm:1.2％；
所述的基体树脂为双酚A型环氧树脂和双酚F型环氧树脂的组合；
所述固化剂为硫醇类。
一种上述耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
S1，按照上述配方称取原料；
S2，制备树脂浇铸体，将固化剂与基体树脂组成的固化体系制备树脂浇铸体。其中，使用的基体树脂的质量占S1中称取的基体树脂总量的12％；
S3，制备树脂胶膜，将S2中制备的树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成树脂胶膜；
S4，制备预浸料，将S3制备的树脂薄膜和主增强体的纤维集合体结合在一起，具体步骤为：将纤维集合体有序经过自制预浸机先铺展，并进行有序排列；纤维集合体与制成的树脂胶膜在热压辊上进行嵌合，得到制备预浸料，嵌合而成；
S5，制备预混合体，将作为功能增强体的短切纤维与树脂通过机械搅拌进行充分混合，制得预混合体。所述的的树脂用量占S1中称取的基体树脂用量的28％；
S6，制备短纤维-树脂浇铸体，将环氧树脂与固化剂以及S5中制备得到的预混合体进行充分混合，组成固化体系，制得短纤维-树脂浇铸体。所述的树脂用量为S1中称取的基体树脂总量减去S2和S5中树脂的用量后的剩余质量。
S7，将S6中制备的短纤维-树脂浇铸体制备成短纤维-树脂胶片，将上述短纤维-树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成短纤维 -树脂胶片；
S8，进行铺层，将S4制备的预浸料和S6制备的短纤维-树脂胶片进行铺层操作，具体来说，将预浸料按所需层数进行铺层，各纤维预浸布层间利用短纤维-树脂胶片进行插层，即，在两层织物之间是一层短纤维-树脂胶片。
S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化后，即得到耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料。所述的加热固化时，首先，在压力为0，在温度为78℃，预固化40min；然后，在压力为0.35MPa，温度为122℃下，固化128min。
实施例5
本发明实施例中，一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，包括以下材料：
主体增强体：50％
功能增强体：12％
基体树脂：60％
固化剂：15％
其中，所述主体增强体的纤维原料为碳纤维。
其中，所述主体增强体的形式是机织物和纤维束按照任意比例进行配比后的混合物
其中，所述功能增强体的纤维原料为玻璃纤维。
所述功能增强体为短切纤维，采用纤维长度值分布在1～10mm的纤维混合配比而成，不同长度的短纤维所占比率分别为：1mm:14％，2mm:21％，3mm:17％，4mm:17％， 5mm:11％，6mm:9％，7mm:4％，8mm:3％，9mm:2％，10mm:0.7％；
所述的基体树脂为双酚A型环氧树脂和双酚AD型环氧树脂的组合；
所述固化剂为咪挫类。
一种上述耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
S1，按照上述配方称取原料；
S2，制备树脂浇铸体，将固化剂与基体树脂组成的固化体系制备树脂浇铸体。其中，使用的基体树脂的质量占S1中称取的基体树脂总量的16％；
S3，制备树脂胶膜，将S2中制备的树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成树脂胶膜；
S4，制备预浸料，将S3制备的树脂薄膜和主增强体的纤维集合体结合在一起，具体步骤为：将纤维集合体有序经过自制预浸机先铺展，并进行有序排列；纤维集合体与制成的树脂胶膜在热压辊上进行嵌合，得到制备预浸料，嵌合而成；
S5，制备预混合体，将作为功能增强体的短切纤维与树脂通过机械搅拌进行充分混合，制得预混合体。所述的的树脂用量占S1中称取的基体树脂用量的33％；
S6，制备短纤维-树脂浇铸体，将环氧树脂与固化剂以及S5中制备得到的预混合体进行充分混合，组成固化体系，制得短纤维-树脂浇铸体。所述的树脂用量为S1中称取的基体树脂总量减去S2和S5中树脂的用量后的剩余质量。
S7，将S6中制备的短纤维-树脂浇铸体制备成短纤维-树脂胶片，将上述短纤维-树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成短纤维 -树脂胶片；
