CN112590252A

CN112590252A - 一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法

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Publication number: CN112590252A
Application number: CN202011356513.8A
Authority: CN
Inventors: 孙守政; 韩振宇; 刘旭黎; 富宏亚; 金鸿宇
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2021-04-02

Abstract

一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，本发明涉及热塑性自动铺放复合材料改性领域。本发明要解决现有热塑性自动铺放原位固化成型构件的层间性能较传统热压罐工艺水平低的问题。方法：一、制备不同分散度的碳纳米纸；二、采用自动铺放方法将热塑性纤维预浸料和步骤一获得的碳纳米纸进行交替叠层铺放制备成型。本方法不仅能够在一定程度上有效提升热塑性制品的层间力学特性，还能对碳纳米材料的层间分散性及多尺度力学特性间的工艺协调性进行有效调控。该方法可为热塑性复合材料高效率、高质量自动化成型制造提供一种新途径。本发明用于制备碳纳米材料改性热塑性自动铺放复合材料。

Description

一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法

技术领域

本发明涉及热塑性自动铺放复合材料改性领域。

背景技术

复合材料自动铺放成型技术具有成型效率高、曲面结构铺覆性好、复杂曲面的适用性强、容易满足大曲率凹凸曲面、坡高比大的复合材料构件成型要求。自动铺放成型技术使得复杂结构的构件设计—制造一体化制备成为可能，是近几年发展最快、最有效的复合材料全自动化成型制造技术之一。按照预浸料热行为不同，可分为热固性和热塑性两类，虽然热固性复合材料铺放成型工艺已相对成熟，但需要进入热压罐二次成型，且不可回收，因而限制了其在超大型构件上的应用。而热塑性材料不仅可以多次回收利用，铺放时还能利用原位固化技术，使铺放/固化一体成型，提升了生产效率。此外，热塑性复合材料还具有高韧性、高冲击性和损伤容限、无限预浸料储存周期、易焊接、易修复等众多优点，是未来航空航天潜在的应用材料之一。

热塑性自动铺放成型技术使复杂构件铺放/固化一体成型成为可能，且具有生产效率高、环境友好性好等特点，广泛受到业界关注，然而现阶段该技术尚存在以下问题：采用自动铺放原位固化技术，其制品所能达到的层间强度只能接近传统热压罐固化制品强度的90％左右，虽然激光、氙灯等先进热源的出现一定上提升了热塑性复合材料制品的层间性能，但依然未能达到热压罐成型水平。主要原因是由于加热和冷却时间很短，树脂在纤维间的流动不充分，导致出现层间有明显的富树脂区，造成层间力学性能较薄弱。为此，本发明提出一种利用二维碳纳米材料掺杂层间方法及工艺实现方法，在不增厚的情况下，提升复合材料层间性能，达到或超过传统热压罐固化制品水平，这对于热塑性复合材料广泛应用具有重要的指导意义。

发明内容

本发明要解决现有热塑性自动铺放原位固化成型构件的层间性能较传统热压罐工艺水平低的问题，而提供一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法。

