CN113059824B - 一种纤维增强热塑性树脂基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于树脂基复合材料技术领域，具体涉及一种纤维增强热塑性树脂基复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将纤维热塑性树脂预浸料按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠后进行预成型，得到基体；将热塑性树脂薄膜铺贴在基体的任一表面后依次进行预压、排气和增压，得到所述纤维增强热塑性树脂基复合材料，所述热塑性树脂薄膜的铺贴厚度为0.2～0.4mm。本发明通过限定纤维热塑性树脂预浸料的铺叠方式降低了复合材料变形程度；通过二次成型在基体表面层叠热塑性树脂薄膜面层，提高了复合材料表面热塑性树脂的含量，进而提高了复合材料与复合材料或金属的焊接效果。
Description
技术领域
本发明属于树脂基复合材料技术领域，具体涉及一种纤维增强热塑性树脂基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
树脂基复合材料具有比强度高、比刚度高、可设计性强、抗疲劳、耐腐蚀、优异的结构尺寸稳定性以及便于大面积整体成形的独特优点，与传统的钢、铝合金结构材料相比，树脂基复合材料的密度约为钢的1/5，为铝合金的1/2，且比强度与比模量远高于传统的钢、铝合金，因此被广泛用于航空、航天、兵器、船舶等领域。
树脂基复合材料按照树脂基体类型分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。热固性树脂基复合材料因其质量轻、强度高、机械性能好而得到大力发展，虽然热固性树脂基复合材料具有诸多优异性能，但其抗冲击性能差、成型制造过程伴随着热固性树脂的化学反应，导致成型周期较长，使得热固性复合材料无法完全满足先进航空装备的更高要求。与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料具有较高韧性、损伤容限、抗冲击性能，同时热塑性树脂基复合材料具有无限预浸料存储期、成型周期短、生产效率高、可二次成型、可焊接、可回收再加工等优点，近年来，成为复合材料技术领域研究的热点。尤其是纤维增强热塑性树脂基复合材料，具有高强度高模量、低密度等一系列优良特性，其在航空航天、汽车、建筑、防护和运动器材等领域广泛应用。
在纤维增强热塑性树脂基复合材料的使用过程中，经常需要使用结构形状复杂的构件以及复合材料与金属材料连接的情况。为了得到与形状结构复杂和不同材料联用的复合材料构件，连接是一个不可避免的过程。由于热塑性复合材料具有可二次成型、可焊接的特点使得纤维增强热塑性复合材料成为航空、航天制造技术领域关注的重点。但是纤维增强热塑性复合材料在焊接的过程中，经常出现由于复合材料变形翘曲、复合材料表面贫树脂等特征导致复合材料本体焊接或复合材料与铝合金等金属材料的焊接效果较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料在焊接过程中不会发生变形翘曲，且由于复合材料表面包含热塑性树脂层具有较好的焊接效果。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将纤维热塑性树脂预浸料按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠后进行预成型，得到基体；
将热塑性树脂薄膜铺贴在基体的任一表面后依次进行预压、排气和增压，得到所述纤维增强热塑性树脂基复合材料，所述热塑性树脂薄膜的铺贴厚度为0.2～0.4mm。
优选的，所述纤维热塑性树脂预浸料包括热塑性树脂和纤维，所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维；
所述热塑性树脂包括聚醚醚酮、聚芳醚酮或聚苯硫醚；
所述纤维热塑性树脂预浸料中纤维的掺量为40～65％。
优选的，以任一层纤维热塑性树脂预浸料的任一边为0°，所述准各向同性铺层中铺叠的方向组合包括45°/0°/-45°/90°、45°/-45°/0°/90°或60°/15°/-75°/-30°。
优选的，所述预成型包括预成型预压和预成型增压；
所述预成型预压的温度为140～290℃，压力为0.1～0.8MPa，时间为10～30min；
所述预成型增压的温度为290～400℃，压力为1MPa～5MPa，时间为30～60min。
优选的，所述预压的温度为200～290℃，压力为0.3～0.5MPa，时间为15～30min。
优选的，所述增压的温度为330～400℃，压力为2～3MPa，时间为30～60min。
优选的，所述预压前还包括：
