CN114854059B - 一种混编纤维增强复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种混编纤维增强复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114854059B
CN114854059B CN202210439971.0A CN202210439971A CN114854059B CN 114854059 B CN114854059 B CN 114854059B CN 202210439971 A CN202210439971 A CN 202210439971A CN 114854059 B CN114854059 B CN 114854059B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mixed
fiber
layer
composite material
reinforced composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210439971.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114854059A (zh
Inventor
叶金蕊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN202210439971.0A priority Critical patent/CN114854059B/zh
Priority to PCT/CN2022/093326 priority patent/WO2023206639A1/zh
Publication of CN114854059A publication Critical patent/CN114854059A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114854059B publication Critical patent/CN114854059B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • C08J5/046—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with synthetic macromolecular fibrous material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/34—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/36—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and impregnating by casting, e.g. vacuum casting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • C08J5/0405—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres
    • C08J5/043—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres with glass fibres
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2361/00—Characterised by the use of condensation polymers of aldehydes or ketones; Derivatives of such polymers
    • C08J2361/04—Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only
    • C08J2361/06—Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only of aldehydes with phenols
    • C08J2361/14—Modified phenol-aldehyde condensates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2467/00—Characterised by the use of polyesters obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain; Derivatives of such polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2477/00—Characterised by the use of polyamides obtained by reactions forming a carboxylic amide link in the main chain; Derivatives of such polymers
