CN113334793B - 一种提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的方法 - Google Patents

一种提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的方法。该方法利用碳纳米管膜受法向外力作用变形，碳纳米管膜中的碳纳米管沿外力方向取向的原理，借助沿复合材料厚度方向的插压力，使碳纳米管膜中碳纳米管沿插压力方向取向，最终树脂固化后，该碳纳米管沿复合材料厚度方向取向并分布，从而将复合材料各层之间联为一个整体，成为准三维材料，极大提高了纤维增强热固性树脂基单向复合材料的层间强度。另外，本发明还具有操作简单、易于实现的优点。

Description

一种提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的 方法
技术领域
本发明涉及一种提高复合材料层间强度的方法，特别是提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的方法。
背景技术
纤维增强热固性树脂基单向复合材料在纤维方向具有比强度大、比刚度大、可设计性强、抗疲劳、耐腐蚀等优点，已在很多领域替代了传统应用的金属材料，然而，其层间强度低和抗分层、抗冲击能力弱等缺点，限制了其进一步的广泛应用。有的科研人员通过热固性树脂基体增韧来改善层间性能，将橡胶、热塑性树脂等弹性体作为增塑剂加入到热固性树脂基体中，这种方法的缺点是在增韧的同时，导致复合材料模量和耐湿热性下降，而且热固性树脂基体韧性的大幅度提高不能有效转移到复合材料本身；有的科研人员利用缝合工艺对预成形件在层合板厚度方向通过缝合技术引入高拉伸强度的缝合线，如碳纤维、玻璃纤维等，将各个铺层联为一个整体，但这种方法的缺点是，缝合虽然提高了复合材料厚度方向的性能，但也引起了面内纤维的损伤，降低了复合材料的面内性能；还有的研究人员通过碳纳米管取向方法使碳纳米管在复合材料厚度方向定向分布后，利用碳纳米管优异的力学性能提升复合材料层间强度，然而，目前现有的碳纳米管取向技术都需要将碳纳米管均匀分散于复合材料中，但是碳纳米管的分散过程必然会造成碳纳米管的结构破坏、减小碳纳米管长径比，不能充分发挥碳纳米管的性能优势，降低了复合材料层间强度的增强效率和性价比。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：借助插压力，使碳纳米管膜在单向复合材料厚度方向取向，形成准三维材料，利用碳纳米管优异的力学性能提升复合材料层间强度。
本发明涉及的一种提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的方法，其操作步骤为：
（1）选择合适尺寸和厚度的碳纳米管膜，将其铺放于纤维增强热固性树脂基单向预浸料表面；
（2）在碳纳米管膜表面喷涂硅烷偶联剂与丙酮的混合溶液，使用压辊反复碾压碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂基单向预浸料，并使碳纳米管膜与预浸料紧密贴合；去除丙酮溶剂后，制得碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂基单向复合材料单位预制体；
（3）根据碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂基单向复合材料设计厚度，计算碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂基单向复合材料单位预制体所需层数；将所需碳纳米管膜/纤维/树脂单向复合材料单位预制体沿同一方向叠层放置，并在碳纳米管膜外侧加铺1层纤维增强热固性树脂基单向预浸料，制得碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂基单向复合材料预制体；
（4）借助插压力施加装置，将碳纳米管膜沿厚度方向插入碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂单向复合材料预制体内部；
（5）撤去插压力施加装置，采用热压成型工艺制备成结构致密、碳纳米管沿厚度方向取向分布的碳纳米管膜/纤维/树脂单向复合材料。
本发明涉及的提高纤维增强树脂基单向复合材料层间强度的方法，其特征在于：步骤（4）中，借助插压力施加装置，将所述碳纳米管膜分别在上下两个方向，依次沿厚度方向插入碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂单向复合材料预制体（2）内部。
本发明涉及的提高纤维增强树脂基单向复合材料层间强度的方法，其特征在于：所述碳纳米管膜厚度3~5μm。
本发明涉及的提高纤维增强树脂基单向复合材料层间强度的方法，其特征在于：所述混合溶液中硅烷偶联剂与丙酮的质量比为1:10~20。
本发明涉及的提高纤维增强树脂基单向复合材料层间强度的方法，其特征在于：所述插压力施加装置，包括压机和齿板，齿板由顶板和位于其下方的齿耙构成；所述齿耙截面为矩形结构，宽度50~300μm，高度比碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂单向复合材料预制体厚度多不少于1mm，相邻齿耙间距50~300μm。
本发明涉及的提高纤维增强树脂基单向复合材料层间强度的方法，其特征在于：所述插压力施加装置，包括压机和齿板，齿板由顶板和位于其下方的齿耙构成；所述齿耙截面为顶窄底宽的梯形结构，顶部宽度50~300μm，底部宽度300~600μm，高度比碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂单向复合材料预制体厚度多不少于1mm，相邻齿耙底部间距为0~300μm。