将铺贴得到的复合材料中的热塑性树脂薄膜进行刺破。
优选的，所述排气为在热压机的开合作用下进行；
所述热压机的开合的次数为25～50次。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的纤维增强热塑性树脂基复合材料，包括基体和铺贴在所述基体任一表面的热塑性树脂薄膜面层；
所述基体包括按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠的纤维热塑性树脂预浸料；
所述热塑性树脂薄膜面层的厚度为0.2～0.4mm。
本发明还提供了上述技术方案所述纤维增强热塑性树脂基复合材料在航空航天的非承力连接部件、汽车领域和运动器材中的应用。
本发明提供了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将纤维热塑性树脂预浸料按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠后进行预成型，得到基体；将热塑性树脂薄膜铺贴在基体的任一表面后依次进行预压、排气和增压，得到所述纤维增强热塑性树脂基复合材料，所述热塑性树脂薄膜的铺贴厚度为0.2～0.4mm。本发明通过将纤维热塑性树脂预浸料按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠，单层预浸料在不同方向上的收缩率不同从而导致不同方向的应力，通过平衡不同方向上的应力降低了复合材料变形程度。本发明通过二次成型在基体表面层叠热塑性树脂薄膜面层，提高了纤维增强热塑性树脂基复合材料表面热塑性树脂的含量，提高了焊接效果。本发明通过对铺贴后的热塑性树脂薄膜进行排气，能够排除面层中的气泡，使复合材料能够与连接件贴合，减小焊接过程中产生的应力集中现象，从而提高焊接强度。
本发明还提供了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料，包括基体和铺贴在所述基体任一表面的热塑性树脂薄膜面层；所述基体包括按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠的纤维热塑性树脂预浸料；所述热塑性树脂薄膜面层的厚度为0.2～0.4mm。本发明提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料中的基体由纤维热塑性树脂预浸料按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠得到，减少了在焊接过程中出现变形翘曲的现象，利于提高焊接效果。同时本发明提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料表面含有厚度为0.2～0.4mm的热塑性树脂层，提高了纤维增强热塑性树脂基复合材料和复合材料或金属材料焊接件的连接强度，进而提高了焊接效果。
具体实施方式
本发明提供了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将纤维热塑性树脂预浸料按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠后进行预成型，得到基体；
将热塑性树脂薄膜铺贴在基体的任一表面后依次进行预压、排气和增压，得到所述纤维增强热塑性树脂基复合材料，所述热塑性树脂薄膜的铺贴厚度为0.2～0.4mm。
在本发明中，如无特殊说明，所有原料均为常规市售产品。
本发明将纤维热塑性树脂预浸料按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠后进行预成型，得到基体。在本发明中，所述纤维热塑性树脂预浸料包括热塑性树脂和纤维；所述纤维优选包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维，更优选包括碳纤维或玻璃纤维；所述热塑性树脂优选包括聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚酮(PAEK)或聚苯硫醚(PPS)，更优选为聚醚醚酮或聚苯醚酮。在本发明的实施例中，所述纤维热塑性树脂预浸料具体为碳纤维-聚芳醚酮预浸料或玻璃纤维-聚醚醚酮预浸料。在本发明中，所述纤维热塑性树脂预浸料中纤维的掺量优选为40～65％，更优选为50～55％。本发明对所述纤维热塑性树脂预浸料的形状和尺寸无特殊限定，根据纤维增强热塑性树脂基复合材料的实际需要进行设定即可。在本发明中，以任一层纤维热塑性树脂预浸料的任一边为0°，所述准各向同性铺层的方向组合优选包括45°/0°/-45°/90°、45°/-45°/0°/90°或60°/15°/-75°/-30°，更优选为45°/0°/-45°/90°。在本发明中，所述纤维热塑性树脂预浸料的厚度优选为0.15～0.3mm，更优选为0.175～0.2mm。本发明对纤维热塑性树脂预浸料的层数无特殊限定，根据所需基体厚度进行设定即可。