S8，进行铺层，将S4制备的预浸料和S6制备的短纤维-树脂胶片进行铺层操作，具体来说，将预浸料按所需层数进行铺层，各纤维预浸布层间利用短纤维-树脂胶片进行插层，即，在两层织物之间是一层短纤维-树脂胶片。
S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化后，即得到耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料。所述的加热固化时，首先，在压力为0，在温度为82℃，预固化38min；然后，在压力为0.45MPa，温度为128℃下，固化122min。
实施例6
本发明实施例中，一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，包括以下材料：
主体增强体：25％
功能增强体：14％
基体树脂：45％
固化剂：3％
其中，所述主体增强体的纤维原料为玻璃纤维。
其中，所述主体增强体的形式是纤维束和针织物按照任意比例进行配比后的混合物
其中，所述功能增强体的纤维原料为碳纤维。
所述功能增强体为短切纤维，采用纤维长度值分布在1～10mm的纤维混合配比而成，不同长度的短纤维所占比率分别为：1mm:15％，2mm:20％，3mm:18％，4mm:16％， 5mm:12％，6mm:8％，7mm:5％，8mm:3％，9mm:2％，10mm:1％；
所述的基体树脂为双酚F型环氧树脂和双酚AD型环氧树脂的组合；
所述固化剂为胺类化合物和脲类衍生物的组合。
一种上述耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
S1，按照上述配方称取原料；
S2，制备树脂浇铸体，将固化剂与基体树脂组成的固化体系制备树脂浇铸体。其中，使用的基体树脂的质量占S1中称取的基体树脂总量的13％；
S3，制备树脂胶膜，将S2中制备的树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成树脂胶膜；
S4，制备预浸料，将S3制备的树脂薄膜和主增强体的纤维集合体结合在一起，具体步骤为：将纤维集合体有序经过自制预浸机先铺展，并进行有序排列；纤维集合体与制成的树脂胶膜在热压辊上进行嵌合，得到制备预浸料，嵌合而成；
S5，制备预混合体，将作为功能增强体的短切纤维与树脂通过机械搅拌进行充分混合，制得预混合体。所述的的树脂用量占S1中称取的基体树脂用量的34％；
S6，制备短纤维-树脂浇铸体，将环氧树脂与固化剂以及S5中制备得到的预混合体进行充分混合，组成固化体系，制得短纤维-树脂浇铸体。所述的树脂用量为S1中称取的基体树脂总量减去S2和S5中树脂的用量后的剩余质量。
S7，将S6中制备的短纤维-树脂浇铸体制备成短纤维-树脂胶片，将上述短纤维-树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成短纤维 -树脂胶片；
S8，进行铺层，将S4制备的预浸料和S6制备的短纤维-树脂胶片进行铺层操作，具体来说，将预浸料按所需层数进行铺层，各纤维预浸布层间利用短纤维-树脂胶片进行插层，即，在两层织物之间是一层短纤维-树脂胶片。
S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化后，即得到耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料。所述的加热固化时，首先，在压力为0，在温度为84℃，预固化32min；然后，在压力为0.32MPa，温度为127℃下，固化121min。
实施例7
本发明实施例中，一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，包括以下材料：
主体增强体：45％
功能增强体：6％
基体树脂：55％
固化剂：8％
其中，所述主体增强体的纤维原料为碳纤维。
其中，所述主体增强体的形式是纤维束和编织物按照任意比例进行配比后的混合物；
其中，所述功能增强体的纤维原料为玄武岩纤维。
所述功能增强体为短切纤维，采用纤维长度值分布在1～10mm的纤维混合配比而成，不同长度的短纤维所占比率分别为：1mm:17％，2mm:22％，3mm:20％，4mm:18％， 5mm:14％，6mm:10％，7mm:7％，8mm:4％，9mm:3％，10mm:1.5％；
