CN111730878A - 一种提高碳纤维树脂基复合材料耐热性能的方法 - Google Patents

一种提高碳纤维树脂基复合材料耐热性能的方法 Download PDF

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Abstract

一种提高碳纤维树脂基复合材料耐热性能的方法，涉及复合材料领域。用热压共固化成型的方法在碳纤维增强树脂基复合材料表面贴合(或复合)一层或多层高导热石墨膜，以提高复合材料层合板的耐热性能。

Description

一种提高碳纤维树脂基复合材料耐热性能的方法
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及到一种提高碳纤维增强树脂基复合材料耐热性能的方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是我国当前最先进的复合材料之一，其最大优势是可以兼顾碳纤维与基体性能，同时也是一种能优化工程结构、具有高强性能的功能性材料之一，CFRP由于综合性能优异而在航空航天领域扮演着日益重要的角色。航空发动机用碳纤维增强的聚酰亚胺基复合材料外涵机匣，工作温度可达315℃以上，质量减轻15％～20％，成本降低30％～35％，可以大幅度减轻结构质量和降低成本。随着航空航天等领域科学技术的不断发展，其对材料的耐热性能和使用寿命要求更为苛刻。因此提高树脂基复合材料耐热性能，不仅对于其在长期高温服役环境下的安全及延寿具有重要意义，而且可以为长时间耐高温树脂基复合材料的在航空航天、先进制造等领域的设计和应用提供理论指导。
目前在航空航天领域应用最多的树脂材料主要有聚酰亚胺树脂、环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂以及酚醛树脂。其中聚酰亚胺树脂是指重复单元中含有芳香环和酰亚胺环结构的一类高性能聚合物，是一种高模量、高强度、低吸水率、优异绝缘性及耐热氧化稳定性等优良性能的工程塑料，是目前树脂基复合材料中耐温性最高的材料之一。环氧树脂是指主链上有醚键和中醚键，两端为环氧基团的聚合物，活泼的环氧键使其可以和双酚、多元酸、多元醇、多元酚等进行缩聚反应制得高分子化合物，固化后的环氧树脂具有优异的性能，是目前应用最广泛也是应用比较早的树脂材料之一。双马来酰亚胺树脂是一种新型高性能树脂，有比环氧树脂更好的抗疲劳性和耐湿热性能，还有较好的工艺性和固化时气孔较少等优点，近年来在先进复合材料的制造上被广泛应用。氰酸酯树脂具有良好的力学性能、高玻璃化转变温度、低固化收缩率、低吸水率和优异的介电性能等特点，近年来在航空航天耐高温结构复合材料和高性能透波/吸波复合材料等领域得到了广泛的应用。酚醛树脂一般由苯酚醛或其衍生物缩聚而得，具有良好的耐酸性能、力学性能、耐热性能，广泛应用于防腐蚀工程、胶粘剂、阻燃材料、砂轮片制造等行业。
碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维，具有良好的应用前景。
高导热石墨膜不仅质轻，高温力学性能和抗热震性优异，还具有极高的热传导性能，且面内为各向同性，热导率为400-2000W/(m.K)，而厚度方向热导率为15W/(m.K),在碳纤维聚酰亚胺基复合材料表面复合一层高导热石墨膜，能大幅提高复合材料的工作温度，从而提高其耐热性能。
目前提高碳纤维增强树脂基复合材料耐热性能的方法很多，但大多数停留在碳纤维和树脂的化学改性的方面。比如专利CN105713386、专利CN 109265998以及专利CN105295373都是将先碳纤维改性后再与聚酰亚胺树脂进行复合；专利CN104629365先用聚酰胺酸对碳纤维进行包覆，再与普通的热固性聚酰亚胺进行复合；专利CN106758250对PAN基碳纤维表面进行连续阳极氧化处理，并将环氧树脂与三乙烯四胺混合后，均匀涂覆在PAN基碳纤维的表面；专利CN110396282先用石墨烯浆料浸渍碳纤维布，再用环氧树脂混合物进行浸渍，铺层后放于室温下进行固化成型；专利CN108752862首先将碳纤维放入超临界CO2装置中进行处理，然后将预氧化石墨、酚醛粉末分散在溶剂中，在超临界装置中浸渍碳纤维。上述方法虽然使碳纤维增强树脂基复合材料的耐热性得到一定的提高，但是并没有从加快热量传导方面考虑，复合材料的工作寿命受到了很大的限制。