    • C08J2477/10—Polyamides derived from aromatically bound amino and carboxyl groups of amino carboxylic acids or of polyamines and polycarboxylic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2479/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing nitrogen with or without oxygen, or carbon only, not provided for in groups C08J2461/00 - C08J2477/00
    • C08J2479/04—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain; Polyhydrazides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20—Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22—Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2227—Oxides; Hydroxides of metals of aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/38—Boron-containing compounds
    • C08K2003/382—Boron-containing compounds and nitrogen
    • C08K2003/385—Binary compounds of nitrogen with boron

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

本发明提供了一种混编纤维增强复合材料及其制备方法，涉及复合材料技术领域，该制备方法包括：(1)将芳纶纤维、PBO纤维、玻璃纤维和聚酯纤维进行交替编织，得到混编层；(2)在混编层上铺放陶瓷粉，得到单层混编复材；(3)将至少两层单层混编复材依次叠放后，再叠放一层混编层，得到混编纤维织物；其中，相邻的混编层之间中均有陶瓷粉；(4)将混编纤维织物置于模具中，并向模具内注入树脂胶液进行固化，得到混编纤维增强复合材料。本发明提供的混编纤维增强复合材料具有优异的强韧性度和导热性，在提高纤维体积含量的同时，能避免所制备的混编纤维增强复合材料出现白斑、渗透不充分等缺陷。

Description

一种混编纤维增强复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种混编纤维增强复合材料及其制备方法。
背景技术
随着树脂基复合材料在航空航天、特高压输电等领域的应用拓展，目前对该类材料的力学性能及质量均匀性与可靠性不断提出更高的要求。对于纤维增强树脂基复合材料而言，其力学性能与所含纤维体积含量密切相关，随着纤维体积含量的增大，其力学性能也逐渐升高。由于纤维织物的结构形式对渗透率有较大影响，同种织物渗透率随纤维体积百分含量的升高而降低，因而纤维体积含量过高时，成型后的产品内容易出现白斑、渗透不充分等现象。
芳纶纤维由于力学性能突出、绝缘性能优良、阻燃性和热稳定性高等特点，常用于制备增强树脂基复合材料，并已广泛应用于特高压(1000KV以上)输电领域的诸多关键部位。但由于芳纶纤维具有高结晶度、表面化学活性基团少等缺点，其成型能力较差，且与树脂基体结合能力相对较差，树脂浸润性差，且填充树脂后的复合材料含胶量不均匀。同时，目前常规的织物设计方法往往不能解决纤维体积提高后成型的树脂基复合材料易出现白斑、渗透不充分等缺陷的问题，或仍会因这类缺陷导致成型后的复合材料内的层间剪切强度过低；而且现有纤维增强树脂基复合材料的导热性也较差，导致特高压输电领域设备运行过程中的芳纶复合材料绝缘件故障偶有发生。因此亟需新的织物设计方式以及工艺方法，以为树脂基材料提供更广泛的应用。
发明内容
本发明实施例提供了一种混编纤维增强复合材料及其制备方法，该混编纤维增强复合材料具有优异的强韧性度和导热性，解决了纤维体积提高后成型的树脂基复合材料易出现白斑、渗透不充分等缺陷的问题。
第一方面，本发明提供了一种混编纤维增强复合材料，所述制备方法包括：
(1)将芳纶纤维、PBO纤维、玻璃纤维和聚酯纤维进行交替编织，得到混编层；
(2)在所述混编层上铺放陶瓷粉，得到单层混编复材；
(3)将至少两层所述单层混编复材依次叠放后，再叠放一层所述混编层，得到混编纤维织物；其中，相邻的混编层之间中均有所述陶瓷粉；
(4)将所述混编纤维织物置于模具中，并向所述模具内注入树脂胶液进行固化，得到所述混编纤维增强复合材料。
优选地，所述混编层中各组分的体积分数如下：芳纶纤维15～20％、PBO纤维10～20％、玻璃纤维20～40％和聚酯纤维20～55％。
优选地，所述芳纶纤维、所述PBO纤维、所述玻璃纤维和所述聚酯纤维的直径均相同。
优选地，所述混编层以PBO纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为经纱，以芳纶纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为纬纱。
更优选地，所述经纱和所述纬纱的直径相同。
优选地，在步骤(1)中，在所述得到所述混编层之前，在所述进行交替编织之后，还包括：
对所述交替编织后得到的混编坯布进行预定形；
其中，所述预定形在定型机中进行，车速为10～20m/min，风机转速为1500～1800r/min，定形温度为150～180℃。
