CN113733602B - 一种脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法，其包括如下步骤：1)，将脆性增强纤维纱以及韧性增强纤维纱缠绕在纱锭上，通过自动环型编织机分别将两种纱线编织成平纹管状织物；2)，将经过步骤1)编织所得的平纹管状织物进行裁剪成大小一致的平面织物；3)，将经过步骤2)所得的织物以不同排列组合的方式堆叠，采用真空辅助树脂转移模塑技术，在一定的压力下，将树脂与织物混合，固化成复合材料层合板。本发明的制备方法制得的复合材料具有更小的冲击变形、更高的强度、更少的损伤，因此其具有更加优良的防护性能，更加适合抵抗外部冲击载荷。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种复合材料的制备方法，具体涉及一种脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法，属于织物增强复合材料制备技术领域。
【背景技术】
近年来，随着汽车、电器、建筑、航空等方面的发展，树脂基复合材料越来越得到国内外的关注，并已成为材料领域中异常活跃的研究开发点。相比于传统金属材料，其具有比强度和比模量高、重量轻、可设计性强等优点。在一些特殊领域，其优良的防腐蚀性能也被选为防护材料的不二之选。
此外，相较于单一增强纤维的复合材料，以多种不同性能纤维混杂作为增强体的树脂基复合材料，可有效提升复合材料在冲击载荷下的强度和抵抗变形的能力。
因此，确有必要提供一种创新的脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法，以改善单一增强体复合材料的性能。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法，该方法制备的热固性复合材料不仅制备方便，还结合了不同纤维材料各自的优势，具有优异的抗冲击性能和可设计性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
1)，将脆性增强纤维纱以及韧性增强纤维纱缠绕在纱锭上，通过自动环型编织机分别将两种纱线编织成平纹管状织物；
2)，将经过步骤1)编织所得的平纹管状织物进行裁剪成大小一致的平面织物；
3)，将经过步骤2)所得的织物以不同排列组合的方式堆叠，采用真空辅助树脂转移模塑技术，在一定的压力下，将树脂与织物混合，固化成复合材料层合板。
本发明的脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法进一步为：所述步骤1)中，所述脆性增强纤维纱包括但不限于玻璃纤维纱、碳纤维纱、玄武岩纤维纱等；所述韧性增强纤维纱包括但不限于芳纶纱、高强高模聚乙烯纱、尼龙纱等。
本发明的脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法进一步为：所述步骤1)中，通过改变芯轴的进给速度和编织机转速来控制编织角度，获得具有不同编织角度的平纹管状织物。
本发明的脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法进一步为：所述步骤3)中，平面织物采用3中模式堆叠：四层碳纤维织物，三层纯碳纤维织物与一层芳纶纤维织物，四层纯芳纶纤维织物。
本发明的脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法进一步为：所述步骤3)中，平面织物具体采用三层纯碳纤维织物与一层芳纶纤维织物。
本发明的脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法进一步为：所述步骤3)中，所述压力范围为：0.85-0.97mbar。
本发明的脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法还为：所述步骤3)中，树脂与织物混合后在常温(25℃)下静置24小时，放入烘箱65℃条件下16个小时进行固化。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法不仅保留了单一纤维复合材料的优点，而且不同的纤维混杂可以取长补短、匹配协调，综合性能优越，具有一般纺织复合材料不具备的优异特性。
2.本发明的脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法不仅具有混杂纤维增强复合材料的良好的力学性能，而且堆砌组合方式具有多样性，是一种具有较高研究价值的新型复合材料。
3.本发明的脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法不仅可以实现快速成型，而且具有很高的可设计性。
4.本发明制备的复合材料板在低速冲击实验中呈现出比纯脆性或韧性复合材料具有更小的冲击变形、更高的强度、更少的损伤，因此其具有更加优良的防护性能，更加适合抵抗外部冲击载荷。
【附图说明】
图1是本发明步骤1)中的自动环型编织机的结构示意图。
图2为本发明步骤1)制得的碳纤维织物的结构图。
