CN113771384A - 一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法，该纤维增强复合材料选用超薄型碳纤维预浸料(<30μm)和具有失效应变大于6％的玻璃纤维预浸料，通过机械切割得到非连续纤维结构，切割时的切口方向与纤维方向之间的夹角为±11°，所有切口为直线段，呈规则分布。同时，采用特定的铺层结构和增强缝合技术，以提高纤维增强复合材料的可成型性、强度、最终失效应变、抗冲击性能和吸能性能。本发明通过明确非连续纤维切口之间的位置关系，切口的尺寸关系，以及切口尺寸与结构件外部尺寸之间的关系，优化了复合材料力学性能，和纤维流动性能，并有效控制切口数量，提高了效率。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种复合多种优异性能，包括流动性、伪延性、耐冲击性的高性能纤维增强结构复合材料制备方法。
背景技术
轻质纤维增强复合材料，如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，作为先进复合材料，由于其优异的轻质高强性能和很好的耐疲劳、耐腐蚀、耐高温、易加工成型等特性，可广泛应用于交通、能源、建筑、航天、航空等领域。然而，传统连续纤维增强聚合物复合材料(FRP)在成型复杂结构构件时，容易发生树脂分布不均匀的现象，这会导致应力在构件中产生复杂的分布，影响构件的力学性能，给构件带来安全隐患。这种情况，宜采用具有优异纤维流动性的短纤维增强聚合物复合材料(SFRP)。但是，因为SFRP中纤维体积含量较低且纤维方向随机分布，并且无法控制纤维长度，导致用SFRP成型的构件强度与刚度较低。为了提高SFRP的强度和刚度，通过在传统连续预浸料中引入特定切口，制造出了UACS预浸料。这种预浸料具有良好的成形性，适用于制造复杂几何形状的结构件。与传统SFRP相比，用UACS成型的层合板具有更高的模量和强度，这是因为UACS预浸料纤维体积分数更高且排列率更高。
传统的连续纤维增强聚合物复合材料层合板在纤维方向具有很高的拉伸、压缩强度。然而，在厚度方向没有纤维增强，只是依靠聚合物基体起粘结和传递载荷的作用，相对强度较弱。厚度方向强度较低导致其抗面外冲击性能较差，在冲击载荷下极易发生分层并导致整个构件失效。因此，需要相应的技术手段来提高层合板的抗冲击性能，提高其损伤容限。
另一方面，传统碳纤维复合材料强度和韧性的互斥性是长期以来困扰其设计领域的重要问题之一。虽然轻质纤维增强复合材料具有重量轻、强度大、模量高等优点，但其脆性本质以及较弱的剩余强度在一定程度上限制了其应用扩展。例如，由于轻微冲击造成材料内部局部的结构损伤，此时虽然外观完好，但容易在未出现明显损伤预警且远低于设计载荷的负载作用下发生脆性断裂。为了确保安全，相比于其他韧性较好的材料，轻质纤维增强复合材料往往采用更大的安全系数。
因此，能够同时增强增韧的材料设计理念是研究高性能FRP长期以来的一个悬而未决的挑战，即如何使FRP具有类似于金属材料的非线性渐进失效过程，令其在最终破坏前具有明显的失效预警现象，即，使FRP从脆性失效模式转变为伪延性失效模式，在失效断裂前产生明显的非线性应力应变响应。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，鉴于航空航天、汽车及能源等行业对碳纤维复合材料的重大实际需求，提出一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法，采用超薄型碳纤维预浸料，大应变的玻璃纤维预浸料，通过特定的非连续纤维结构、铺层结构和增强缝合技术，以提高纤维增强复合材料的可成型性、强度、最终失效应变、抗冲击性能和吸能性能。本发明采用超薄型碳纤维预浸料小于 30μm，和具有大失效应变的玻璃纤维预浸料大于6％，通过特定的非连续纤维结构、铺层结构和增强缝合技术，可以提高纤维增强复合材料的可成型性、强度、最终失效应变、抗冲击性能和吸能性能。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法，该复合材料选用超薄型碳纤维预浸料，其预浸料单片厚度小于30μm。
进一步的，本发明非连续纤维结构的切口方向与纤维方向之间的夹角为±11°，在沿纤维方向上的长度为d，在垂直于纤维方向上的宽度为b，线段长度为l，呈左右交替分布，同侧切口相互平行。所有相邻切口位置之间具有明确的尺寸关系。同时，为兼顾复合材料性能与切口数量控制，切口尺寸d与成型结构外部尺寸D之间取比例为
进一步的，本发明具有大失效应变的玻璃纤维预浸料，选用高应变的玻璃纤维丝束，通过树脂浸渍工艺制备具有失效应变大于6％的玻璃纤维预浸料。
进一步的，本发明高性能纤维增强结构复合材料的纤维复合材料为超薄型碳纤维预浸料与大应变玻璃纤维预浸料层间混杂层合板。超薄型碳纤维预浸料单片厚度小于 30μm，且导入上述的非连续结构。且碳纤维预浸料与玻璃纤维预浸料的材料组分比(厚度比
)为
进一步的，本发明高性能纤维增强结构复合材料的复合材料采用特殊铺设结构[θ/θ+90°/-θ/-θ+90°]ns(10°<θ<30°)。
进一步的，本发明高性能纤维增强结构复合材料采用凯夫拉纤维或超高分子量聚乙烯纤维作为缝线，在预浸料厚度方向引入增强缝合技术以提高复合材料的抗面外冲击性能。且缝合的针距和行距具有明确的尺寸关系，同时，为兼顾复合材料性能与缝线数量控制，针距和行距a与预浸料最小外部尺寸B之间取比例为
有益效果：
