CN112409618A - 一种单向热固性芳纶纤维复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单向热固性芳纶纤维复合材料及制备方法，制备方法包括：S1.将单向芳纶纤维预浸料按照设定的尺寸裁剪为单层预浸料，并将裁剪后的单层预浸料按照设定的方向进行单个方向的铺层以形成预浸料叠层；S2.将预浸料叠层进行预热并压实预浸料叠层；S3.将预热压实后的预浸料叠层放置于模具中加热并保压；S4.将步骤S3获得的产品进行冷却并形成热固性芳纶纤维复合材料。利用本方法可以制备出纯单向的热固性芳纶纤维复合材料，且制备方法工艺方便简单，可操作性强，适用于小批量和对材料单向性能有特殊要求的试件生产。
Description
技术领域
本发明涉及芳纶纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种单向热固性芳纶纤维复合材料及制备方法。
背景技术
芳纶纤维增强复合材料(AFRP)具有众多优异的物理力学性能：高硬度、高耐热性、化学稳定性、比强度和比模量高等。近年来，这种材料因其优异的力学性能而被广泛认可，尤其是在轻量化和高防弹性能方面，因此在航空航天、特种车辆、舰艇、坦克等装甲防护领域的应用前景广阔。然而，这些优点对机械加工领域来说反而成为了一个棘手的难题。由于技术水平和生产成本的限制，在AFRP的切削加工中经常会出现以下问题：(1)毛刺与崩边，(2)撕裂与分层，(3)亚表面损伤，(4)烧伤，(5)纤维基体脱粘，(6)基体断裂与纤维失稳等加工问题。这些问题严重影响了加工质量和加工效率，很大程度地增加了生产成本，进而局限了材料的应用范围。现有技术中材料制备方法的对象多是针对编织状结构、多方向铺层结构或多种材料叠层结构的材料，而纯单向铺层结构的复合材料却很少。针对纯单向铺层结构复合材料的制备方法大多也是湿法缠绕和热压罐固化成型，这两种方法不仅耗费昂贵的人力物力，生产成本高，而且只适用于大型零件的小批量生产(均是针对于企业军用和民用的大规模生产)，不适合中小企业的大批量生产，以及特殊专用零部件制造。另一方面，在科研领域，比如说研究该材料的机械加工问题时，编织状与多向铺层的芳纶纤维复合材料，这一类结构因其复杂性、多因素性使得研究变得十分困难，无法开展定量的机理研究分析。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种单向热固性芳纶纤维复合材料及制备方法；该芳纶纤维复合材料的纤维方向单一，制备工艺方便简单，可操作性强，适用于小批量和对材料单向性能有特殊要求的试件生产，同时生产成本低。
本发明提出一种单向热固性芳纶纤维复合材料的制备方法，包括：S1.将单向芳纶纤维预浸料按照设定的尺寸裁剪为单层预浸料，并将裁剪后的单层预浸料按照设定的方向进行单个方向的铺层以形成预浸料叠层；S2.将预浸料叠层进行预热并压实预浸料叠层；S3.将预热压实后的预浸料叠层放置于模具中加热并保压；S4.将步骤S3获得的产品进行冷却并形成热固性芳纶纤维复合材料。
在一些实施例中，所述单向芳纶纤维预浸料的增强相包括对位芳纶纤维1414、凯夫拉、芳2中的一种或多种；基体相包括E51环氧树脂、E31环氧树脂中的一种或多种。
在一些实施例中，所述步骤S1中设定的方向包括：0°、45°、90°、135°中的一种。
在一些实施例中，所述步骤S2中通过热风机以及模压机进行预热，预热温度为65℃-75℃。
在一些实施例中，所述模具的材质为钢制模具，其能满足在加热并保压的过程中变形小。钢制模具包括SKD61热作模钢或SKD5高温模钢。
在一些实施例中，所述步骤S3中加热过程中的升温速率为2℃/min-3℃/min；所述保温温度为125-134℃，保温时间为30min。
在一些实施例中，所述步骤S4中冷却过程的降温速率为5℃/min-7℃/min。
本发明还提供一种单向热固性芳纶纤维复合材料，通过如上所述的单向热固性芳纶纤维复合材料的制备方法制备而成。
本发明的有益效果：本发明的制备方法工艺方便简单，可操作性强，适用于小批量和对材料单向性能有特殊要求的试件生产，可以根据实际需要，制备出相同纤维角度的试件(单向热固性芳纶纤维复合材料)。另外，对于尺寸较小，铺层数量较少的单向芳纶纤维层合板零件，本发明的制备方法在一定程度上可以代替成本较高、时间较长的热压罐成型工艺。
附图说明
图1为本发明实施例中的制备模具的结构示意图。
图2为本发明实施例中单向芳纶纤维预浸料的铺层方向。
图3为本发明实施例中单向热固性芳纶纤维复合材料的结构示意图。
图4为本发明实施例中单向热固性芳纶纤维复合材料的应用实例。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
根据实际需要设计专用模具，如图1所示的单向芳纶纤维复合材料的制备模具，包括相互配合的凹模101和凸模102，该模具的材质需满足在后续的高温和低温状态下形变足够小，以此来保证所制备单向热固性芳纶纤维复合材料的精度；本实施例中的模具采用的是钢制模具，可以为P20钢制模具、SKD61热作模钢、SKD5高温模钢等，其使用寿命均可达10000次以上。
利用如上的专用模具，单向热固性芳纶纤维复合材料的制备方法如下：
S1.将单向芳纶纤维预浸料按照设定的尺寸裁剪为单层预浸料，并将裁剪后的单层预浸料按照设定的方向进行单个方向的铺层以形成预浸料叠层。
