CN113290885B - 一种炭纤维增强复合材料弹翼及其制备方法 - Google Patents

一种炭纤维增强复合材料弹翼及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种炭纤维增强复合材料弹翼及其制备方法，所述制备方法，包括如下步骤：将炭纤维单向布、炭纤维斜纹布均采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维单向布预浸料、炭纤维斜纹布预浸料；将炭纤维单向布预浸料裁剪获得炭纤维单向布预浸料片体，再将炭纤维单向布预浸料片体层叠获得炭纤维单向布预浸料块体，然后于炭纤维单向布预浸料块体的上、下表面各覆盖n层炭纤维斜纹布预浸料获得炭纤维预浸料块体，所述n≥1层，再将炭纤维预浸料块体热压成型、机加工即得炭纤维增强复合材料弹翼。上述制备方法简单可控，成本低，所得弹翼重量轻、强度高、成本低。

Description

一种炭纤维增强复合材料弹翼及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种炭纤维增强复合材料弹翼及其制备方法。
背景技术
导弹所用材料性能的高低决定导弹结构和部件性能的好坏,进而决定导弹作战技术性能的优劣。我国飞航导弹与国外同类产品相比,在战术性能相近的情况下,往往在结构尺寸和质量方面相差较大。该差距的重要原因之一,就在于我国飞航导弹所采用的材料比较落后,仍大量采用铝合金、钢等常规材料。与先进复合材料相比,这些材料的比强度、比模量偏低。复合材料比强度、比模量是铝合金、钢的6-8倍。采用比强度、比模量低的结构材料,必然会增大导弹的结构尺寸和质量,降低导弹的机动性、需要更大的推力或减小导弹的射程。导弹的性能越先进,如射程越远、速度越高、机动性越强,对结构尺寸和质量的要求就越高。国外导弹的一个重要发展趋势是轻型化,而相关的重要措施之一,就是努力开展先进复合材料的研究和应用工作。这是发展飞航导弹新型号的急需,是飞航导弹先进性能的重要保证。可以说，没有性能优良的先进复合材料,就很难保证飞航导弹未来型号的优良性能。
飞航导弹的发展趋势包括射程远、速度快、机动性好等特性,这就决定了导弹必须走轻型化的道路。与其它材料相比,复合材料具有很高的比强度、比模量,因而大量采用复合材料,是飞航导弹轻型化的重要途径之一。正是有鉴于此,国外近20年来,不遗余力地开展复合材料在飞行器上的研究和应用工作。如战斧巡航导弹,其弹翼原采用铝合金蒙皮和铝合金框架粘接而成,为了提高性能、降低成本，后改用混杂纤维增强聚砜复合材料框架和蒙皮,将两者粘接而成；其天线罩、进气道和进气道整流罩均采用环氧玻璃钢；尾翼蒙皮则采用玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料。捕鲸叉导弹的弹翼、尾翼和进气道也都采用了热塑性树脂基复合材料。飞鱼导弹的弹头和弹翼亦采用了纤维增强复合材料。可见,国外飞航导弹均不同程度地采用了复合材料，而且有翼面复合材料化的趋势。不过，目前国外所报道的导弹材料成本高。
我国飞航导弹复合材料的应用水平与国外存在相当大的差距,而且这种差距还在不断扩大。我国飞航导弹结构材料仍以常规的铝合金和钢材为主,仅有少数型号应用了先进复合材料；即使已经应用的型号,也仅仅局限于少数部件,复合材料的比例很低，同时所用的复合材料性能低。由此可见,在国外已经在飞航导弹上大量采用高性能复合材料的今天,我国飞航导弹复合材料的应用才刚刚起步。飞航导弹的射程越远,携带燃料越多,起飞质量越大,这不仅要求结构材料具有尽可能低的密度,还要求材料具有相当高的强度和模量。特别是亚音速中远程巡航导弹采用大展弦比薄型弹翼,导弹质量大,弹翼翼展大,加上翼型薄,弦长小,使弹翼承受的弯距急剧增大。为防止弹翼破坏或产生过大变形,对材料的强度和模量提出很高的要求。鉴于飞航导弹有批量生产问题,必须考虑生产成本,要求采用低成本材料,因而我国飞航导弹在推广、应用常规复合材料的同时,应努力发展应用高强、高模、低密度、低成本复合材料。
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa亦高于钢。因此，比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
