CN112571888B - 一种树脂基碳纤维复合材料加强层板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种树脂基碳纤维复合材料加强层板及其制备方法，属于轻量化复合材料成形领域。该加强层板的制备方法包括：选取厚度为0.01～0.04mm的钢箔，用氢氧化钠溶液、过氧化氢与氨水混合溶液对钢箔依次进行恒温洗涤后放入硅烷改性液中进行浸泡；将树脂基碳纤维复合材料与改性处理后的钢箔进行交替铺层形成层板，再将层板置于热压设备中进行加热固化处理。该方法通过在树脂基碳纤维复合材料的铺层之间添加表面改性后的钢箔，使钢箔能够嵌入相邻碳纤维复合材料间树脂的内部形成较强的相互作用力，从而增大树脂基碳纤维复合材料垂直纤维方向的作用强度，并提高树脂基碳纤维复合材料相邻层之间的连接性能。

Description

一种树脂基碳纤维复合材料加强层板及其制备方法
技术领域
本发明涉及轻量化复合材料成形领域，尤其涉及一种树脂基碳纤维复合材料加强层板及其制备方法。
背景技术
树脂基碳纤维复合材料是一种以树脂为基体、碳纤维为增强相的复合材料。该材料具有耐高温、耐辐射、高强度以及抗化学腐蚀等特性,目前在航空航天、船舶以及交通军工等行业应用广泛。碳纤维复合材料具有较高强度的模量和强度，但是这是纤维提供的属性，而垂直纤维的方向是由基体树脂提供的，相比于纤维的优良属性，树脂的性能是该材料的一大短处。尽管通过采用不同方向铺层的方式去改善这种情况，但是材料性能的下限还是取决于树脂的性能。
在实际应用中，分层失效是树脂基复合材料的常见的问题。一般相邻的预浸料之间通过树脂之间的粘结连接。当受到外力的作用时，层间很容易产生分层失效并降低层板的结合强度。因此，树脂基复合材料相邻层间的界面问题也是制约该复合材料发展的一大因素。
发明内容
本发明的目的在于提供能够一种树脂基碳纤维复合材料加强层板及其制备方法，该方法通过在树脂基碳纤维复合材料的铺层之间添加表面改性后的钢箔，使钢箔能够嵌入相邻碳纤维复合材料间的树脂的内部形成较强的相互作用力，从而增大树脂基碳纤维复合材料垂直方向的作用强度，并提高树脂基碳纤维复合材料相邻层之间的连接性能。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种树脂基碳纤维复合材料加强层板的制备方法，其包括：
选取厚度为0.01～0.04mm的极薄钢箔，用氢氧化钠溶液、过氧化氢与氨水混合溶液依次恒温洗涤后放入硅烷改性液中浸泡5min，所述硅烷改性液是通过将硅烷偶联剂加入pH值为4～5的乙醇溶液中形成的；
将树脂基碳纤维复合材料与改性处理后的所述钢箔进行交替铺层形成层板，所述层板中的每层所述钢箔均被相邻的所述树脂基碳纤维复合材料完全覆盖，再将所述层板置于热压设备中进行加热固化处理。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述加热固化处理过程中，所述热压设备的施加压力区间为0.65～0.75MPa，所述热压设备的加热程序为：
以1～3℃/min的加热速率从室温加热至80～90℃，保温25～35min；
以相同的加热速率升温至115～125℃，保温55～65min后；
再以相同的加热速率升温至145～155℃，保温55～65min，之后冷却至室温。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，对所述钢箔进行洗涤的步骤包括：
将表面洁净的所述钢箔置于90～110g/L的氢氧化钠溶液中洗涤25～35min后用水清洗并干燥，再将所述钢箔置于氨水混合溶液中洗涤25～35min，所述氨水混合溶液为氨水、过氧化氢与水按照体积比1:1:18～22混合而成，整个洗涤的过程使溶液温度保持在85℃左右。