1、本发明通过明确非连续纤维切口之间的位置关系，切口的尺寸关系，以及切口尺寸与结构件外部尺寸之间的关系，优化了复合材料力学性能，和纤维流动性能，并有效控制切口数量，提高了效率。
2、本发明选用超薄型碳纤维预浸料和具有大失效应变的玻璃纤维预浸料，明确了碳纤维预浸料与玻璃纤维预浸料的材料组分比，同时采用特殊铺设结构
[θ/θ+90/-θ/-θ+90]ns，使复合材料能够在不同方向呈现出明显的伪延性。
3、本发明采用凯夫拉纤维或超高分子量聚乙烯纤维作为缝线，在预浸料厚度方向引入增强缝合技术以提高复合材料的抗面外冲击性能。且缝合的针距和行距具有明确的尺寸关系，同时，为兼顾复合材料性能与缝线数量控制，针距和行距a与预浸料最小外部尺寸B之间取比例。
附图说明
图1为非连续切口尺寸图。
图2为超薄型碳纤维预浸料与玻璃纤维预浸料混杂结构示意图。
标识说明：1-超薄高模量碳纤维预浸料；2-高延性低模量玻璃纤维预浸料；3-碳玻混杂层合板。
图3为碳/玻混杂非连续纤维结构层合板示意图。
标识说明：3-碳玻混杂层合板；4-非连续纤维结构；5-碳/玻混杂非连续纤维结构层合板。
图4为纤维增强复合材料层合板厚度方向增强缝合技术结构示意图。
标识说明：6-预浸料；7-缝线。
图5为高性能纤维增强结构复合材料非线性应力应变曲线示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将结合具体实施例和附图进行说明。
本发明提出的一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法，采用超薄型碳纤维预浸料，和具有大失效应变的玻璃纤维预浸料，通过特定的非连续纤维结构、铺层结构和增强缝合技术，可以提高纤维增强复合材料的可成型性、强度、最终失效应变、抗冲击性能和吸能性能。
本发明的超薄型碳纤维预浸料单片厚度小于30μm。
本发明通过机械切割得到非连续纤维结构，切口方向与纤维方向之间的夹角为±11°，在沿纤维方向上的长度为d，在垂直于纤维方向上的宽度为b，线段长度为l，呈左右交替分布，同侧切口相互平行。所有相邻切口位置之间具有明确的尺寸关系。同时，为兼顾复合材料性能与切口数量控制，切口尺寸d与成型结构外部尺寸D之间取比例为
玻璃纤维预浸料具有大失效应变，选用高应变的玻璃纤维丝束，通过树脂浸渍工艺制备具有失效应变大于6％的玻璃纤维预浸料。
高性能纤维增强复合材料结构为超薄型碳纤维预浸料与大应变玻璃纤维预浸料层间混杂层合板。超薄型碳纤维预浸料单片厚度小于30μm，且导入上述的非连续结构。且碳纤维预浸料与玻璃纤维预浸料的材料组分比，即厚度比
为
高性能纤维增强结构复合材料采用特殊铺设结构[θ/θ+90°/-θ/-θ+90°]ns(10°<θ<30°)。
高性能纤维增强结构复合材料采用凯夫拉纤维或超高分子量聚乙烯纤维作为缝线，在预浸料厚度方向引入增强缝合技术以提高复合材料的抗面外冲击性能。且缝合的针距和行距具有明确的尺寸关系，同时，为兼顾复合材料性能与缝线数量控制，针距和行距a与预浸料最小外部尺寸B之间取比例为
需要说明的是，以上具体实施方式的描述并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法，其特征在于，所述纤维增强复合材料选用超薄型碳纤维预浸料小于30μm和具有失效应变大于6％的玻璃纤维预浸料，通过机械切割得到非连续纤维结构，切割时的切口方向与纤维方向之间的夹角为±11°，所有切口为直线段，呈规则分布。
2.根据权利要求1所述的一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法，其特征在于，其预浸料单片厚度小于30μm。
3.根据权利要求1所述的一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法，其特征在于，所述切口方向与纤维方向之间的夹角为±11°，在沿纤维方向上的长度为d，在垂直于纤维方向上的宽度为b，线段长度为l，呈左右交替分布，同侧切口相互平行，所有相邻切口位置之间具有明确的尺寸关系，切口尺寸d与成型结构外部尺寸D之间取比例为
4.根据权利要求1所述的一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法，其特征在于，选用高应变的玻璃纤维丝束，通过树脂浸渍工艺制备具有失效应变大于6％的玻璃纤维预浸料。
5.根据权利要求1所述的一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法，其特征在于，所述纤维复合材料为超薄型碳纤维预浸料与大应变玻璃纤维预浸料层间混杂层合板，超薄型碳纤维预浸料单片厚度小于30μm，且导入上述的非连续结构，且碳纤维预浸料与玻璃纤维预浸料的材料组分比厚度比
为
6.根据权利要求1所述的一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法，其特征在于，所述复合材料采用特殊铺设结构[θ/θ+90°/-θ/-θ+90°]ns(10°<θ<30°)。
7.根据权利要求1所述的一种复合多种优异性能的高性能纤维增强结构复合材料制备方法，其特征在于，采用凯夫拉纤维或超高分子量聚乙烯纤维作为缝线，且缝合的针距和行距具有明确的尺寸关系，同时，为兼顾复合材料性能与缝线数量控制，针距和行距a与预浸料最小外部尺寸B之间取比例为
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