在本发明中，所述预成型优选包括预成型预压和预成型增压；所述预成型预压的温度优选为140～290℃，更优选为200～290℃；压力优选为0.1～0.8MPa，更优选为0.3～0.5MPa；时间优选为10～30min，更优选为15～30min。在本发明中，所述预成型增压的温度优选为290～400℃，更优选为330～380℃；压力优选为1MPa～5MPa，更优选为2～3MPa；时间优选为30～60min，更优选为45～60min。在本发明中，所述预成型包括预成型预压和预成型增压，通过预压和增压两步预成型有利于复合材料层板基体的成型，得到内部质量较好的复合材料。
本发明对所述基体的厚度无特殊要求，根据纤维增强热塑性树脂基复合材料的实际需要进行设定即可。在本发明的实施例中，所述基体的厚度具体为3.2mm或4mm。
得到基体后，本发明将热塑性树脂薄膜铺贴在基体的任一表面后依次进行预压、排气和增压，得到所述纤维增强热塑性树脂基复合材料，所述热塑性树脂薄膜的铺贴厚度为0.2～0.4mm。在本发明中，所述热塑性树脂薄膜优选包括聚醚醚酮薄膜、聚芳醚酮薄膜或聚苯硫醚薄膜，更优选包括聚醚醚酮薄膜或聚芳醚酮薄膜。在本发明中，所述热塑性树脂薄膜的材质优选与所述预浸料中热塑性树脂的材质一致。在本发明中，所述热塑性树脂薄膜的单层厚度优选为0.01～0.03mm，更优选为0.015～0.025mm。
在本发明中，所述热塑性树脂薄膜相对于热塑性树脂颗粒或热塑性粉末具有较高的成型质量，能够避免夹杂过多空气、局部贫胶等缺陷，具有面层厚度均匀，铺贴效率高等优点，能够提高纤维增强热塑性树脂基复合材料的焊接效果。
在本发明中，所述铺贴的结合方式优选包括超声波点焊，所述超声波点焊的焊点间的距离优选为1～2cm，更优选为1.3～1.8cm。
在本发明中，所述预压前还优选包括：
将铺贴得到的复合材料中的热塑性树脂薄膜进行刺破。
在本发明中，所述刺破的方式优选包括针刺或刀划。在本发明中，所述刺破形成孔洞，所述孔洞之间的距离优选为0.5～1cm，更优选为0.6～0.8cm。在本发明中，将铺贴后的热塑性树脂薄膜进行刺破给热塑性树脂薄膜中夹杂的气体提供了排气通道。
在本发明中，所述预压的温度优选为200～290℃，更优选为260～290℃；压力优选为0.3～0.5MPa，更优选为0.3～0.5MPa；时间优选为15～30min，更优选为20～25min。在本发明中，所述增压的温度优选为330～400℃，更优选为330～380℃；压力优选为2～3MPa，更优选为2.3～2.7MPa；时间优选为30～60min，更优选为38～45min。在本发明中，所述排气优选为在热压机的开合作用下进行；所述热压机的开合的次数优选为25～50次，更优选为30～40次。在本发明中，所述热压机出于合的状态时，压力优选与增压的压力一致，每次保持合的状态的时间优选为30s以内，更优选为10～20s；每次保持开的状态的时间优选为30s以内，更优选为10～25s。
本发明还提供了一种按照上述技术方案所述制备方法制备得到的纤维增强热塑性树脂基复合材料，包括基体和铺贴在所述基体任意表面的热塑性树脂薄膜面层；
所述基体包括按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠的纤维热塑性树脂预浸料；
所述热塑性树脂薄膜面层的厚度为0.2～0.4mm。
在本发明中，所述纤维增强热塑性树脂基复合材料中的基体由纤维热塑性树脂预浸料按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠得到，减少了在焊接过程中出现变形翘曲的现象，利于提高焊接效果。在本发明中，所述热塑性树脂薄膜面层的厚度为0.2～0.4mm的热塑性树脂层，优选为0.25～0.3mm；所述热塑性树脂薄膜面层提高了纤维增强热塑性树脂基复合材料和金属材料焊接件的连接强度，进而提高了焊接效果。
本发明还提供了上述技术方案所述纤维增强热塑性树脂基复合材料在航空航天非承力连接部件、汽车领域和运动器材中的应用。在本发明中，所述应用主要应用于非承力且需要进行本体或异体材料焊接连接的部件。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将厚度为0.2mm纤维热塑性树脂预浸料(碳纤维，PAEK，纤维掺量为50％)按照45°/0°/-45°/90°的铺层方式铺叠16层，在200℃，0.3MPa的条件下进行预压30min后在370℃，2MPa的条件下进行增压30min，得到基体；