所述的基体树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂和双酚AD型环氧树脂的组合；
所述固化剂为胺类化合物、双氰胺和硫醇类的组合。
一种上述耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
S1，按照上述配方称取原料；
S2，制备树脂浇铸体，将固化剂与基体树脂组成的固化体系制备树脂浇铸体。其中，使用的基体树脂的质量占S1中称取的基体树脂总量的17％；
S3，制备树脂胶膜，将S2中制备的树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成树脂胶膜；
S4，制备预浸料，将S3制备的树脂薄膜和主增强体的纤维集合体结合在一起，具体步骤为：将纤维集合体有序经过自制预浸机先铺展，并进行有序排列；纤维集合体与制成的树脂胶膜在热压辊上进行嵌合，得到制备预浸料，嵌合而成；
S5，制备预混合体，将作为功能增强体的短切纤维与树脂通过机械搅拌进行充分混合，制得预混合体。所述的的树脂用量占S1中称取的基体树脂用量的26％；
S6，制备短纤维-树脂浇铸体，将环氧树脂与固化剂以及S5中制备得到的预混合体进行充分混合，组成固化体系，制得短纤维-树脂浇铸体。所述的树脂用量为S1中称取的基体树脂总量减去S2和S5中树脂的用量后的剩余质量。
S7，将S6中制备的短纤维-树脂浇铸体制备成短纤维-树脂胶片，将上述短纤维-树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成短纤维 -树脂胶片；
S8，进行铺层，将S4制备的预浸料和S6制备的短纤维-树脂胶片进行铺层操作，具体来说，将预浸料按所需层数进行铺层，各纤维预浸布层间利用短纤维-树脂胶片进行插层，即，在两层织物之间是一层短纤维-树脂胶片。
S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化后，即得到耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料。所述的加热固化时，首先，在压力为0，在温度为79℃，预固化43min；然后，在压力为0.48MPa，温度为126℃下，固化127min。
实施例8
本发明实施例中，一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，包括以下材料：
主体增强体：33％
功能增强体：9％
基体树脂：56％
固化剂：18％
其中，所述主体增强体的纤维原料为玻璃纤维。
其中，所述主体增强体的形式是纤维束和针织物按照任意比例进行配比后的混合物
其中，所述功能增强体的纤维原料为碳纤维。
所述功能增强体为短切纤维，采用纤维长度值分布在1～10mm的纤维混合配比而成，不同长度的短纤维所占比率分别为：1mm:13％，2mm:18％，3mm:16％，4mm:14％， 5mm:10％，6mm:6％，7mm:3％，8mm:2％，9mm:1％，10mm:0.5％；
所述的基体树脂为双酚A型环氧树脂和双酚F型环氧树脂的组合；
所述固化剂为双氰胺、硫醇类的种组合。
一种上述耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
S1，按照上述配方称取原料；
S2，制备树脂浇铸体，将固化剂与基体树脂组成的固化体系制备树脂浇铸体。其中，使用的基体树脂的质量占S1中称取的基体树脂总量的19％；
S3，制备树脂胶膜，将S2中制备的树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成树脂胶膜；
S4，制备预浸料，将S3制备的树脂薄膜和主增强体的纤维集合体结合在一起，具体步骤为：将纤维集合体有序经过自制预浸机先铺展，并进行有序排列；纤维集合体与制成的树脂胶膜在热压辊上进行嵌合，得到制备预浸料，嵌合而成；
S5，制备预混合体，将作为功能增强体的短切纤维与树脂通过机械搅拌进行充分混合，制得预混合体。所述的的树脂用量占S1中称取的基体树脂用量的27％；
S6，制备短纤维-树脂浇铸体，将环氧树脂与固化剂以及S5中制备得到的预混合体进行充分混合，组成固化体系，制得短纤维-树脂浇铸体。所述的树脂用量为S1中称取的基体树脂总量减去S2和S5中树脂的用量后的剩余质量。