因此，如何提高碳纤维树脂基复合材料的工作温度以及热氧老化性是目前亟待解决的一个难题。
发明内容
本发明从提高复合材料层合板表面的导热性能出发，可大大加快其散热速度、增大散热面积，从而提高其在高温环境下的工作寿命，提高其抗热氧老化性能，尤其适合局部受热程度较高或极高而本体导热率又较低的树脂基复合材料。
本发明所要解决的问题在于，用热压共固化成型的方法在碳纤维聚酰亚胺基复合材料表面贴合(或复合)一层或多层高导热石墨膜，以提高复合材料层合板的耐热性能。主要包括以下步骤：
步骤(1)：将碳纤维树脂基预浸料按照工艺要求裁剪成一定的大小，然后按照所需要的层数(如1-16层)进行铺层；
步骤(2)：在铺层好的预浸料最上层铺加一层或多层高导热石墨膜，热压固化成型，得到复合材料板。
步骤(3)：将步骤(2)得到的复合材料板放置在烘箱中进行后固化处理。
上述方法步骤(1)中所述的碳纤维树脂基预浸料中的树脂包括聚酰亚胺树脂、双马树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂以及酚醛树脂等。
上述方法步骤(2)中所述有天然石墨膜、人工石墨膜以及石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜等导热率≥200W/m.K的高导热石墨膜。
上述方法步骤(2)中所述的高导热石墨膜厚度为0.01-1mm。
本发明的优点在于：本发明生产效率高，生产工艺简单，在保持制品CFRP材料原有的轻质、高强高模、设计性强等优点的同时，可使其耐热氧老化性能大大提高，从而提高其在高温环境下的工作寿命。尤其适合局部受热程度较高或极高而本体导热率又较低的树脂基复合材料应用场景。
具体实施方式
下面以具体实施例的方式说明本发明，但不构成对本发明的限制。
实施例1
将碳纤维体积分数为60％的聚酰亚胺树脂碳纤维预浸料(即碳纤维浸渍于所对应的树脂中)裁切成30*100mm大小、依次铺贴16层形成复合材料预浸料坯件，将预浸料坯件放置在烘箱中先在65℃左右处理1h，然后升温至170℃处理2h。
将预浸料坯件放入热压罐内进一步固化成型，具体流程如下：(1)在预浸料坯件最外层铺加一层1mm厚的相同大小的天然高导热石墨膜，将其放入真空袋进行封装，抽真空至真空度100～150mmHg；(2)以3℃/min的较快升温速率升温至190℃，再以1.1℃/min的较慢升温速率升温至250℃；(3)在250℃保温30min后，抽真空610mmHg以上，加压1.38MPa，并在后续固化过程中保持这个真空度和压力；(4)完成系统加压后，继续以2.5℃/min的升温速率升温至316℃，并在316℃保温120min；(5)在保持1.38MPa压力的条件下，以小于1.1℃/min的速率降温至50℃以下，然后泄压脱模。
在完成热压罐固化后，复合材料制件在自由状态下在烘箱中完成后固化：(1)以8℃/min的升温速率升温至288℃，保温5h；(2)以0.3～0.6℃/min的升温速率升温至316℃，保温10h；(3)降温至71℃以下，从烘箱中取出。
由上述步骤制备的复合材料的弯曲模量为140GPa，弯曲强度为2000MPa，层间剪切强度为120MPa，工作温度可达600℃。
实施例2：
将碳纤维体积分数为60％的聚酰亚胺树脂碳纤维预浸料裁切成30*100mm大小、依次铺贴8层形成复合材料预浸料坯件，将预浸料坯件放置在烘箱中先在65℃左右处理1h，然后升温至170℃处理2h。
将1mm厚的天然高导热石墨膜裁剪成与预浸料相同大小的形状，铺叠在前处理后的预浸料坯件最外层，并将其一起转移至热压机中，在1.73MPa、325℃下进行模压成型。
模压成型后，将复合材料制件放入在烘箱中，在300℃完成后固化。
由上述步骤制备的复合材料的弯曲模量为140GPa，弯曲强度为2000MPa，层间剪切强度为120MPa，工作温度可达600℃。
实施例3：
(1)将碳纤维体积分数为50％的环氧树脂碳纤维预浸料按照设计工艺要求剪切成30*100mm大小，堆叠16层，在其最外层铺叠一张和预浸料相同大小0.5mm厚天然高导热石墨膜，将预浸料叠坯覆上不锈钢模板，装入液压机中，以10℃/min的升温速率升温至100℃，在2MPa的压力下保温30min；(2)然后以7℃/min的升温速率升温至170℃，加压至6MPa，压制90min以上；(3)降温至50摄氏度以下，减压脱模；(4)将复合材料制件放入烘箱中，在140℃下保温150min左右进行后处理。