优选地，在步骤(1)中，所述交替编织采用纬编圆筒交织机，门副为100～150cm，所述混编层的厚度为0.5～1mm。
优选地，在步骤(2)中，所述陶瓷粉为氧化铝、氧化锆、氮化硅、氮化硼、碳化硼、碳化硅、硼化锆、碳化锆中的至少一种。
优选地，在步骤(2)中，所述陶瓷粉的粒径为20～80μm。
更优选地，在步骤(2)中，所述陶瓷粉的粒径为50～80μm。
优选地，在步骤(2)中，所述单层混编复材由混编层和陶瓷粉层组成，所述陶瓷粉层的厚度为0.1～0.5mm。
优选地，在步骤(4)中，所述混编纤维织物的底面积小于所述模具的底面积，以使所述混编纤维织物的四周设有供所述树脂胶液流动的环形流道。
优选地，所述步骤(4)包括如下子步骤：
将所述混编纤维织物置于模具中，依次进行预压、法向缝合和压制，以使所述混编纤维织物的厚度与所述模具的高度相同，并将所述树脂胶液分批次注入所述模具中，待所述混编纤维织物达到吸附饱和后进行固化，得到所述混编纤维增强复合材料。
优选地，所述法向缝合采用玻璃纤维为缝合线。
优选地，在步骤(4)中，所述固化的温度为80～180℃，固化时间为6～8h。
优选地，在步骤(4)中，所述注入树脂胶液采用真空吸注方式。
第二方面，本发明提供了一种混编纤维增强复合材料，采用上述第一方面所述的混编纤维增强复合材料的制备方法制备得到。
优选地，所述混编纤维增强复合材料中纤维体积分数为40～55％。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
(1)本发明通过对纤维编织方式以及铺层的设计，采用PBO纤维、芳纶纤维、玻璃纤维及聚酯纤维制备的混编层不仅具有较高的强韧性，而且导流效果优异，提高了树脂胶液的浸润性，从而改善了树脂胶液填充后含胶量不均匀，强度下降的问题；同时成本较低，应用更为广泛。此外，通过在混编层之间铺放陶瓷粉，使得混编纤维织物的厚度更均匀，增加了混编纤维增强复合材料的导热性、耐高温性能和耐压等级，同时分散的陶瓷粉还增加了层与层之间的树脂胶液的流动，更有利于树脂胶液均匀地浸润至每层混编层中，从而使混编纤维增强复合材料的性能更均一。
(2)本发明通过预压提高复合材料的纤维体积含量，改善混编纤维织物的结构均匀性和厚度均匀性，保证织物整体刚度及树脂浸润通道的同时提高纤维体积含量；同时在预压后进行法向缝合以提高该复合材料层间的结合力，扩大该复合材料应用范围的同时保证了其不变形；成型前再次对缝合后的混编纤维织物进行压制，能进一步增大该复合材料中的纤维体积含量。此外，本发明通过分批次注入树脂胶液的方式，在确保高纤维体积含量的同时，避免成型后的树脂基复合材料出现白斑、渗透不充分等缺陷。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种混编纤维增强复合材料的制备方法的流程图；
图2是本发明一实施例提供的一种真空吸注系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种混编纤维增强复合材料，如图1所述，制备方法包括：
(1)将芳纶纤维、PBO纤维、玻璃纤维和聚酯纤维进行交替编织，得到混编层；
(2)在混编层上铺放陶瓷粉，得到单层混编复材；
(3)将至少两层单层混编复材依次叠放后，再叠放一层混编层，得到混编纤维织物；其中，相邻的混编层之间中均有陶瓷粉；
(4)将混编纤维织物置于模具中，并向模具内注入树脂胶液进行固化，得到混编纤维增强复合材料。
需要说明的是，混编纤维织物的结构为混编层-陶瓷粉层-混编层-陶瓷粉层……混编层-陶瓷粉层-混编层；其中，混编层-陶瓷粉层即为单层混编复材。
在本发明中，采用具有高比强度和优异韧性的PBO纤维及芳纶纤维，刚度好且能导流的玻璃纤维，成本低的聚酯纤维共同编织制备的混编层，不仅具有较高的强韧性，且导流效果优异，从而改善了树脂填充后含胶量不均匀，强度下降的问题；且成本较低，应用更为广泛。
在本发明中，混编纤维织物由交替设置的混编层和陶瓷粉组成，如此既能减小混编层与混编层之间的孔隙率，避免混编层铺层过多时层与层之间可能会产生气孔；又能通过陶瓷粉颗粒间的缝隙为树脂流动提供更多通道，有效加快树脂流动速度，进而在保证混编层强度的同时，有效改善树脂填充后含胶量不均匀的问题；同时使得制备的混编纤维增强复合材料具有优异的强韧性度和导热性。
根据一些优选的实施方式，混编层中各组分的体积分数如下：芳纶纤维15～20％(例如，可以为15％、16％、17％、18％、19％或20％)、PBO纤维10～20％(例如，可以为10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％)、玻璃纤维20～40％(例如，可以为20％、22％、24％、25％、26％、28％、30％、32％、34％、35％、36％、38％或40％)和聚酯纤维20～55％(例如，可以为20％、22％、25％、26％、28％、30％、32％、35％、36％、38％、40％、42％、45％、46％、48％、50％、52％或55％)。
具体地，可以根据实际需求在上述范围内对芳纶纤维、PBO纤维、玻璃纤维和聚酯纤维的体积分数进行限定。通过设计耐高电压复合材料用混编纤维布中各组分的体积分数，使得混编纤维布兼具优异的强韧性、刚度、良好的树脂浸润性和低成本。当其他组分的体积分数限定为上述范围内时，若PBO纤维体积分数过多，则会增加该混编纤维布的成本，反之则会影响混编纤维布的强韧性；若玻璃纤维体积分数过多，则会降低混编纤维布的韧性，反之则会影响混编纤维布的浸润性。
根据一些优选的实施方式，芳纶纤维、PBO纤维、玻璃纤维和聚酯纤维的直径均相同。