进一步地，所述硅烷改性液中所述乙醇溶液中的乙醇、去离子水以及所述硅烷偶联剂的体积比为90:5:1。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述硅烷偶联剂主要成分为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述层板中，所述层板中，所述树脂基碳纤维复合材料的层数至少为8，且基于中性层对称的上下层树脂基碳纤维复合材料的铺层角度一致。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述层板中，所述钢箔的层数比所述树脂基碳纤维复合材料的层数少一层，且所述钢箔的铺层面积小于所述树脂基碳纤维复合材料的铺层面积。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，在所述加热固化处理前还包括在所述层板上覆盖用脱模布包裹的铁板进行预压的步骤，防止固化前层板中有钢箔翘曲。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述树脂基碳纤维复合材料为碳纤维/环氧树脂复合材料，所述树脂基碳纤维复合材料的厚度为0.98～1.12mm。
一种树脂基碳纤维复合材料加强层板，上述制备方法制备得到。
本发明的效果如下：
1.本发明通过在相邻两层树脂基碳纤维复合材料的预浸料之间加入极薄钢箔，提高了该树脂基碳纤维复合材料在垂直纤维方向的作用强度，形成抗拉能力强的树脂基加强层板。同时，由于该钢箔的厚度仅为0.01～0.04mm，使该加强层板在提高抗拉能力的同时，依然保持轻量化的特性。
2.本发明通过对钢箔的表面进行两次洗涤，在氢氧化钠溶液中洗涤能够使钢箔的表面出现微孔。用氨水混合液洗涤可以排出微孔中的空气并且使钢箔的表面带有大量的N元素能够提升后续对钢箔的表面改性效果。在改性溶液中浸泡能够使钢箔的表面带有低聚物。在进行加热固化处理过程中，树脂基碳纤维复合材料中的树脂变成流动性较强的熔融态，其能够渗入到钢箔表面的微孔中，固化结束后树脂变硬从而形成锚栓结构。且在固化过程中钢箔表面的低聚物中的羧基在N元素的促进作用下与树脂中的羧基反应形成化学键形成较强的相互作用力，从而提升了该树脂基碳纤维复合材料加强层板的层间性能。
3.本发明提供的加强层板中，每层钢箔的铺层面积均略小于单层树脂基碳纤维复合材料预浸料的铺层面积，使每层钢箔均被相邻的上下两层树脂基碳纤维复合材料完全覆盖，其在固化前能够有效固定钢箔的位置，提高层板的整体性能。实验表明，加入钢箔的加强层板的拉伸以及层间剪切性能较无钢箔的拉伸以及层间剪切性能均有提升。
5.本发明提供的加强层板中，设置相邻两层所述树脂基碳纤维复合材料中纤维束的夹角为30～60能够提高树脂基碳纤维复合材料加强层板承受横向载荷的能力。
6.本发明在加热固化处理过程中采用特定的加压加热程序。通过DSC差示扫描量热仪测试碳纤维复合材料的固化温度参数。设置固化温度为120℃，在固化前设置一个预固化温度80～90℃，并在这个温度下保温。在该温度下树脂处于粘流态，在此温度下保温并且加压有利于树脂润湿纤维，也能够释放粘流态树脂内部的孔隙以及气泡。在115～125℃固化温度下树脂发生固化反应而变为高弹态，在此温度下进行保温加压能确保所有的树脂能够固化完全。进一步升温到后固化温度145～155℃，树脂从高弹态转变为玻璃态，这时候的树脂失去弹性而变为硬脆状态使强度提升，保温一段时间使全部树脂完全转变，纤维与树脂完全结合起来。
附图说明
图1为本发明实施例1中钢箔与碳纤维复合板的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供一种树脂基碳纤维复合材料加强层板，其中树脂基碳纤维复合材料为以环氧树脂为基体的热固性复合材料，铺层的原料采用碳纤维/环氧树脂预浸带，厚度为0.1mm，其根据需求裁剪出不同铺层方向的预浸带。钢箔选用304不锈钢箔，厚度为0.02mm。