由碳纤维和树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。然而现有技术中，还没有关于低成本高性能的炭纤维增强复合材料弹翼的报道。
发明内容
针对现有弹翼材料轻量化的迫切需求和现有材料的技术不足，本发明的目的在于提供一种强度高、密度低(重量轻)的炭纤维增强复合材料弹翼及其制备方法，本发明所提供的制备方法工艺简单、参数易控，成本低。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种炭纤维增强复合材料弹翼的制备方法，包括如下步骤：将炭纤维单向布、炭纤维斜纹布均采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维单向布预浸料、炭纤维斜纹布预浸料；将炭纤维单向布预浸料裁剪获得炭纤维单向布预浸料片体，再将炭纤维单向布预浸料片体层叠获得炭纤维单向布预浸料块体，然后于炭纤维单向布预浸料块体的上、下表面各覆盖n层炭纤维斜纹布预浸料获得炭纤维预浸料块体，所述n≥1层，再将炭纤维预浸料块体热压成型、机加工即得炭纤维增强复合材料弹翼。
本发明的制备方法，先将炭纤维单向布、炭纤维斜纹布采用改性酚醛树脂浸渍后所得预浸料，铺设后，再热压成型，机加工即得炭纤维增强复合材料弹翼，所得炭纤维增强复合材料弹翼强度高，远高于现有弹翼产品的要求强度，同时重量大幅降低。
在本发明中，其中炭纤维增强体中间采用炭纤维单向布预浸料层叠，而表面采用炭纤维斜纹布预浸料进行包覆，采用炭纤维单向布获得中间骨架结构，可以保证弹翼产品的高强度，而包覆炭纤维斜纹布预浸料，使得材料的整体性更好，在两者的协同作用下最终使弹翼产品获得最优的力学性能，并获得更加平滑的表面。
优选的方案，改性酚醛树脂采购于江苏天鸟高新技术股份有限公司，牌号为：TPM-225。
发明人发现，采用上述改性酚醛树脂所浸渍的所得预浸料，最终可使材料性能最佳，在实验过程中，发明人也尝试购买了其他酚醛树脂，也尝试了直接购买炭纤维/酚醛预浸布以及炭纤维/环氧预浸布，然而均不能获得理想的结果。
在本发明中，对于碳纤维布的型号不受限制，采用现有技术中市售的纤维型号，均能满足强度要求，不过当炭纤维单向布中的纤维采用12K T700，炭纤维斜纹布中的纤维采用3K T300时所得弹翼产品的强度最高，光滑度最高。
优选的方案，所述炭纤维单向布中炭纤维的型号为12K T700。
优选的方案，所述炭纤维斜纹布中炭纤维的型号为3K T300。
优选的方案，所述炭纤维单向布预浸料中，改性酚醛树脂的质量分数为30-60％，优选为35-50％，进一步优选为40-45％。
优选的方案，所述炭纤维斜纹布预浸料中，改性酚醛树脂的质量分数为30-60％，优选为35-50％，进一步优选为40-45％。
发明人发现，改性酚醛树脂加入量对于复合材料的强度具有很大的影响。改性酚醛树脂的加入量过少，复合材料中树脂基体量少，纤维与树脂间的结合差强度低，而改性酚醛树脂的加入量过大时，相对应增强的纤维分量少，同样会造成复合材料的强度大幅下降。当改性酚醛树脂在复合材料中的含量控制为30-60％时，所得复合材料具有高的强度，热压时也没有树脂的溢出。
在实际操作过程中，根据弹翼产品的设计图纸，将炭纤维单向布预浸料裁剪成不同宽度、长度和弹翼平面投影形状的小片。
优选的方案，炭纤维单向布预浸料片体层叠的方式为相邻两层炭纤维单向布预浸料片体中的碳纤维互相垂直。
在本发明中，按碳纤维互相垂直的方式对炭纤维单向布预浸料片体进行层叠，最终所得弹翼产品的力学性能最优，在实验过程中，发明人进行了大量不同纤维角度的铺设，发现完全按45°铺层，最终所得材料强度也能初步满足弹翼产品的强度要求，而采用45°、90°、0°-45°等多种角度的组合，强度也没有大幅提升，反而是仅采用碳纤维互相垂直的方式层叠铺设，其强度大幅提升，可以达到碳纤维按45°铺层的1.5倍以上，发明人发现，这是由于采用碳纤维互相垂直的方式层叠铺设与炭纤维斜纹布预浸料的覆盖可以达到最大的协同效果，而若采用其他的花纹的预浸布、或是纤维缠绕等包覆方式，均不能产生如此大的协同效果。
优选的方案，所述n＝2层。当碳纤维单向布预浸料块体的上、下表面各覆盖2层炭纤维斜纹布预浸料是即能保证产品的整体性，才能使强度达到最高。