一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，具体按以下步骤进行：

一、将碳纳米材料粉末放入溶剂中，加入表面活性剂，搅拌均匀，获得混合物，过滤，烘干，获得碳纳米纸；

二、采用自动铺放方法将热塑性纤维预浸料和步骤一获得的碳纳米纸进行交替叠层铺放制备成型，获得碳纳米纸改性复合材料铺放构件，完成该方法。

其中步骤一制备的碳纳米纸的分散度可由碳纳米材料添加的不同含量获得。

进一步的，步骤一中碳纳米材料粉末为碳纳米管或碳纳米纤维。

进一步的，所述碳纳米纤维长度为10～20μm，直径为100～200nm。

进一步的，所述碳纳米管长度为20～30μm，直径为20～30nm。

进一步的，步骤一中溶剂为去离子水。

进一步的，步骤一中表面活性剂为聚氧乙烯-8-辛基苯基醚，获得的混合物中表面活性剂质量浓度为0.2～0.6％。

步骤二所述热塑性纤维预浸料为可以自动铺放原位固化成型的全部热塑性纤维预浸料。

进一步的，步骤二所述热塑性纤维预浸料为热塑性碳纤维预浸料或热塑性玻璃纤维预浸料。本发明的有益效果是：

由于热塑性复合材料自动铺放成型在层间会出现的富树脂区，这样与热塑性传统热压罐固化成型层间性能存在差别，导致热塑性复合材料自动铺放成型达不到传统成型水平。而分散性良好且具有大比表面积的碳纳米材料在树脂中形成交联网状结构(自支撑结构)。特别是经过表面活性剂处理的碳纳米材料，可以吸附树脂基体中的大分子链，加固了环氧树脂的大分子网状结构，提高了树脂的强韧性。此外，自动铺放原位固化成型技术使热塑性材料铺放/固化一体成型，提升了生产效率。所以在热塑性复合材料自动铺放成型层间增加具有良好热力学性能及增强性能的碳纳米材料作为增强相去填充层间富树脂区，将自动铺放构件层间树脂区(力学性能薄弱处)连接、聚合，增强自动铺放构件层间力学性能，提高其层间性能。

采用该方法不仅能够在一定程度上有效提升热塑性制品的层间力学特性，还能对碳纳米材料的层间分散性及多尺度力学特性间的工艺协调性进行有效调控。该方法可为热塑性复合材料高效率、高质量自动化成型制造提供一种新途径。

采用本方法制得的改性铺放样件相较于热压样件，改性铺放样件层间剪切强度提升3.88～5.7％，弯曲强度提升1.2％左右。

本发明用于制备碳纳米材料改性热塑性自动铺放复合材料。

附图说明

图1为实施例一碳纳米纸改性复合材料铺放构件实施示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，具体按以下步骤进行：

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中碳纳米材料粉末为碳纳米管或碳纳米纤维。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述碳纳米纤维长度为10～20μm，直径为100～200nm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述碳纳米管长度为20～30μm，直径为20～30nm。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中溶剂为去离子水。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中表面活性剂为聚氧乙烯-8-辛基苯基醚，获得的混合物中表面活性剂质量浓度为0.2～0.6％。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一中搅拌时采用超声振动辅助搅拌。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一中过滤时采用微孔滤膜及真空泵进行真空抽滤。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二所述热塑性纤维预浸料为热塑性碳纤维预浸料或热塑性玻璃纤维预浸料。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤一制备的碳纳米纸与步骤二碳纳米纸改性复合材料铺放构件的长宽尺寸一致。其它与具体实施方式一至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，具体按以下步骤进行：

一、将碳纳米纤维放入去离子水中，加入表面活性剂曲拉通，然后采用超声振动辅助搅拌，获得混合均匀的混合物，将混合物进行真空抽滤，烘干成型，获得碳纳米纤维纸；碳纳米纤维长度为10～20μm，直径为100～200nm，质量含量≥95％(粉末状)；

二、采用自动铺放方法将PEEK基(聚醚醚酮)热塑性碳纤维预浸料和步骤一获得的碳纳米纤维纸进行交替叠层铺放制备成型，控制铺放速度为15mm/s、铺放温度320℃、铺放压力0.5MPa、模具温度为200℃，铺放总厚度为3.5mm，获得碳纳米纸改性复合材料铺放构件，完成该方法。

图1为本实施例碳纳米纸改性复合材料铺放构件实施示意图，其中1代表模具，2代表压辊，3代表原位固化源(加热源)，4代表PEEK基(聚醚醚酮)热塑性碳纤维预浸料。

其中步骤一所述表面活性剂曲拉通为聚氧乙烯-8-辛基苯基醚，混合物中表面活性剂质量浓度为0.5％；

步骤二所述PEEK基热塑性碳纤维预浸料的树脂质量含量为68％～69％，熔点温度为319.43℃。本实施例制备的碳纳米纸改性复合材料铺放构件的尺寸为300mm×300mm×3.5mm。

采用热压成型方法将PEEK基热塑性碳纤维预浸料进行模压平板成型，单向铺层，热压工艺参数为压力0.5MPa、温度320℃、升温速率10℃/min，达到预设温度后保温保压2h，随后自然降温至100℃脱模，制备得到热压成型构件，尺寸为300mm×300mm×3.5mm。

普通自动铺放样件的制备：将PEEK基热塑性碳纤维预浸料进行自动铺放，铺放为单向铺层，自动铺放工艺参数为铺放速度15mm/s、铺放温度320℃、铺放压力0.5MPa、模具温度200℃，采用铺放增材制造方式进行，铺放厚度3.5mm，获得普通铺放构件，尺寸为300mm×300mm×3.5mm。