具体工艺包括以下步骤：
1.钢箔改性处理：采用丙酮擦拭钢箔表面，去污去油，然后将清洁后的钢箔放入到100g/L的氢氧化钠溶液中进行碱洗30min，清洗吹干之后放入到由20mL氨水，20mL过氧化氢以及200mL水配置的溶液中进行二次洗涤30min。整个洗涤的过程中，通过放置在磁力搅拌器使洗涤的温度为86℃。清水冲洗吹干之后放入到硅烷改性液中进行浸泡5min，得到改性后的钢箔。其中，硅烷改性液是先按照乙醇与去离子水按照90:5的比例进行配置，之后加入冰乙酸调节溶液的PH值为4。搅拌之后加入同去离子水相同质量的迈图A187型号的硅烷偶联剂。
2.铺层：将裁剪后的碳纤维/环氧树脂预浸带与改性后的钢箔进行交替铺层，形成层板，结构如图1所示，其中碳纤维/环氧树脂预浸带为8层，钢箔为7层，层板各铺层依次为：p1/s/p2/s/p3/s/p4/s/p4/s/p3/s/p2/s/p1，其中s代表钢箔，pi代表碳纤维复合材料铺层，其中i相同的单层复合材料的铺层角度要一致。单层钢箔的铺放位于预浸料的中间，钢箔的裁剪面积比预浸料带小，使层板制备完成后，预浸料能够全部包裹住钢箔。
3.加热固化：将制作完成的层板在玻璃板上铺设透气毡以及真空袋等辅助材料后，放入到热压罐中。对制备好的层板进行铺设脱模布、吸胶布以及真空袋等固化前的准备工作。并在层板的上层盖一层脱模布包裹的铝板对固化前层板进行预压。之后把整理好的层板放入到热压罐中。设置热压罐的压力为0.7MPa。设置罐内温度从室温开始以2℃/min的速率上升至85℃，并在当前温度保温保压30min；之后温度继续按照相同的升温速率使温度上升到120℃，并且在当前温度下保持60min；然后按照相同的升温速率将复合层板加热至150℃，并再此温度下固化60min，之后冷却至室温，使复合后的层板完全固化，得到树脂基碳纤维复合材料加强层板。
实施例2
本实施例提供一种树脂基碳纤维复合材料加强层板，其中树脂基碳纤维复合材料为以环氧树脂为基体的热固性复合材料，铺层的原料采用碳纤维/环氧树脂预浸带，厚度为0.1mm，其根据需求裁剪出不同铺层方向的预浸带。钢箔选用304不锈钢箔，厚度为0.01mm。
具体工艺包括以下步骤：
1.钢箔改性处理：采用丙酮擦拭钢箔表面，去污去油，然后将清洁后的钢箔放入到90g/L的氢氧化钠溶液中进行碱洗35min，清洗吹干之后放入到由20mL氨水，20mL过氧化氢以及180mL水配置的溶液中进行二次洗涤25min。整个洗涤的过程中，通过放置在磁力搅拌器使洗涤的温度为80℃。清水冲洗吹干之后放入到硅烷改性液中进行浸泡5min，得到改性后的钢箔。其中，硅烷改性液是先按照乙醇与去离子水按照90:5的比例进行配置，之后加入冰乙酸调节溶液的PH值为4.5。搅拌之后加入同去离子水相同质量的迈图A187型号的硅烷偶联剂。
2.铺层：将裁剪后的碳纤维/环氧树脂预浸带与改性后的钢箔进行交替铺层，形成层板，结构如图1所示，其中碳纤维/环氧树脂预浸带为8层，钢箔为7层，层板各铺层依次为：p1/s/p2/s/p3/s/p4/s/p4/s/p3/s/p2/s/p1，其中s代表钢箔，pi代表碳纤维复合材料铺层，其中i相同的单层复合材料的铺层角度要一致。单层钢箔的铺放位于预浸料的中间，钢箔的裁剪面积比预浸料带小，使层板制备完成后，预浸料能够全部包裹住钢箔。
3.加热固化：将制作完成的层板在玻璃板上铺设透气毡以及真空袋等辅助材料后，放入到热压罐中。对制备好的层板进行铺设脱模布、吸胶布以及真空袋等固化前的准备工作。并在层板的上层盖一层脱模布包裹的铝板对固化前层板进行预压。之后把整理好的层板放入到热压罐中。设置热压罐的压力为0.65MPa。设置罐内温度从室温开始以1℃/min的速率上升至80℃，并在当前温度保温保压35min；之后温度继续按照相同的升温速率使温度上升到115℃，并且在当前温度下保持65min；然后按照相同的升温速率将复合层板加热至155℃，并再此温度下固化65min，之后冷却至室温，使复合后的层板完全固化，得到树脂基碳纤维复合材料加强层板。