优选的方案，所述炭纤维预浸料块体的厚度为炭纤维增强复合材料弹翼厚度的105-130％。
进一步的优选，所述炭纤维预浸料块体的厚度为炭纤维增强复合材料弹翼厚度的110-120％。
将炭纤维预浸料块体的厚度设置为上述范围内，材料的密度和重度正好符合产品的重量要求，材料致密，强度高。
优选的方案，将炭纤维预浸料块体置于钢质模具中热压成型，所述钢质模具的内侧含有脱模硅脂，所述脱模硅脂的形成过程为：将钢质模具预热到50-100℃，优选为60-80℃，在模具的内侧表面刷涂脱模硅脂，冷却即得。
发明人发现，采用上述方式预热模具，再进行刷涂脱模硅脂，所得内侧含有脱模硅脂的钢质模具用于成型炭纤维预浸料块体，可使最终所得弹翼产品表面达到最高的光滑度。
在实际操作过程中，先将钢质模具预热到50-100℃，优选为60-80℃，然后在模具的内侧表面刷涂脱模硅脂。待涂有脱模硅脂的模具自然冷却到室温后，将炭纤维预浸料块体放入钢质模具的下模具中，盖上上模，然后施加压力，同时按升温程序进行升温，待最终保温完成后自由降温到室温并卸除压力。
优选的方案，所述热压成型的压力为16-24Mpa，所述热压成型的升温程序为：先升温到80-100℃，保温1-3h，然后依次升温至105-110℃、115-120℃、125-130℃、135-140℃，各保温0.5-1.5h,再升温至150-170℃保温3-4h。
本发明的热压成型，采用梯度升温，逐级保温，这是发明人通过大量的实验确定的温度程序，在上述热压成型的压力与升温程序的协同作用下，可使所得弹翼产品致密度最高，强度最高。
作为进一步的优选，所述热压成型的压力为18-22Mpa。
本发明还提供上述制备方法所制备的炭纤维增强复合材料弹翼。
原理与优势
本发明的制备方法，先将炭纤维单向布、炭纤维斜纹布采用改性酚醛树脂浸渍后所得预浸料，铺设后，再热压成型，机加工即得炭纤维增强复合材料弹翼，所得炭纤维增强复合材料弹翼强度高，远高于现有弹翼产品的要求强度，同时重量大幅降低。
本发明制备工艺简单、参数易控，所需设备要求较低，制备成本低，适合工业中大规模生产。
附图说明
图1为实施例1弹翼产品的照片，从照片中可以看出，所制备的弹翼产品表面光洁、布面纹理清晰。
图2为实施例1所得弹翼产品的扫描电镜和金相组织，从图中可以看出组织致密，纤维束之间互相垂直。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，本发明的保护范围不受这些实施例的限定。
实施例1
(1)将12K T700炭纤维单向布采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维单向布预浸料，其中炭纤维单向布预浸料中，改性酚醛树脂的质量分数为40％；
将3K T300炭纤维斜纹布采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维斜纹布预浸料，其中炭纤维斜纹布中，改性酚醛树脂的质量分数为40％。
(2)将12K T700炭纤维单向布预浸料裁剪成不同宽度、长度和弹翼平面投影形状的小片。再将预浸料炭纤维单向布小片按纤维方向互相垂直的角度叠层，层数为55层，获得炭纤维单向布预浸料块体。
(3)再于炭纤维单向布预浸料块体上、下各表面覆二层3K T300炭纤维斜纹布预浸料，获得炭纤维预浸料块体，其厚度为6.7mm。
(4)将钢质模具预热到80℃，在模具的内侧表面刷涂脱模硅脂。待涂有脱模硅脂的模具自然冷却到室温后，将叠层的预浸料炭纤维布放入下模具中，盖上上模。
(5)在热压机上施加压力20Mpa，自由升温到100℃保温2小时，升温分别在110、120、130、140℃保温1小时，再升温到160℃保温3小时后，自由降温到室温并卸除压力。得到材料坯体后进行相关的机械加工即为弹翼产品。
(6)上述制备的弹翼产品厚度为5.8mm，密度为1.622g/cm3，抗弯强度为691.38MPa。
(7)产品重量206g。
实施例2
(1)将12K T700炭纤维单向布采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维单向布预浸料，其中炭纤维单向布预浸料中，改性酚醛树脂的质量分数为40％；
将3K T300炭纤维斜纹布采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维斜纹布预浸料，其中炭纤维斜纹布中，改性酚醛树脂的质量分数为40％。