在本发明中，为了避免PBO纤维、芳纶纤维、玻璃纤维及聚酯纤维四种纤维直径不同造成铺层过多时层与层之间可能会产生气孔，还可以通过设计芳纶纤维、PBO纤维、玻璃纤维和聚酯纤维的直径均相同来避免该问题，以减小层与层之间的孔隙率，同时简化交替编织时的编织工艺。
根据一些优选的实施方式，所述混编层以PBO纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为经纱，以芳纶纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为纬纱。
根据一些更优选的实施方式，经纱和纬纱的直径相同。
在本发明中，对经纱和纬纱中聚酯纤维、玻璃纤维的用量并无限定，优选为满足经纱和纬纱直径相同即可。
在本发明中，通过上述方式设计经纱和纬纱，能够保证经纱和纬纱均具有一定的强度、韧性和导流性，使得制备的混编层的性能分布较为均匀。当经纱和纬纱的直径相同，则能进一步使经纬向的力学强度和性能基本相同。
根据一些优选的实施方式，在交替编织前，还包括：
对芳纶纤维、PBO纤维、玻璃纤维和聚酯纤维进行预处理；其中，预处理为采用无水乙醇进行清洗，然后置于80～90℃(例如，可以为80℃、85℃或90℃)下烘干2～3h(例如，可以为2h、2.5h或3h)。
根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中，在得到混编层之前，在进行交替编织之后，还包括：
对交替编织后得到的混编坯布进行预定形；
其中，预定形在定型机中进行，车速为10～20m/min(例如，可以为10m/min、12m/min、15m/min、18m/min或20m/min)，风机转速为1500～1800r/min(例如，可以为1500r/min、1550r/min、1600r/min、1650r/min、1700r/min、1750r/min或1800r/min)，定形温度为150～180℃(例如，可以为150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃或180℃)。
在本发明中，由于不同种类纤维的弹性模量不同，编织后的混编层存在内部张力，为了避免该内部张力导致混编层起皱，甚至影响后续混编纤维增强复合材料的力学性能，需要通过预定形释放该内部张力。
根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中，交替编织采用纬编圆筒交织机，门副为100～150cm(例如，可以为100cm、110cm、120cm、130cm、140cm或150cm)，混编层的厚度为0.5～1mm(例如，可以为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm)。
根据一些优选的实施方式，在步骤(2)中，陶瓷粉为氧化铝、氧化锆、氮化硅、氮化硼、碳化硼、碳化硅、硼化锆、碳化锆中的至少一种。
需要说明的是，至少一种即为任意一种或任意几种以任意比例混合的混合物。
根据一些优选的实施方式，在步骤(2)中，陶瓷粉的粒径为20～80μm(例如，可以为20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm或80μm)。
根据一些更优选的实施方式，在步骤(2)中，陶瓷粉的粒径为50～80μm(例如，可以为50μm、52μm、55μm、58μm、60μm、62μm、65μm、68μm、70μm、72μm、75μm、78μm或80μm)。
根据一些优选的实施方式，在步骤(2)中，单层混编复材由混编层和陶瓷粉层组成，陶瓷粉层的厚度为0.1～0.5mm(例如，可以为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm或0.5mm)。
在本发明中，通过将陶瓷粉的粒径限定为上述范围内，既能避免陶瓷粉进入混编层的孔隙中阻碍树脂胶液的流通，又能避免混编层铺层过多时层与层之间产生气孔，同时通过设置较薄的陶瓷粉层使其能进一步有利于树脂胶液的流动和渗透。
在本发明中，经实验证实，陶瓷粉层的厚度低于0.1mm时，制备工艺操作较为复杂，且不可控；而陶瓷粉层的厚度高于0.5mm时，则会阻碍树脂胶液的流通，影响混编纤维织物的浸润性。
根据一些优选的实施方式，在步骤(4)中，混编纤维织物的底面积小于模具的底面积，以使混编纤维织物的四周设有供树脂胶液流动的环形流道。
在一个或多个实施方式中，环形流道的宽为2～4mm(例如，可以为2mm、2.5mm、3mm、3.5mm或4mm)。
需要说明的是，通过设置混编纤维织物的底面积小于模具的底面积，能够使混编纤维织物充分浸润在树脂胶液中，为并树脂胶液流动提供流道。
根据一些优选的实施方式，步骤(4)包括如下子步骤：
将混编纤维织物置于模具中，依次进行预压、法向缝合和压制，以使混编纤维织物的厚度与模具的高度相同，并将树脂胶液分批次注入模具中，待混编纤维织物达到吸附饱和后进行固化，得到混编纤维增强复合材料。
根据一些更优选的实施方式，法向缝合采用玻璃纤维为缝合线。
具体地，在本发明中，预压包括对混编纤维织物进行压制，以使混编纤维织物的厚度高出模具高度1～4mm(例如，可以为1mm、2mm、3mm或4mm)；然后将预压后的混编纤维织物进行法向缝合，使混编纤维织物更致密且不会变形，并提高该复合材料层间的结合力；最后将经法向缝合后的混编纤维织物再次进行压制，以使混编纤维织物的厚度与模具的高度相同，使混编纤维织物更致密，进而使得浸润树脂后的混编纤维增强复合材料中的纤维体积含量更高。
具体地，本发明通过分批次间歇式将树脂胶液注入模具中，能使混编纤维织物中的玻璃纤维充分且均匀地将每次注入的树脂胶液充分浸润到混编纤维织物的内部。