实施例3
本实施例提供一种树脂基碳纤维复合材料加强层板，其中树脂基碳纤维复合材料为以环氧树脂为基体的热固性复合材料，铺层的原料采用碳纤维/环氧树脂预浸带，厚度为0.1mm，其根据需求裁剪出不同铺层方向的预浸带。钢箔选用304不锈钢箔，厚度为0.01mm。
具体工艺包括以下步骤：
1.钢箔改性处理：采用丙酮擦拭钢箔表面，去污去油，然后将清洁后的钢箔放入到110g/L的氢氧化钠溶液中进行碱洗25min，清洗吹干之后放入到由20mL氨水，20mL过氧化氢以及200mL水配置的溶液中进行二次洗涤25min。整个洗涤的过程中，通过放置在磁力搅拌器使洗涤的温度为80℃。清水冲洗吹干之后放入到硅烷改性液中进行浸泡5min，得到改性后的钢箔。其中，硅烷改性液是先按照乙醇与去离子水按照90:5的比例进行配置，之后加入冰乙酸调节溶液的PH值为5。搅拌之后加入同去离子水相同质量的迈图A187型号的硅烷偶联剂。
2.铺层：将裁剪后的碳纤维/环氧树脂预浸带与改性后的钢箔进行交替铺层，形成层板，结构如图1所示，其中碳纤维/环氧树脂预浸带为8层，钢箔为7层，层板各铺层依次为：p1/s/p2/s/p3/s/p4/s/p4/s/p3/s/p2/s/p1，其中s代表钢箔，pi代表碳纤维复合材料铺层，其中i相同的单层复合材料的铺层角度要一致。单层钢箔的铺放位于预浸料的中间，钢箔的裁剪面积比预浸料带小，使层板制备完成后，预浸料能够全部包裹住钢箔。
3.加热固化：将制作完成的层板在玻璃板上铺设透气毡以及真空袋等辅助材料后，放入到热压罐中。对制备好的层板进行铺设脱模布、吸胶布以及真空袋等固化前的准备工作。并在层板的上层盖一层脱模布包裹的铝板对固化前层板进行预压。之后把整理好的层板放入到热压罐中。设置热压罐的压力为0.75MPa。设置罐内温度从室温开始以3℃/min的速率上升至90℃，并在当前温度保温保压25min；之后温度继续按照相同的升温速率使温度上升到125℃，并且在当前温度下保持65min；然后按照相同的升温速率将复合层板加热至155℃，并再此温度下固化55min，之后冷却至室温，使复合后的层板完全固化，得到树脂基碳纤维复合材料加强层板。
实验例1
本实验例采用标准ASTM D3163-10来分析下述三种树脂基碳纤维复合材料层板的层间剪切性能，设置层板的铺层方向为0°，也即纤维方向沿着层板的长边方向，各层板的其他相关制备步骤中的参数与实施例1一致：
1号层板：树脂基碳纤维复合材料之间无钢箔；
2号层板：树脂基碳纤维复合材料之间设置钢箔，且钢箔没有被树脂基碳纤维复合材料包裹；
3号层板：树脂基碳纤维复合材料之间设置钢箔，且钢箔被树脂基碳纤维复合材料完全包裹。
结果如下：1号层板层间剪切强度为32.98MPa，2号的为45.5MPa，3号的为48.03MPa。
分析可知，钢箔不被包裹的2号层板的性能较无钢箔的1号层板的层间强度性能提升了37.9％，而钢箔完全被包裹的3号层板的性能较无钢箔的1号层板的层间强度性能提升了45.6％。由此说明，通过在树脂基碳纤维复合材料之间添加钢箔能够提升其层间强度性能，且当层板中的钢箔被树脂基碳纤维复合材料完全包裹时，性能的提升效果更为显著。
实验例2
本实验例采用标准ASTM D3163-10来分析下述三种树脂基碳纤维复合材料层板垂直纤维方向的拉伸性能，其中碳纤维复合材料的铺层方向设置为90°，也就是与短边的方向一致，其他相关制备步骤中的参数与实施例1一致：
1号层板：树脂基碳纤维复合材料之间无钢箔；
2号层板：树脂基碳纤维复合材料之间设置钢箔，且钢箔没有被树脂基碳纤维复合材料包裹；
3号层板：树脂基碳纤维复合材料之间设置钢箔，且钢箔被树脂基碳纤维复合材料完全包裹。