本发明涉及的提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的方法，借助沿复合材料厚度方向的插压力，碳纳米管膜受力变形，碳纳米管膜中的碳纳米管沿插压力方向取向，最终树脂固化后，碳纳米管在复合材料厚度方向取向分布，从而极大提高了复合材料的层间强度。另外，本发明还具有操作简单、易于实现的优点。
附图说明
图1给出的是本发明实施例1装置结构示意图。
其中，1-齿板，2-碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料预制体，3-平面基板。
具体实施方式
下面借助具体实施例对本发明作进一步详述，但不作为对技术方案的限制。
实施例1
将外径10μm的连续长碳纤维与环氧树脂制备成尺寸为250mm×180mm×0.125mm的碳纤维增强环氧树脂基单向预浸料。
将硅烷偶联剂与丙酮按质量比1:10的比例配制成混合溶液，称取5g，备用。
裁剪尺寸为250mm×180mm×3μm的碳纳米管膜。
将裁剪的碳纳米管膜平铺于碳纤维增强环氧树脂基单向预浸料表面，并将称取的5g混合溶液均匀喷涂至碳纳米管膜表面，使用常规的铝制竖纹压辊反复碾压碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向预浸料10次，使预浸料中的树脂浸润渗透至碳纳米管膜内部，并使碳纳米管膜与预浸料紧密贴合，静置24h去除丙酮溶剂，制得碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料单位预制体。
齿板1，由钢制顶板和其上方均布的钢质齿耙构成，顶板尺寸250mm×180mm×5mm，齿耙尺寸250mm×50μm×3mm，齿耙长度方向与平板长度方向平齐，相邻两齿耙间距50μm。
碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料预制体2，由15层碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料单位预制体和1层碳纤维增强环氧树脂基单向预浸料叠层而成，其中，碳纤维增强环氧树脂基单向预浸料放置在15层碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料单位预制体的碳纳米管膜外侧。
如图1所示，将250mm×180mm×10mm的平面基板3放置在合适位置，然后将碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料预制体2铺放在平面基板3上方，再将齿板1放置到碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料预制体2上方，其中，齿耙长度方向与碳纤维方向一致，齿耙与碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料预制体2上表面接触。借助平板压机在齿板1顶板上方施加压力，使齿板1的齿耙插入碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料预制体2中1.5mm深度，30s后撤去压力，取出齿板1。
将经过齿板1插压过的碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料预制体2放入模具中，采用热压成型工艺制备碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料。热压成型过程中，被齿板1隔开的相邻碳纤维重新贴合。
按照上述方法，碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料预制体2中的碳纳米管膜受齿耙的插压力作用变形，碳纳米管膜中碳纳米管沿复合材料预制体厚度方向取向。待树脂固化后得到碳纳米管膜/碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料，其中碳纳米管以沿复合材料厚度方向取向的状态分布，从而使单向复合材料各层之间联为一个整体，极大地提高了单向复合材料的层间强度。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处主要有：
将外径8μm的连续长玻璃纤维与酚醛树脂制备成尺寸为250mm×180mm×0.15mm的玻璃纤维增强酚醛树脂基单向预浸料。
将硅烷偶联剂与丙酮按质量比1:20的比例配制成混合溶液，称取5g，备用。
裁剪尺寸为250mm×180mm×5μm的碳纳米管膜。
齿板1，由钛合金顶板和钛合金齿耙构成，齿耙尺寸250mm×300μm×3mm，相邻两齿耙间距300μm。
碳纳米管膜/玻璃纤维增强酚醛树脂基单向复合材料预制体2，由18层碳纳米管膜/玻璃纤维增强酚醛树脂基单向复合材料单位预制体和1层玻璃纤维/酚醛树脂单向预浸料叠层而成。
利用压机，将齿板1的齿耙压入碳纳米管膜/玻璃纤维增强酚醛树脂基单向复合材料预制体2中1.8mm深度，30s后撤去压力，取出齿板1。然后将碳纳米管膜/玻璃纤维增强酚醛树脂基单向复合材料预制体2上下面翻转，再次利用压机将齿板1的齿耙压入碳纳米管膜/玻璃纤维增强酚醛树脂基单向复合材料预制体2中1.8mm深度，30s后撤去压力，取出齿板1。
采用热压成型工艺制备碳纳米管膜/玻璃纤维增强酚醛树脂基单向复合材料。
实施例3
与实施例2的不同之处主要有：
齿板1的齿耙截面为顶窄底宽梯形结构，顶部宽度50μm、底部宽度300μm，高度3mm，相邻齿耙底部间距为0。
混合溶液中硅烷偶联剂与丙酮的质量比为1:15。
实施例4
与实施例3的不同之处主要有：
齿板1的齿耙，顶部宽度300μm、底部宽度600μm，高度5mm，相邻齿耙底部间距为300μm。