单向芳纶纤维预浸料采用现有技术中的任一种单向芳纶纤维预浸料。单向芳纶纤维预浸料包括增强相和基体相，增强相可以为对位芳纶纤维1414、凯夫拉、芳2中的任一种或多种；基体相可以为环氧树脂E51、环氧树脂E31中的一种或多种。
将单向芳纶纤维预浸料按照专用模具的尺寸进行裁剪，获得单层预浸料。如：模具的长宽高为105mm*105mm*6mm，则单向芳纶纤维预浸料裁剪为100mm*100mm的规格。单向芳纶纤维预浸料的厚度根据选选用材料种类的不同而不同，通常单层厚度范围在0.1-0.15mm左右，优选厚度为0.1mm左右的单向芳纶纤维预浸料。如增强相为对位芳纶纤维1414，基本相位环氧树脂E51，其单层厚度范围在0.12～0.15mm，克重为100g/m2，纤维含量体积分数约为60％～70％。
裁剪完成之后按照某一个单一方向进行铺层，每一层单层预浸料的铺层方向一致以确保最后成型的产品具有单向性。如图2所示，铺层方向可以是0°、45°、90°、135°等方向中的一种，除此之外，也可以为其他的单一方向。
S2.将预浸料叠层进行预热并压实预浸料叠层。
将铺层好的单向芳纶纤维预浸料覆离型纸膜后进行预热，可以通过热风机和模压机等方式进行预热。预热温度优选设置在65℃-70℃，在此温度下，预浸料中的环氧树脂软化，进而压实预浸料叠层，排出部分空气。
S3.将预热压实后的预浸料叠层放置于模具中加热并保压。
待预浸料叠层被压实后，将模具以一定升温速率进行升温后再保温。本实施例中，先将模具加热至80℃，随后加热温度梯度按照每2℃/min-3℃/min升温至125-134℃，升温过程中，压力设置为1Mpa。升温完成后再对其保温，保温时间持续30min。升温及保温过程则是对芳纶纤维复合材料进行热固化。
S4.将步骤S3获得的产品进行冷却并形成热固性芳纶纤维复合材料。
升温并保温后，按照一定的降温速率对产品进行冷却。本实施例中，以5℃/min-7℃/min的速率降温至60℃，开模后取出材料即可获得单向热固性芳纶纤维复合材料，最终形成的复合材料结构如图3所示。
本发明的制备方法工艺方便简单，可操作性强，适用于小批量和对材料单向性能有特殊要求的试件生产，可以根据实际需要，制备出相同纤维角度的试件(单向热固性芳纶纤维复合材料)。这种试件可以研究相同纤维角度下，不同加工参数对加工质量的影响，或是在同一纤维角度下，相同加工参数、不同加工方式对表面质量和加工效率的影响。这些研究不仅可以提高生产效率，改善加工质量，而且给实际生产提供重要的指导意义，为芳纶纤维的应用前景给予理论保障，还可以加工成对单向强度要求高的特殊零部件，应用于航空航天、军工等领域。另外，对于尺寸较小，铺层数量较少的单向芳纶纤维层合板零件，本发明的方法在一定程度上可以代替成本较高、时间较长的热压罐成型工艺。
如图4所示，利用如上方法制备的单向芳纶纤维复合材料进行正交切削实验，单向芳纶纤维复合材料401通过夹具(虎钳)402固定在测力仪403上，通过刀具404进行切削，进而输出切削过程中产生的切削力。在此平台上可以研究不同切削速度、切削厚度、切削深度以及刀具几何关系对不同纤维铺层方向的影响。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种单向热固性芳纶纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
S1.将单向芳纶纤维预浸料按照设定的尺寸裁剪为单层预浸料，并将裁剪后的单层预浸料按照设定的方向进行单个方向的铺层以形成预浸料叠层；
S2.将预浸料叠层进行预热并压实预浸料叠层；
S3.将预热压实后的预浸料叠层放置于模具中加热并保压；
S4.将步骤S3获得的产品进行冷却并形成热固性芳纶纤维复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单向芳纶纤维预浸料的增强相包括对位芳纶纤维1414、凯夫拉、芳2中的一种或多种；基体相包括E51环氧树脂、E31环氧树脂中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中设定的方向包括：0°、45°、90°、135°中的一种。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中通过热风机以及模压机进行预热。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，预热温度为65℃-75℃。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模具的材质满足在加热并保压的过程中变形小，所述模具为钢制模具。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述钢制模具包括SKD61热作模钢或SKD5高温模钢。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中加热过程中的升温速率为2℃/min-3℃/min；所述保温温度为125-134℃，保温时间为30min。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中冷却过程的降温速率为5℃/min-7℃/min。
10.一种单向热固性芳纶纤维复合材料，其特征在于，通过权利要求1-9任一项所述的单向热固性芳纶纤维复合材料的制备方法制备而成。
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