在本发明中，采用玻璃纤维作为法向缝合的缝合线，能进一步通过玻璃纤维增强混编纤维织物的浸润性。
根据一些优选的实施方式，在步骤(4)中，固化的温度为80～180℃(例如，可以为80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃或180℃)，固化时间为6～8h(例如，可以为6h、6.5h、7h、7.5h或8h)。
根据一些优选的实施方式，在步骤(4)中，注入树脂胶液采用真空吸注方式。
在本发明中，以真空吸注的方式注入树脂胶液时，由于采用了分批次间歇式将树脂胶液注入模具中，还能避免一次性真空吸注树脂胶液过程中混编纤维织物内部易出现气泡的问题。
需要说明的是，本发明对于树脂胶液没有特别的限制，本领域技术人员可以根据实际需要选择树脂胶液的种类。例如，树脂胶液包括但不限于酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺、硅橡胶、顺丁橡胶。
本发明还提供了一种混编纤维增强复合材料，采用上述混编纤维增强复合材料的制备方法制备得到。
根据一些优选的实施方式，混编纤维增强复合材料中纤维体积分数为40～55％(例如，可以为40％、42％、45％、46％、50％、52％或55％)。
为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点，下面通过几个实施例对一种混编纤维增强复合材料及其制备方法进行详细说明。
首先，以下实施例中，将树脂胶液分批次注入模具中包括：采用如图2所示的真空吸注系统，其中，氮气瓶201与反应釜202相连接，放置树脂胶液的反应釜202与模具203相连接，模具203与分离器204相连接，分离器204与真空泵205相连接；
具体地，采用真空泵对模具进行抽真空处理，同时将树脂胶液加热至粘度最小时所对应的温度后，并将树脂胶液倒入反应釜中，然后密封反应釜，反应釜与模具的进胶口相连接。初始时，模具进胶口与反应釜之间的第一开关处于关闭状态，对反应釜进行加压，当反应釜内压力施加至0.3MPa以上时，关闭模具出胶口的第二开关，打开第一开关，树脂胶液将会迅速从反应釜进入模具内，继续对反应釜充压，然后关闭第一开关，打开第二开关，对模具进行抽真空处理，即完成一次真空吸注。循环该充压抽真空过程，即进行多次真空吸注，直至打开第二开关后出胶口有树脂胶液流出，此时待混编纤维织物已达到吸附饱和；
需要说明的是，当分离器中有树脂胶液时，即认为待混编纤维织物已达到吸附饱和。
其次，以下实施例中所采用的芳纶纤维、PBO纤维、玻璃纤维和聚酯纤维的直径和规格均相同。
实施例1
混编层中各组分的体积分数如下：芳纶纤维15％、PBO纤维15％、玻璃纤维30％和聚酯纤维40％；
采用的模具的型腔有效尺寸(即底面尺寸)为321mm*221mm，模具的高度为20mm，混编纤维织物的底面尺寸为320mm*220mm。
按照上述配比制备混编纤维增强复合材料的制备方法：
(1)以15％PBO纤维、20％聚酯纤维和15％玻璃纤维为经纱，以15％芳纶纤维、20％聚酯纤维和15％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机进行编织，得到混编坯布；
将混编坯布放入定型机中，并在车速为15m/min，风机转速为1600r/min，定形温度为160℃的条件下进行预定形，得到混编层；其中，混编层的厚度为0.5mm；
(2)在混编层上铺放粒径为50μm的氧化铝粉，得到单层混编复材；其中，陶瓷粉层的厚度为0.25mm；
(3)将30层单层混编复材依次叠放后，再叠放一层混编层，得到混编纤维织物；其中，相邻的混编层之间中均有氧化铝粉；
(4)将混编纤维织物置于模具中，进行预压，以使混编纤维织物高出模具型腔厚度2～4mm，然后用针刺缝合机构以玻璃纤维为缝合线，对预压后的混编纤维织物进行法向缝合，缝合间距为8mm*8mm，再次对该混编纤维织物进行压制，以使混编纤维织物的厚度与模具的高度相同；
将二甲苯改性酚醛树脂分批次注入模具中，待混编纤维织物达到吸附饱和后于100℃下固化8h，得到混编纤维增强复合材料。
实施例2
混编层中各组分的体积分数如下：芳纶纤维20％、PBO纤维20％、玻璃纤维30％和聚酯纤维30％；
采用的模具的型腔有效尺寸(即底面尺寸)为321mm*221mm，模具的高度为20mm，混编纤维织物的底面尺寸为320mm*220mm。
按照上述配比制备混编纤维增强复合材料的制备方法：
(1)以20％PBO纤维、15％聚酯纤维和15％玻璃纤维为经纱，以20％芳纶纤维、15％聚酯纤维和15％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机进行编织，得到混编坯布；
将混编坯布放入定型机中，并在车速为20m/min，风机转速为1800r/min，定形温度为180℃的条件下进行预定形，得到混编层；其中，混编层的厚度为0.5mm；
(2)在混编层上铺放粒径为80μm的氮化硼粉，得到单层混编复材；其中，陶瓷粉层的厚度为0.4mm；
(3)将25层单层混编复材依次叠放后，再叠放一层混编层，得到混编纤维织物；其中，相邻的混编层之间中均有氮化硼粉；
(4)将混编纤维织物置于模具中，进行预压，以使混编纤维织物高出模具型腔厚度2～4mm，然后用针刺缝合机构以玻璃纤维为缝合线，对预压后的混编纤维织物进行法向缝合，缝合间距为8mm*8mm，再次对该混编纤维织物进行压制，以使混编纤维织物的厚度与模具的高度相同；
将二甲苯改性酚醛树脂分批次注入模具中，待混编纤维织物达到吸附饱和后于100℃下固化8h，得到混编纤维增强复合材料。
实施例3