S7，将S6中制备的短纤维-树脂浇铸体制备成短纤维-树脂胶片，将上述短纤维-树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成短纤维 -树脂胶片；
S8，进行铺层，将S4制备的预浸料和S6制备的短纤维-树脂胶片进行铺层操作，具体来说，将预浸料按所需层数进行铺层，各纤维预浸布层间利用短纤维-树脂胶片进行插层，即，在两层织物之间是一层短纤维-树脂胶片。
S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化后，即得到耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料。所述的加热固化时，首先，在压力为0，在温度为76℃，预固化36；然后，在压力为0.42MPa，温度为125℃下，固化130min。
利用本发明的制备方法，制备出的耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料，具有如下优点：
进行IZOD冲击测试以及落锤冲击性能的测试结果如下：
利用本发明方法制备的纤维增强复合材料，由于进行了增韧处理，比现有技术中制备的复合材料的冲击性能有明显的改进，利用不同的增强纤维类型，不论是织物形式的增强体还是纤维束形式的增强体，其冲击性能均有很明显的提升。例如表1、表3和表5中列出的几种利用不同的纤维制备的增强后的制备的预浸料层压板增韧前后的数据对比，在增韧后，对比增韧前的数据，均有不同程度的提升，提升率最高可达到71％。
表1不同级别碳纤维平纹预浸料层压板增韧前后Izod冲击性能对比
Izod冲击吸能(KJ/m<sup>2</sup>) 无增韧 有增韧 提升率
T300碳纤布/环氧 20.8 25.5 23％
T300相当碳纤布/环氧 29.2 49.8 71％
T700碳纤布/环氧 68.5 103.4 51％
T700相当碳纤布/环氧 64.4 103.6 61％
准各相同性碳纤/环氧 91.0 109.6 20％
表2不同级别碳纤维平纹预浸料层压板增韧前后落锤冲击吸能
Figure BDA0002286090550000191
表3不同单向玻璃纤维层压板增韧前后Izod冲击性能对比
Izod冲击吸能(KJ/m<sup>2</sup>) 无增韧 有增韧 提升率
E玻璃单向纤维/环氧 75.6 82.9 10％
S玻璃单向纤维/环氧 69.5 80.6 16％
表4不同玻璃纤维平纹层压板增韧前后落锤冲击吸能
Figure BDA0002286090550000192
Figure BDA0002286090550000201
表5玄武岩单向纤维层压板增韧前后Izod冲击性能对比
Izod冲击吸能(KJ/m<sup>2</sup>) 无增韧 有增韧 提升率
玄武岩单向纤维/环氧 45.2 50.6 11.9％
另外，本发明方法制备的纤维增强复合材料，由于进行了增韧处理，通过加入功能性增强体，使得其吸收冲击能量方面的性能有明显的提升。例如表2和表4中的几种不同种类的纤维增强体对应的材料不论是在冲击能10J还是冲击能30J的情况下，其吸能效果都有了明显的提升，尤其是在冲击能30J的时候，有更加明显的提升。本发明方案中采用的增韧材料，通过短纤维在层间随机排列，提升了层与层之间的Z向连接，有利于板材在受力破坏时，有效阻碍复合材料的损伤与破坏，尤其是致命损伤层间裂纹的扩展，从而达到提升复合材料韧性的目的，较现有技术中的增韧材料的效果有了明显的提升。
本发明的方法中，利用高性能无机短纤维层插层复合材料层压板，通过具有一定纤维长度范围的短纤维在层间空间的随机取向分布，很大程度上与相邻铺层建立内嵌式结合，实现提高复合材料层压板的冲击损伤阻抗和损伤容限。另外，在制备的过程中，各项工艺参数的组合，不同材料的选择及组分配比，使得本发明制备的复合材料的抗冲击性能有了明显的提升。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐冲击高韧性纤维增强复合材料，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：
主体增强体：20～60％；
功能增强体：5～15％；
基体树脂：30～70％；
固化剂：1～20％。