(2)将12K T700炭纤维单向布预浸料裁剪成不同宽度、长度和弹翼平面投影形状的小片。再将炭纤维单向布预浸料小片按纤维方向互相45°的角度叠层55层获得炭纤维单向布预浸料块体。
(3)再于炭纤维单向布预浸料块体上、下各表面覆二层3K T300炭纤维斜纹布预浸料，获得炭纤维预浸料块体，其厚度为6.6mm。
(4)将钢质模具预热到80℃，在模具的内侧表面刷涂脱模硅脂。待涂有脱模硅脂的模具自然冷却到室温后，将叠层的预浸料炭纤维布放入下模具中，盖上上模。
(5)在热压机上施加压力18Mpa，自由升温到90℃保温2小时，升温分别在110、120、130、140℃保温1小时，再升温到150-170℃保温3小时后，自由降温到室温并卸除压力。得到材料坯体后进行相关的机械加工即为弹翼产品。
(6)上述制备的弹翼产品厚度为5.9mm，密度为1.502g/cm3，抗弯强度为400.54MPa。
(7)产品重量195g。
实施例3：
(1)将12K T700炭纤维单向布采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维单向布预浸料，其中炭纤维单向布预浸料中，改性酚醛树脂的质量分数为45％；
将3K T300炭纤维斜纹布采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维斜纹布预浸料，其中炭纤维斜纹布中，改性酚醛树脂的质量分数为45％。
(2)将12K T700炭纤维单向布预浸料裁剪成不同宽度、长度和弹翼平面投影形状的小片。再将预浸料炭纤维单向布小片按纤维方向互相垂直的角度叠层，层数为55层，获得炭纤维单向布预浸料块体。
(3)再于炭纤维单向布预浸料块体上、下各表面覆二层3K T300炭纤维斜纹布预浸料，获得炭纤维预浸料块体，其厚度为6.6mm。
(4)将钢质模具预热到90℃，在模具的内侧表面刷涂脱模硅脂。待涂有脱模硅脂的模具自然冷却到室温后，将叠层的预浸料炭纤维布放入下模具中，盖上上模。
(5)在热压机上施加压力21Mpa，自由升温到90℃保温2小时，升温分别在110、120、130、140℃保温1小时，再升温到160℃保温4小时后，自由降温到室温并卸除压力。得到材料坯体后进行相关的机械加工即为弹翼产品。
(6)上述制备的弹翼产品厚度为5.9mm，密度为1.620g/cm3，抗弯强度为614.92MPa。
(7)产品重量205g。
实施例4
(1)将12K T700炭纤维单向布采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维单向布预浸料，其中炭纤维单向布预浸料中，改性酚醛树脂的质量分数为35％；
将3K T300炭纤维斜纹布采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维斜纹布预浸料，其中炭纤维斜纹布中，改性酚醛树脂的质量分数为35％。
(2)将12K T700炭纤维单向布预浸料裁剪成不同宽度、长度和弹翼平面投影形状的小片。再将预浸料炭纤维单向布小片按纤维方向互相垂直的角度叠层，层数为54层，获得炭纤维单向布预浸料块体。。
(3)再于炭纤维单向布预浸料块体上、下各表面覆二层3K T300炭纤维斜纹布预浸料，获得炭纤维预浸料块体，其厚度为6.6mm。
(4)将钢质模具预热到80℃，在模具的内侧表面刷涂脱模硅脂。待涂有脱模硅脂的模具自然冷却到室温后，将叠层的预浸料炭纤维布放入下模具中，盖上上模。
(5)在热压机上施加压力20Mpa，自由升温到90℃保温2小时，升温分别在110、120、130、140℃保温1小时，再升温到160℃保温3小时后，自由降温到室温并卸除压力。得到材料坯体后进行相关的机械加工即为弹翼产品。
(6)上述制备的复合材料弹翼产品厚度为5.9mm，密度为1.620g/cm3，抗弯强度为617.55MPa。
(7)上述制备的复合材料产品重量205g。
(8)产品脱模后表面光洁度高。
实施例5
(1)将12K T700炭纤维单向布采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维单向布预浸料，其中炭纤维单向布预浸料中，改性酚醛树脂的质量分数为45％；