由以上步骤制备的复合材料的拉伸强度为172.4MPa，工作温度可达400℃。
实施例4：
(1)将碳纤维体积分数为60％的酚醛树脂预浸料裁剪成30*100mm大小，铺叠8层，并在最上层铺加一张相同大小的0.5mm厚的天然高导热石墨膜，将其架于层压管的开卷轴上，给预热辊和热辊升至100℃，将涂有脱模剂的芯轴放于支承辊和热辊之间，受热10min，而后将预浸料穿入管芯轴上，启动上压辊，将预浸料输入管芯轴上，幅面必须平整且具有一定张力，确保产品的相对密度和机械性能。
(2)将预浸料坯管送入烘炉烘焙固化成型。
(3)脱管芯。
(4)烘焙成型的毛坯管在脱管芯后，用砂轮锯将其两端头切割平整。
(5)为保证表面光洁和防止潮气渗入层压管内，采用防湿热性能好的绝缘漆(胶液相对密度为0.9～0.925的环氧树脂漆)进行浸渍。被浸管放置料架上沉入漆槽，浸好后提出，滴去多余胶液，放入80℃气热烘炉中烘2h，而后升温至110℃烘5h，后固化处理后即可得到最终的复合材料制件。
由以上步骤制备的复合材料的的耐热温度可达350℃。
实施例5：
将碳纤维体积分数为60％的酚醛树脂预浸料，剪切成30*100mm大小，堆叠8层，并在最外层铺加一层与预浸料相同大小1mm厚的人工高导热石墨膜，将预浸料叠坯覆上不锈钢模板，装入装入多层热压板的液压机中，以10℃/min的升温速率升温至130℃，在40MPa的压力下保温30min；(2)然后以5℃/min的升温速率升温至170℃，加压至90MPa，压制75min以上；(3)降温至50摄氏度以下，减压脱模；(4)将复合材料制件放入烘箱中，在140℃下保温150min左右进行后处理。
由以上步骤制备的复合材料的的耐热温度可达350℃。
实施例6：将实施例4中的酚醛树脂预浸料换成环氧树脂预浸料，将烘焙工艺参数改变为环氧树脂预浸料所需要的170℃，即可得到层压管成型的环氧树脂复合材料。
实施例7：
将碳纤维体积分数为50％的氰酸酯树脂碳纤维预浸料剪切成30*100mm大小，堆叠8层，并在最外层铺加一层与预浸料相同大小1mm厚的人工高导热石墨膜，将其用一个橡胶袋包上，用封闭物将袋和模具表面接触处密封，缓缓抽真空达16.7MPa，加热至200℃左右进行，然后将其放入烘箱中在150℃下固化得到制品。
实施例8：
将碳纤维体积分数为50％的氰酸酯树脂碳纤维预浸料剪切成30*100mm大小，堆叠8层，并在最外层铺加一层与预浸料相同大小1mm厚的人工高导热石墨膜，将其放在加热器内加热至200℃，装入模具内，快速合模加压，在60℃左右冷却脱模，经修边成制品。
实施例9：
将实施例1中的聚酰亚胺树脂预浸料换成双马树脂预浸料，将固化温度设置为220℃，经热压罐成型得到双马树脂碳纤维复合材料。
实施例10：
将实施例7中的氰酸酯树脂换成双马树脂，经热压袋在20MPa/220℃下加压固化得到双马树脂碳纤维复合材料。

Claims (5)

1.一种提高碳纤维树脂基复合材料耐热性能的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
步骤(1)：将碳纤维树脂基预浸料按照所需的层数(如1-16层)进行铺层或进一步制成柸体；
步骤(2)：在铺层或柸体的最外层铺加一层或多层高导热碳膜，然后一起热固化成型或热压固化成型，得到复合材料板；
步骤(3)：将步骤(2)得到的整体复合材料板放置在烘箱中进行后固化处理。
2.按照权利要求1所述的一种提高碳纤维树脂基复合材料耐热性能的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的碳纤维树脂基预浸料中的树脂选自聚酰亚胺树脂、双马树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂以及酚醛树脂等。
3.按照权利要求1所述的一种提高碳纤维树脂基复合材料耐热性能的方法，其特征在于，步骤(2)中所述碳膜选自天然石墨膜、人工石墨膜、石墨烯薄膜以及碳纳米管薄膜等面向导热系数≥200W/m.K的高导热碳/石墨薄膜。
4.按照权利要求1所述的一种提高碳纤维树脂基复合材料耐热性能的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的高导热碳膜厚度为0.01-1mm。
5.按照权利要求1-4任一项所述的方法制备得到的碳纤维树脂基复合材料。
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