Claims (4)

1.一种提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的方法，其操作步骤为：
选择合适尺寸和厚度的碳纳米管膜，将其铺放于纤维增强热固性树脂基单向预浸料表面；
在碳纳米管膜表面喷涂硅烷偶联剂与丙酮的混合溶液，使用压辊反复碾压碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂基单向预浸料，使碳纳米管膜与预浸料紧密贴合，去除丙酮溶剂后，制得碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂基单向复合材料单位预制体；
根据碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂基单向复合材料设计厚度，计算碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂基单向复合材料单位预制体所需层数；将所需碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂基单向复合材料单位预制体沿同一方向叠层放置，并在碳纳米管膜外侧加铺1层纤维增强热固性树脂基单向预浸料，制得碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂基单向复合材料预制体；
借助插压力施加装置，将所述碳纳米管膜分别在上下两个方向，依次沿厚度方向插入碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂单向复合材料预制体内部；所述插压力施加装置包括包括压机和齿板（1），齿板（1）由顶板和位于其下方的齿耙构成；所述齿耙截面为矩形结构，宽度50~300μm，高度比碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂单向复合材料预制体厚度多不少于1mm，相邻齿耙间距50~300μm;
撤去插压力施加装置，采用热压成型工艺制备成结构致密、碳纳米管沿厚度方向取向分布的碳纳米管膜/纤维/树脂单向复合材料。
2.根据权利要求1所述的提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的方法，其特征在于：所述碳纳米管膜厚度3~5μm。
3.根据权利要求1所述的提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的方法，其特征在于：所述混合溶液中硅烷偶联剂与丙酮的质量比为1:10~20。
4.根据权利要求1所述的提高纤维增强热固性树脂基单向复合材料层间强度的方法，其特征在于：所述齿板（1），其齿耙截面为顶窄底宽的梯形结构，顶部宽度50~300μm，底部宽度300~600μm，高度比碳纳米管膜/纤维增强热固性树脂单向复合材料预制体厚度多不少于1mm，相邻齿耙底部间距为0~300μm。
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