力学性能测试：利用材料万能试验机，采用JC/T773-2010《纤维增强塑料短梁法测定层间剪切强度》标准测试试件层间剪切强度，测试结果：热压成型构件67.21MPa、普通铺放构件55.4MPa、本实施例制备的碳纳米纸改性复合材料铺放构件为69.82MPa。采用GB/T1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》标准测试试件弯曲强度，测试结果为热压成型构件1341.31MPa、普通铺放构件1099.06MPa、本实施例制备的碳纳米纸改性复合材料铺放构件为1357.1MPa。综合结果表明，采用本方法制得的改性铺放样件相较于普通铺放样件，层间剪切强度提升26％，弯曲强度提升23.5％。相较于热压样件，改性铺放样件层间剪切强度提升3.88％，弯曲强度提升1.18％。

实施例二：

一、将碳纳米管放入去离子水中，加入表面活性剂曲拉通，然后采用超声振动辅助搅拌，获得混合均匀的混合物，将混合物进行真空抽滤，烘干成型，获得碳纳米管纸；碳纳米管长度为20～30μm，直径为20～30nm，质量含量≥95％(多壁粉末)；

二、采用自动铺放方法将PEKK基(聚醚酮酮)热塑性玻璃纤维预浸料和步骤一获得的碳纳米管纸进行交替叠层铺放制备成型，控制铺放速度为15mm/s、铺放温度320℃、铺放压力0.5MPa、模具温度为200℃，铺放总厚度为3.0mm，获得碳纳米纸改性复合材料铺放构件，完成该方法。

步骤二所述PEKK基热塑性玻璃纤维预浸料的树脂质量含量为34％～35％，熔点温度为300.61℃。

本实施例制备的碳纳米纸改性复合材料铺放构件的尺寸为300mm×300mm×3.0mm。

采用热压成型方法将PEKK基热塑性玻璃纤维预浸料进行模压平板成型，单向铺层，热压工艺参数为压力0.5MPa、温度310℃、升温速率10℃/min，达到预设温度后保温保压2h，随后自然降温至100℃脱模，制备得到热压成型构件，尺寸为300mm×300mm×3.0mm。

普通自动铺放样件的制备：将PEKK基热塑性玻璃纤维预浸料进行自动铺放，铺放为单向铺层，自动铺放工艺参数为铺放速度18mm/s、铺放温度310℃、铺放压力0.5MPa、模具温度200℃，采用铺放增材制造方式进行，铺放厚度3.5mm，获得普通铺放构件，尺寸为300mm×300mm×3.0mm。

力学性能测试：利用材料万能试验机，采用JC/T773-2010《纤维增强塑料短梁法测定层间剪切强度》标准测试试件层间剪切强度，测试结果：热压成型构件68.19MPa、普通铺放构件56.81MPa、本实施例制备的碳纳米纸改性复合材料铺放构件为72.08MPa。采用GB/T1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》标准测试试件弯曲强度，测试结果为热压成型构件1209.24MPa、普通铺放构件1163.22MPa、本实施例制备的碳纳米纸改性复合材料铺放构件为1224.16MPa。综合结果表明，采用本方法制得的改性铺放样件相较于普通铺放样件，层间剪切强度提升26.9％，弯曲强度提升5.7％。相较于热压样件，改性铺放样件层间剪切强度提升5.7％，弯曲强度提升1.23％。

Claims

1.一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，其特征在于步骤一中碳纳米材料粉末为碳纳米管或碳纳米纤维。

3.根据权利要求2所述的一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，其特征在于所述碳纳米纤维长度为10～20μm，直径为100～200nm。

4.根据权利要求2所述的一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，其特征在于所述碳纳米管长度为20～30μm，直径为20～30nm。

5.根据权利要求1所述的一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，其特征在于步骤一中溶剂为去离子水。

6.根据权利要求1所述的一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，其特征在于步骤一中表面活性剂为聚氧乙烯-8-辛基苯基醚，获得的混合物中表面活性剂质量浓度为0.2～0.6％。

7.根据权利要求1所述的一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，其特征在于步骤一中搅拌时采用超声振动辅助搅拌。

8.根据权利要求1所述的一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，其特征在于步骤一中过滤时采用微孔滤膜及真空泵进行真空抽滤。

9.根据权利要求1所述的一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，其特征在于步骤二所述热塑性纤维预浸料为热塑性碳纤维预浸料或热塑性玻璃纤维预浸料。

10.根据权利要求1所述的一种增强热塑性自动铺放构件层间性能的方法，其特征在于步骤一制备的碳纳米纸与步骤二碳纳米纸改性复合材料铺放构件的长宽尺寸一致。