结果如下：1号层板的拉伸强度为51.9MPa，2号的为82.4MPa，3号的为85.56MPa。
分析可知，钢箔不被包裹的2号层板的度较无钢箔的1号层板提升了58.9％，而钢箔完全被包裹的3号层板的性能较无钢箔的1号层板的树脂拉伸强度提升了64.8％。由此说明，通过在树脂基碳纤维复合材料之间添加钢箔能够提升其树脂拉伸强度，但钢箔的包裹与不包裹对垂直纤维向拉伸强度影响较小。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种树脂基碳纤维复合材料加强层板的制备方法，其特征在于，其包括：
选取厚度为0.01～0.04mm的极薄钢箔，用氢氧化钠溶液、过氧化氢与氨水混合溶液依次恒温洗涤后放入硅烷改性液中浸泡5min，所述硅烷改性液是通过将硅烷偶联剂加入pH值为4～5的乙醇溶液中形成的；
将树脂基碳纤维复合材料与改性处理后的所述钢箔进行交替铺层形成层板，所述层板中的每层所述钢箔均被相邻的所述树脂基碳纤维复合材料完全覆盖，再将所述层板置于热压设备中进行加热固化处理。
2.根据权利要求1所述的树脂基碳纤维复合材料加强层板的制备方法，其特征在于，所述加热固化处理过程中，所述热压设备的施加压力为0.65～0.75MPa，所述热压设备的加热程序为：
以1～3℃/min的加热速率从室温加热至80～90℃，保温25～35min；
以相同的加热速率升温至115～125℃，保温55～65min后；
再以相同的加热速率升温至145～155℃，保温55～65min，之后冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的树脂基碳纤维复合材料加强层板的制备方法，其特征在于，对所述钢箔进行洗涤的步骤包括：
将表面洁净的所述钢箔置于90～110g/L的氢氧化钠溶液中洗涤25～35min后用水清洗并干燥，再将所述钢箔置于氨水混合溶液中洗涤25～35min，所述氨水混合溶液为氨水、过氧化氢与水按照体积比1:1:18～22混合而成，整个洗涤的过程使溶液温度保持在85℃左右。
4.根据权利要求1所述的树脂基碳纤维复合材料加强层板的制备方法，其特征在于，所述硅烷改性液中所述乙醇溶液中的乙醇、去离子水以及所述硅烷偶联剂的体积比为90:5:1。
5.根据权利要求4所述的树脂基碳纤维复合材料加强层板的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂主要成分为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。
6.根据权利要求1所述的树脂基碳纤维复合材料加强层板的制备方法，其特征在于，所述层板中，所述树脂基碳纤维复合材料的层数至少为8，且基于中性层对称的上下层树脂基碳纤维复合材料的铺层角度一致。
7.根据权利要求1所述的树脂基碳纤维复合材料加强层板的制备方法，其特征在于，所述层板中，所述钢箔的层数比所述树脂基碳纤维复合材料的层数少一层，且所述钢箔的铺层面积小于所述树脂基碳纤维复合材料的铺层面积。
8.根据权利要求1所述的树脂基碳纤维复合材料加强层板的制备方法，其特征在于，在所述加热固化处理前还包括在所述层板上覆盖用脱模布包裹的铁板进行预压的步骤，防止固化前层板中有钢箔翘曲。
9.根据权利要求1所述的树脂基碳纤维复合材料加强层板的制备方法，其特征在于，所述树脂基碳纤维复合材料为碳纤维/环氧树脂复合材料，所述树脂基碳纤维复合材料的厚度为0.98～1.12mm。
10.一种树脂基碳纤维复合材料加强层板，其特征在于，其通过如权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到。
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