实施例3与实施例1基本相同，其不同之处在于：
混编层中各组分的体积分数如下：芳纶纤维15％、PBO纤维10％、玻璃纤维20％和聚酯纤维55％；
在步骤(1)中，以10％PBO纤维、30％聚酯纤维和10％玻璃纤维为经纱，以15％芳纶纤维、25％聚酯纤维和10％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机进行编织，得到混编坯布；
将混编坯布放入定型机中，并在车速为10m/min，风机转速为1500r/min，定形温度为150℃的条件下进行预定形，得到混编层；其中，混编层的厚度为0.5mm。
实施例4
实施例4与实施例1基本相同，其不同之处在于：
在步骤(2)中，在混编层上铺放粒径为50μm的氧化铝粉，得到单层混编复材；其中，陶瓷粉层的厚度为0.1mm；
在步骤(3)中，将37层单层混编复材依次叠放后，再叠放一层混编层，得到混编纤维织物；其中，相邻的混编层之间中均有氧化铝粉。
实施例5
实施例5与实施例1基本相同，其不同之处在于：
以15％PBO纤维、30％聚酯纤维和5％玻璃纤维为经纱，以15％芳纶纤维、10％聚酯纤维和25％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机编织，得到混编层。
实施例6
实施例6与实施例1基本相同，其不同之处在于：
以15％PBO纤维、6％聚酯纤维和29％玻璃纤维为经纱，以15％芳纶纤维、34％聚酯纤维和1％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机编织，得到混编层。
实施例7
实施例7与实施例1基本相同，其不同之处在于：
混编层中各组分的体积分数如下：芳纶纤维20％、PBO纤维20％、玻璃纤维40％和聚酯纤维20％；
在步骤(1)中，以20％PBO纤维、10％聚酯纤维和20％玻璃纤维为经纱，以20％芳纶纤维、10％聚酯纤维和20％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机进行编织，并于定型机中进行预定形，得到混编层；其中，混编层的厚度为0.5mm。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同，其不同之处在于：未加入氧化铝粉；
具体地，在步骤(2)和步骤(3)中，将46层混编层叠放，得到混编纤维织物。
对比例2
对比例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：未采用混编层，直接采用纯芳纶纤维布；
具体地，采用的模具的型腔有效尺寸(即底面尺寸)为321mm*221mm，模具的高度为20mm，纤维织物的底面尺寸为320mm*220mm；
纤维增强复合材料的制备方法：
(1)在厚度为0.5mm的纯芳纶纤维布上铺放粒径为50μm的氧化铝粉，得到单层混编复材；其中，陶瓷粉层的厚度为0.25mm；
(2)将30层单层混编复材依次叠放后，再叠放一层纯芳纶纤维布，得到纤维织物；其中，相邻的混编层之间中均有氧化铝粉；
(3)将纤维织物置于模具中，进行预压，以使纤维织物高出模具型腔厚度2～4mm，然后用针刺缝合机构以玻璃纤维为缝合线，对预压后的纤维织物进行法向缝合，缝合间距为8mm*8mm，再次对该纤维织物进行压制，以使纤维织物的厚度与模具的高度相同；
将二甲苯改性酚醛树脂分批次注入模具中，待纤维织物达到吸附饱和后于100℃下固化8h，得到纤维增强复合材料。
对比例3
对比例3与实施例1基本相同，其不同之处在于：
混编层中各组分的体积分数如下：芳纶纤维40％、玻璃纤维30％和聚酯纤维30％；
在步骤(1)中，以20％芳纶纤维、15％聚酯纤维和10％玻璃纤维分别为经纱和纬纱，采用纬编圆筒交织机进行编织，并于定型机中进行预定形，得到混编层；其中，混编层的厚度为0.5mm。
对比例4
对比例4与实施例1基本相同，其不同之处在于：未分批次将树脂胶液注入模具中；
具体地，在步骤(4)中，采用如图2所示的真空吸注系统，将二甲苯改性酚醛树脂一次性注入模具中，待混编纤维织物达到吸附饱和后于100℃下固化8h，得到混编纤维增强复合材料。
将实施例1至7制备的混编纤维增强复合材料以及对比例1至4所制备的纤维增强复合材料作为试样进行力学性能测试，得到其拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、层间剪切强度如表1所示；同时对上述试样进行耐压试验。
表1
Figure BDA0003614704710000131
其中，表中“-”表示不存在对应数据。
由表1可知，本发明实施例所制备的混编纤维增强复合材料，具有优异的力学性能，且尺寸稳定不易变形，具有优异的导热性和阻燃性，能耐特高压1100KV，稳定运行在1100KV及以上的特高压电压等级的输电线路上，为特高压输电线路建设提供优良的绝缘子产品。同时，该混编纤维增强复合材料的纤维体积含量更高，且其内部质量均匀，无富树脂、白斑等现象，结构和厚度均一性好。然而，对比例1所制备的纤维增强复合材料内部出现分层现象、部分区域出现白斑现象，故并未对其进行力学性能测试，经耐压试验发现所制备的纤维增强复合材料的耐压能力也有所降低；对比例2中采用纯芳纶纤维布，由于芳纶与树脂基体结合能力相对较差，导致树脂在芳纶纤维布的浸润性差，使得填充树脂后的复合材料含胶量不均匀，导致复合材料的层间剪切强度较低、拉伸强度较低；对比例3中未加入PBO纤维，导致该纤维增强复合材料的力学性能较差。而且对比例1至3所制备特高压绝缘拉杆的在1100KV的特高压下则会失效，且阻燃性能也低于本申请所制备的混编纤维增强复合材料。对比例4未采用间歇式分批次注入树脂胶液，使得制备的纤维增强复合材料内部存在气泡等缺陷，致密度较低，且混编纤维织物的浸润性差，进而导致纤维增强复合材料的力学性能较差。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (14)