图3为本发明步骤1)制得的芳纶织物的结构图。
图4为本发明步骤3)中四层碳纤维织物的铺层示意图。
图5为本发明步骤3)中三层碳纤维织物、一层芳纶纤维织物的铺层示意图。
图6为本发明步骤3)中四层芳纶纤维织物的铺层示意图。
图7为本发明制得的复合材料在15J能级下的低速冲击力学性能和损伤形貌图。
图8为本发明制得的复合材料在25J能级下的低速冲击力学性能和损伤形貌图。
【具体实施方式】
请参阅说明书附图1至附图8所示，本发明为一种脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
1)，将脆性增强纤维纱以及韧性增强纤维纱缠绕在纱锭1上，通过自动环型编织机分别将两种纱线编织成平纹管状织物2。
其中，所述脆性增强纤维纱包括但不限于玻璃纤维纱、碳纤维纱、玄武岩纤维纱等；所述韧性增强纤维纱包括但不限于芳纶纱、高强高模聚乙烯纱、尼龙纱等。
所述自动环型编织机如说明书附图1所示，其为现有技术的自动环型编织机，其通过改变芯轴的进给速度和编织机转速来控制编织角度，获得具有不同编织角度的平纹管状织物。
在本实施方式中，采用碳纤维纱绕在纱锭1上，通过自动环型编织机将碳纤维编织成碳纤维管状平纹织物。然后，将碳纤维从纱锭1上取下，缠绕芳纶纤维在纱锭1上，自动环型编织机将芳纶编织成芳纶管状平纹织物。
2)，将经过步骤1)编织所得的平纹管状织物进行裁剪成大小一致的平面织物。
3)，将经过步骤2)所得的织物以不同排列组合的方式堆叠，采用真空辅助树脂转移模塑技术，在一定的压力下，将树脂与织物混合，固化成复合材料层合板。
具体的说，所述平面织物可采用3中模式堆叠：四层碳纤维织物(CCCC)，三层碳纤维织物与一层芳纶纤维织物(CCCK)，四层芳纶纤维织物(KKKK)，其中C表示碳纤维织物，K表示芳纶织物。
所述真空辅助树脂转移模塑技术可以对任意厚度，任意形状的板状织物进行固化，具有较高的灵活性，其压力范围为：0.85-0.97mbar。所述树脂具体为基体环氧树脂，树脂与织物混合后在常温(25℃)下静置24小时，放入烘箱65℃条件下16个小时进行固化。
对经过步骤3)所得的复合材料进行低速冲击实验，分别在15J和25J冲击能量下得到的曲线及损伤形貌如说明书附图7、8所示
实验研究表明，通过用1层芳纶纤维织物衬垫在3层碳纤维织物底部，制备具有碳纤维:芳纶＝3:1的混杂织物增强复合材料板(CCCK)，相比于4层纯碳纤维织物复合材料板(CCCC)和4层纯芳纶纤维织物复合材料板(KKKK)，可实现非常显著的复合材料结构抗冲击性能改善，具体表现为：
1)在低能级15J冲击载荷下，如图7(a)载荷-挠度曲线所示，CCCK的峰值载荷(4107N)略高于刚性的CCCC(3860N)，远高于韧性的KKKK(2356N)；CCCK的最大挠度(7.40mm)略高于刚性的CCCC(7.22mm)，远小于韧性的KKKK(9.35mm)，且CCCK和CCCC冲击侧只有2mm左右的永久变形量，而KKKK冲击侧的永久变形量达到了6mm；如图7(b)冲击区域损伤CT所示，CCCK内部仅有一条单一裂纹，且材料表面无明显破损，损伤明显少于刚性的CCCC和韧性的KKKK。
2)在高能级25J冲击载荷下，如图8(c)载荷-挠度曲线所示，CCCK的峰值载荷(4998N)略低于刚性的CCCC(5329N)，远高于韧性的KKKK(2397N)；CCCK的最大挠度(9.95mm)略高于刚性的CCCC(9.60mm)，远小于韧性的KKKK(15.10mm)，尤其值得关注的是，CCCK冲击侧的永久变形量为4.22mm，远小于CCCC的7.80mm和KKKK的13.45mm；如图8(d)冲击区域损伤CT所示，CCCK混杂复合材料板内部仍然仅有单一裂纹，且材料表面无明显破损、整体无明显变形，相比之下刚性的纯碳纤维复合材料板CCCC和韧性的纯芳纶纤维复合材料板KKKK已经破碎不堪、板材变形严重。
以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)，将脆性增强纤维纱以及韧性增强纤维纱缠绕在纱锭上，通过自动环型编织机分别将两种纱线编织成平纹管状织物；通过改变芯轴的进给速度和编织机转速来控制编织角度，获得具有不同编织角度的平纹管状织物；
2)，将经过步骤1)编织所得的平纹管状织物进行裁剪成大小一致的平面织物；
3)，将经过步骤2)所得的织物以不同排列组合的方式堆叠，采用真空辅助树脂转移模塑技术，在一定的压力下，将树脂与织物混合，固化成复合材料层合板；
平面织物具体采用三层纯碳纤维织物与一层芳纶纤维织物；
所述压力范围为：0.85-0.97mbar；树脂与织物混合后在常温(25℃)下静置24小时，放入烘箱65℃条件下16个小时进行固化。
2.如权利要求1所述的脆/韧纤维织物铺层混杂复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述脆性增强纤维纱包括但不限于玻璃纤维纱、碳纤维纱、玄武岩纤维纱等；所述韧性增强纤维纱包括但不限于芳纶纱、高强高模聚乙烯纱、尼龙纱等。
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