2.根据权利要求1所述的耐冲击高韧性纤维增强复合材料，其特征在于，所述主体增强体的纤维原料为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维等脆性纤维。
3.根据权利要求1所述的耐冲击高韧性纤维增强复合材料，其特征在于，所述主体增强体的形式是纤维的集合体，具体可为纤维织物、纤维束或者纤维织物和纤维束按照任意比例进行配比后的混合物，所述纤维织物可选机织物、针织物或编织物。
4.根据权利要求1所述的耐冲击高韧性纤维增强复合材料，其特征在于，所述功能增强体的纤维原料为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，所述的功能增强体的材料与主增强体采用的原料为同一种纤维，或者为不同种纤维。
5.根据权利要求1所述的耐冲击高韧性纤维增强复合材料，其特征在于，所述功能增强体为短切纤维，采用纤维长度值分布在1～10mm的纤维混合配比而成，不同长度的短纤维所占比率分别为：1mm:13～17％，2mm:18～22％，3mm:16～20％，4mm:14～18％，5mm:10～14％，6mm:6～10％，7mm:3～7％，8mm:2～4％，9mm:1～3％，10mm:0.5～1.5％。
6.根据权利要求1所述的耐冲击高韧性纤维增强复合材料，其特征在于，所述基体树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚AD型环氧树脂中的一种或任意两种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1所述的耐冲击高韧性纤维增强复合材料，其特征在于，所述固化剂为胺类化合物、脲类衍生物、双氰胺、硫醇类、咪挫类中的一种或两种的组合或两种以上的组合。
8.一种如权利要求1所述的耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
S1，称取原料，按照如下比例称取：
主体增强体：20～60％；
功能增强体：5～15％；
基体树脂：30～70％；
固化剂：1～20％；
S2，制备树脂浇铸体，将固化剂与基体树脂组成的固化体系制备树脂浇铸体。
S3，制备树脂胶膜，将S2中制备的树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成树脂胶膜；
S4，制备预浸料，将S3制备的树脂薄膜和主增强体的纤维集合体结合在一起，具体步骤为：将纤维集合体有序经过自制预浸机先铺展，并进行有序排列；纤维集合体与制成的树脂胶膜在热压辊上进行嵌合，得到制备预浸料，嵌合而成；
S5，制备预混合体，将作为功能增强体的短切纤维与树脂通过机械搅拌进行充分混合，制得预混合体。
S6，制备短纤维-树脂浇铸体，将环氧树脂与固化剂以及S5中制备得到的预混合体进行充分混合，组成固化体系，制得短纤维-树脂浇铸体。
S7，将S6中制备的短纤维-树脂浇铸体制备成短纤维-树脂胶片，将上述短纤维-树脂浇铸体的混合液浇在离型纸固定的位置里，然后在加热的铁板上进行刮膜处理制成短纤维-树脂胶片；
S8，进行铺层，将S4制备的预浸料和S6制备的短纤维-树脂胶片进行铺层操作，具体来说，将预浸料按所需层数进行铺层，各纤维预浸布层间利用短纤维-树脂胶片进行插层，即，在两层织物之间是一层短纤维-树脂胶片。
S9，将S8铺层后的复合材料利用高压釜进行加热加压固化后，即得到耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料。
9.根据权利要求8所述的耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，所述的S2中使用的基体树脂的质量占S1中称取的基体树脂总量的10～20％；所述的S5中的树脂用量占S1中称取的基体树脂用量的25～35％；所述的S6中的树脂用量为S1中称取的基体树脂总量减去S2和S5中树脂的用量后的剩余质量。
10.根据权利要求8或9所述的耐冲击高韧性碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，在所述的S9进行加热固化时，具体方法为，在压力为0，在温度为75～85℃，预固化30～45min；然后，在压力为0.3～0.5MPa，温度为120～130℃下，固化时间120min～130min。
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