1.一种混编纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
（1）将芳纶纤维、PBO纤维、玻璃纤维和聚酯纤维进行交替编织，得到混编层；所述混编层以PBO纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为经纱，以芳纶纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为纬纱；
（2）在所述混编层上铺放陶瓷粉，得到单层混编复材；
（3）将至少两层所述单层混编复材依次叠放后，再叠放一层所述混编层，得到混编纤维织物；其中，相邻的混编层之间中均有所述陶瓷粉；
（4）将所述混编纤维织物置于模具中，并向所述模具内注入树脂胶液进行固化，得到所述混编纤维增强复合材料；其中，将所述树脂胶液分批次注入所述模具中。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述混编层中各组分的体积分数如下：芳纶纤维15~20%、PBO纤维10~20%、玻璃纤维20~40%和聚酯纤维20~55%；和/或
所述芳纶纤维、所述PBO纤维、所述玻璃纤维和所述聚酯纤维的直径均相同。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述经纱和所述纬纱的直径相同。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中：
在所述得到所述混编层之前，在所述进行交替编织之后，还包括：
对所述交替编织后得到的混编坯布进行预定形；
其中，所述预定形在定型机中进行，车速为10~20m/min，风机转速为1500~1800r/min，定形温度为150~180℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中：
所述交替编织采用纬编圆筒交织机，门副为100~150cm，所述混编层的厚度为0.5~1mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中：
所述陶瓷粉为氧化铝、氧化锆、氮化硅、氮化硼、碳化硼、碳化硅、硼化锆、碳化锆中的至少一种；和/或
所述陶瓷粉的粒径为20~80μm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中：
所述陶瓷粉的粒径为50~80μm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中：
所述单层混编复材由混编层和陶瓷粉层组成，所述陶瓷粉层的厚度为0.1~0.5mm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤（4）中：
所述混编纤维织物的底面积小于所述模具的底面积，以使所述混编纤维织物的四周设有供所述树脂胶液流动的环形流道。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述步骤（4）包括如下步骤：
将所述混编纤维织物置于模具中，依次进行预压、法向缝合和压制，以使所述混编纤维织物的厚度与所述模具的高度相同，并将所述树脂胶液分批次注入所述模具中，待所述混编纤维织物达到吸附饱和后进行固化，得到所述混编纤维增强复合材料。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：
所述法向缝合采用玻璃纤维为缝合线。
12.根据权利要求1至11中任一所述的制备方法，其特征在于，在步骤（4）中：
所述固化的温度为80~180℃，固化时间为6~8h；和/或
所述注入树脂胶液采用真空吸注方式。
13.一种混编纤维增强复合材料，其特征在于，采用权利要求1至12中任一所述的制备方法制备得到。
14.根据权利要求13所述的混编纤维增强复合材料，其特征在于，所述混编纤维增强复合材料中纤维体积分数为40~55%。
CN202210439971.0A 2022-04-25 2022-04-25 一种混编纤维增强复合材料及其制备方法 Active CN114854059B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210439971.0A CN114854059B (zh) 2022-04-25 2022-04-25 一种混编纤维增强复合材料及其制备方法
PCT/CN2022/093326 WO2023206639A1 (zh) 2022-04-25 2022-05-17 一种混编纤维增强复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210439971.0A CN114854059B (zh) 2022-04-25 2022-04-25 一种混编纤维增强复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114854059A CN114854059A (zh) 2022-08-05
CN114854059B true CN114854059B (zh) 2022-11-01

Family

ID=82633470