将20层厚度为0.01mm的聚芳醚酮薄膜铺贴在所述基体任一表面后进行超声波点焊(焊点间距为2cm)，将超声波电焊后的聚芳醚酮薄膜表面进行针刺(孔洞之间的距离为1cm)；在200℃，0.3MPa的条件下进行预压30min；在热压机开合(合模的压力为2MPa，保持合的时间为15s，保持开的时间为20s)作用下进行30次排气；在370℃，2MPa的条件下进行增压30min，得到厚度为1.5mm，尺寸为300mm×300mm的纤维增强热塑性树脂基复合材料。
实施例2
将厚度为0.2mm纤维热塑性树脂预浸料(玻璃纤维，PEEK，纤维掺量为55％)按照正交铺层方式(45°/-45°)铺叠20层，在260℃，0.5MPa的条件下进行预压30min后在400℃，3MPa的条件下进行增压30min，得到基体；
将30层厚度为0.01mm的聚醚醚酮薄膜铺贴在所述基体任一表面后进行超声波点焊(焊点间距为1.5cm)，将超声波电焊后的聚芳醚酮薄膜表面进行针刺(孔洞之间的距离为1cm)；在260℃，0.5MPa的条件下进行预压30min；在热压机开合(合的压力为3MPa，保持合的时间为20s，保持开的时间为25s)作用下进行50次排气；在400℃，3MPa的条件下进行增压45min，得到厚度为2.3mm，尺寸为240mm×180mm的纤维增强热塑性树脂基复合材料。
对比例1
按照实施例1的方法制备纤维增强热塑性树脂基复合材料，不同之处在于，纤维热塑性树脂预浸料的铺层方式为单向铺层(0°)。
按照GB/T33334-2016方法检测实施例1、2和对比例1制备得到的纤维增强热塑性树脂基复合材料与金属的焊接性能，其结果列于表1中。
表1由实施例1、2和对比例1制备得到的纤维增强热塑性树脂基复合材料与金属焊接后的焊接效果
根据表1中的结果可知，利用本发明提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料与金属焊接后得到的焊件具有较强的拉伸强度，说明具有较好的焊接效果；同时在焊接过程中降低了变形翘曲的程度。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (8)
1.一种纤维增强热塑性树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将纤维热塑性树脂预浸料按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠后进行预成型，得到基体；
将热塑性树脂薄膜铺贴在基体的任一表面后依次进行预压、排气和增压，得到所述纤维增强热塑性树脂基复合材料，所述热塑性树脂薄膜的铺贴厚度为0.2～0.4mm；
所述纤维热塑性树脂预浸料包括热塑性树脂和纤维，所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维；
所述热塑性树脂包括聚醚醚酮、聚芳醚酮或聚苯硫醚；
所述纤维热塑性树脂预浸料中纤维的掺量为40～65％；
以任一层纤维热塑性树脂预浸料的任一边为0°，所述准各向同性铺层中铺叠的方向组合包括45°/0°/-45°/90°、45°/-45°/0°/90°或60°/15°/-75°/-30°。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述预成型包括预成型预压和预成型增压；
所述预成型预压的温度为140～290℃，压力为0.1～0.8MPa，时间为10～30min；
所述预成型增压的温度为290～400℃，压力为1MPa～5MPa，时间为30～60min。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述预压的温度为200～290℃，压力为0.3～0.5MPa，时间为15～30min。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述增压的温度为330～400℃，压力为2～3MPa，时间为30～60min。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述预压前还包括：
将铺贴得到的复合材料中的热塑性树脂薄膜进行刺破。
6.根据权利要求1或5所述制备方法，其特征在于，所述排气为在热压机的开合作用下进行；
所述热压机的开合的次数为25～50次。
7.权利要求1～6任意一项所述制备方法得到的纤维增强热塑性树脂基复合材料，包括基体和铺贴在所述基体任一表面的热塑性树脂薄膜面层；
所述基体包括按照正交铺层方式或准各向同性铺层方式铺叠的纤维热塑性树脂预浸料；
所述热塑性树脂薄膜面层的厚度为0.2～0.4mm。
8.权利要求7所述纤维增强热塑性树脂基复合材料在航空航天的非承力连接部件、汽车领域和运动器材中的应用。
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