将3K T300炭纤维斜纹布采用改性酚醛树脂进行浸渍获得炭纤维斜纹布预浸料，其中炭纤维斜纹布中，改性酚醛树脂的质量分数为45％。
(2)将12K T700炭纤维单向布预浸料裁剪成不同宽度、长度和弹翼平面投影形状的小片。再将预浸料炭纤维单向布小片按纤维方向互相垂直的角度叠层，层数为55层，获得炭纤维单向布预浸料块体。
(3)再于炭纤维单向布预浸料块体上、下各表面覆二层3K T300炭纤维斜纹布预浸料，获得炭纤维预浸料块体，其厚度为6.6mm。
(4)将钢质模具预热到80℃，在模具的内侧表面刷涂脱模硅脂。待涂有脱模硅脂的模具自然冷却到室温后，将叠层的预浸料炭纤维布放入下模具中，盖上上模。
(5)在热压机上施加压力20Mpa，自由升温到90℃保温2小时，升温分别在110、120、130、140℃保温1小时，再升温到160℃保温3小时后，自由降温到室温并卸除压力。得到材料坯体后进行相关的机械加工即为弹翼产品。
(6)上述制备的复合材料弹翼产品厚度为5.9mm，密度为1.622g/cm3，抗弯强度为648.71MPa。
(7)产品重量205g。
对比例1
其他条件与实施例1相同，仅是炭纤维单向布预浸料块体上、下各表面覆二层平纹布，所得复合材料抗弯强度为308.99MPa。
对比例2
其他条件与实施例1相同，仅是自由升温到100℃保温2小时，直接升温到160℃保温3小时后，自由降温到室温并卸除压力，所得复合材料抗弯强度为189.91MPa。

Claims (7)

1.一种炭纤维增强复合材料弹翼的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将炭纤维单向布、炭纤维斜纹布均采用改性酚醛树脂行浸渍获得炭纤维单向布预浸料、炭纤维斜纹布预浸料；将炭纤维单向布预浸料裁剪获得炭纤维单向布预浸料片体，再将炭纤维单向布预浸料片体层叠获得炭纤维单向布预浸料块体，然后于炭纤维单向布预浸料块体的上、下表面各覆盖2层炭纤维斜纹布预浸料获得炭纤维预浸料块体，再将炭纤维预浸料块体热压成型、机加工即得炭纤维增强复合材料弹翼；
所述炭纤维单向布预浸料中，改性酚醛树脂的质量分数为30-60％，
所述炭纤维斜纹布预浸料中，改性酚醛树脂的质量分数为30-60％，
所述炭纤维单向布预浸料片体层叠的方式为相邻两层炭纤维单向布预浸料片体中的碳纤维互相垂直。
2.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强复合材料弹翼的制备方法，其特征在于：改性酚醛树脂采购于江苏天鸟高新技术股份有限公司，牌号为：TPM-225。
3.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强复合材料弹翼的制备方法，其特征在于：所述炭纤维单向布中炭纤维的型号为12K T700，所述炭纤维斜纹布中炭纤维的型号为3K T300。
4.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强复合材料弹翼的制备方法，其特征在于：所述炭纤维预浸料块体的厚度为炭纤维增强复合材料弹翼厚度的105-130％。
5.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强复合材料弹翼的制备方法，其特征在于：将炭纤维预浸料块体置于钢质模具中热压成型，所述钢质模具的内侧含有脱模硅脂，所述脱模硅脂的形成过程为：将钢质模具预热到50-100℃，在模具的内侧表面刷涂脱模硅脂，冷却即得。
6.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强复合材料弹翼的制备方法，其特征在于：所述热压成型的压力为16-24Mpa，所述热压成型的升温程序为：先升温到80-100℃，保温1-3h，然后依次升温至105-110℃、115-120℃、125-130℃、135-140℃，各保温0.5-1.5h，再升温至150-170℃保温3-4h。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的制备方法所制备的炭纤维增强复合材料弹翼。
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