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210439971.0A Active CN114854059B (zh) 2022-04-25 2022-04-25 一种混编纤维增强复合材料及其制备方法

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN114854059B (zh)
WO (1) WO2023206639A1 (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113912405A (zh) * 2020-07-09 2022-01-11 南京航空航天大学 一种混编纤维预制体增强的复合材料及其制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05238814A (ja) * 1991-02-01 1993-09-17 Nippon Cement Co Ltd 複合体の製造方法
JP2004067487A (ja) * 2002-08-09 2004-03-04 Toyo Tanso Kk セラミックス混合炭素繊維強化炭素複合材料
US8298969B2 (en) * 2009-08-19 2012-10-30 Milliken & Company Multi-layer composite material
CN104626601A (zh) * 2015-01-30 2015-05-20 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 一种碳纤维混杂树脂基复合材料及其制备方法
US20170297295A1 (en) * 2016-04-15 2017-10-19 Honeywell International Inc. Blister free composite materials molding
CN106113524A (zh) * 2016-06-29 2016-11-16 华东理工大学 一种预浸带、混纤纱编织物的缝编及其压制成型方法
CN106863847B (zh) * 2017-01-25 2018-03-23 汕尾比亚迪实业有限公司 一种纤维增强树脂产品及其成型方法
GB2582285B (en) * 2019-03-08 2021-03-17 Gurit Uk Ltd Fire-retardant composite materials

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113912405A (zh) * 2020-07-09 2022-01-11 南京航空航天大学 一种混编纤维预制体增强的复合材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114854059A (zh) 2022-08-05
WO2023206639A1 (zh) 2023-11-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1906233B (zh) 复合材料的可稳定预成形前体和稳定的预成形制品及其稳定和压实的方法
CN107245810B (zh) 碳纤维长纤增强聚醚醚酮基复合材料及其制备方法
CN102173153A (zh) 一种纤维增强复合材料的制备方法
CN102166862A (zh) 一种促进树脂流动的高性能预制增强织物及其制备方法
US6902800B2 (en) Composite
CN111169045B (zh) 风电叶片主梁片材拉挤成型浸胶装置、模具、设备及方法
CN103437021B (zh) Pp纤维-玻璃纤维复合纤维布及其制备方法与应用
CN114854059B (zh) 一种混编纤维增强复合材料及其制备方法
CN114133606A (zh) 高韧性热固性树脂基预浸料的制备方法及系统
KR101135406B1 (ko) 무권축 함침 가능 보강 직물과 이로부터 만들어진 복합보강재
AU2001290149B2 (en) A composite
CN114407227B (zh) 一种高层密扁平碳纤维梯度缝合预制体及制备方法
AU2001290149A1 (en) A composite
CN112721240B (zh) 增韧的树脂传递模塑成型纤维铺缝复合材料及其制备方法
CN111002506B (zh) 一种复合材料及其ooa制备方法
KR102656324B1 (ko) 샌드위치 형태의 복합 재료의 제조를 위한 방법
CN108839357B (zh) 一种带粉体填料复合材料的热压成型制备方法
CN114311870A (zh) 一种防热隔热双梯度功能复合材料及其制备方法
KR102070596B1 (ko) 섬유강화수지를 제조하기 위한 유로매체와 이를 포함한 복합매트 및 이를 사용한 진공성형 방법
CN115341324A (zh) 一种纤维增强复合材料及其制备方法
CN111118704A (zh) 一种高性能三维正交绿色复合材料材料的制备方法及其专用设备
CN115341294B (zh) 一种热塑性纤维及其共织增强复合材料的制备方法
CN114771052B (zh) 一种耐高电压复合材料用混编纤维布及其制备方法
CN116238095A (zh) 一种碳碳筒柱的制备方法
CN116355357A (zh) 一种长-短碳纳米管增强增韧纤维复合材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant