CN206983405U - 一种碳纤维预浸料及复合材料层合板 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种碳纤维预浸料，该碳纤维预浸料包括碳纤维层和树脂层，其中，碳纤维层的质量百分比为50～70％，所述碳纤维预浸料的厚度为0.02～0.2mm，所述碳纤维层的面密度为(20～200)±Dg/m²，面密度公差D≤5。通过对碳纤维层、树脂层以及树脂层对碳纤维层的浸润作用等的研究与优化，制得的碳纤维预浸料外观缺陷少，综合性能佳，并能有效提高复合材料层合板各项性能。本实用新型还提供一种使用上述纤维预浸料制备的复合材料层合板。

Description

一种碳纤维预浸料及复合材料层合板

技术领域

本实用新型涉及复合材料领域，尤其涉及一种碳纤维预浸料及复合材料层合板。

背景技术

高性能碳纤维增强树脂基复合材料以其高比强、高比模、性能可设计性及综合性能优异等特点而在航空、航天、兵器和船舰等领域得到普遍重视，并已在航空航天领域得到了较广泛的应用。特别是先进军用飞机，为提高战技性能，降低结构重量，需大量采用高性能碳纤维增强树脂基复合材料。

其中，碳纤维预浸料是制备高性能碳纤维复合材料重要的中间材料，并且，碳纤维预浸料性能对复合材料性能影响较大，例如，预浸料厚度将影响层合复合材料的设计空间；预浸料浸润均匀性，有无树脂堆积以及纤维损伤性等将影响复合材料的力学性能。

目前，碳纤维预浸料主要存在下述技术问题：第一，碳纤维层存在缝隙、间隙、或不平整等缺陷，容易导致树脂堆积，影响复合材料性能。

第二，碳纤维层面密度较大，严重限制了其在薄壁制件中的应用，不能满足高端复合材料领域的要求，并且纤维层常采用小丝束纤维进行扩展，扩展倍率低，生产成本高，生产效率低。

第三，碳纤维层的纤维损伤问题及树脂与碳纤维层的浸润性同样影响复合材料的力学性能。

因此，通过对碳纤维预浸料的碳纤维层、树脂以及树脂对纤维层的浸润研究，研制出一种外观质量佳，综合性能强，生产成本低的碳纤维预浸料具有重要意义。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种解决以上问题的碳纤维预浸料及复合材料层合板。

本实用新型提供了一种碳纤维预浸料，该碳纤维预浸料包括碳纤维层和树脂层，其中，碳纤维层的质量百分比为50～70％，所述碳纤维预浸料的厚度为0.02～0.2mm，所述碳纤维层的面密度为(20～200)±Dg/m²，面密度公差D≤5。

其中，所述树脂层的树脂玻璃化转变温度为120～150℃。

其中，所述树脂层为环氧树脂层，并且环氧树脂的固化温度为120～150℃。

其中，所述树脂层为环氧树脂层，并且环氧树脂层的固化温度为125～135℃。

其中，所述碳纤维层使用牌号为T700SC-12K或M30SC-18K的碳纤维丝束制得。

其中，所述碳纤维层为碳纤维编织布，所述碳纤维编织布组织包括平纹组织或斜纹组织，并且经纱与纬纱均为碳纤维展宽丝，所述碳纤维展宽丝的宽度为W，W＝(8～34)±W_Dmm，公差W_D≤3。

其中，所述碳纤维展宽丝复丝拉伸强度为4700～5200MPa。

其中，所述碳纤维编织布的纬纱弧度H范围为0±3mm。

其中，所述碳纤维层使用牌号为T700SC-12K的碳纤维丝束制得，所述碳纤维层为碳纤维平纹编织布，且面密度为(48～200)±Dg/m²，纬纱密度控制为(200mm/W±D/4)根/200mm。

其中，所述碳纤维层是使用超声合并扩展工艺制得的单向碳纤维层。

本实用新型还提供一种使用上述碳纤维预浸料制备而成的复合材料层合板。

本实用新型的有益效果包括：

一、本实用新型为薄层预浸料，通过对预浸料中低克重的碳纤维层的质量与树脂层的质量之比进行了优化，能有效提高预浸料性能，并增加复合材料的力学性能。

二、本实用新型通过对碳纤维层进行控制，能够有效解决树脂堆积、纤维克重不稳定、树脂浸润不均匀等问题，改善预浸料性能。

三、本实用新型通过对树脂性质及树脂对碳纤维的浸润作用进行了研究，制得的预浸料厚度薄、浸润效果佳，综合性能强。

四、本实用新型使用大丝束纤维束进行预浸料的制备，有效提高预浸料制备的层合板力学性能的同时，有效提高生产效率，大幅降低生产成本。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且与描述一起用于解释本实用新型的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1纤维预浸料分解示意图；

图2本实用新型的一个实施例的纤维层的平面示意图；

图3本实用新型的另一个实施例的纤维层的平面示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本实用新型的主要思想是提供一种纤维预浸料，解决现有技术中碳纤维预浸料存在的外观缺陷大、综合性能差、成本较高等问题。

参照附图1，本实用新型提供了一种碳纤维预浸料，该碳纤维预浸料包括碳纤维层和树脂层，由该碳纤维预浸料的分解图即制备之前的料坯示意图1可知，依次包括第一树脂层1、碳纤维层2和第二树脂层3，其中第一树脂层1与第二树脂层3分设在碳纤维层2的上下方，最后浸润至碳纤维层中制得碳纤维预浸料，因此，树脂层的质量为图中第一树脂层1与第二树脂层3相应质量之和。

本实用新型限定，预浸料的厚度为0.02～0.2mm，碳纤维层的面密度为(20～200)±Dg/m²，其中D为面密度公差，表示面密度的允许变动量，实用新型中保护的范围包括参数上下偏离公差的最大值、最小值及其之间的范围。例如面密度为20±Dg/m²，则该面密度的范围的端点值分别为(20-D)g/m²和(20+D)g/m²，并且D≤5。该碳纤维预浸料纤维层克重较低，并且厚度薄，能满足薄壁制件的设计要求。

并且，碳纤维层的质量百分比为50～70％。该比例的限定能够有效提高预浸料性能，并增加制备复合材料后的材料的综合力学性能。

树脂层性质对预浸料中树脂与纤维的浸润效果有重要影响，进而影响预浸料以及预浸料制备的复合材料的力学性能。本实用新型限定树脂层的树脂玻璃化转变温度为为120～150℃，该温度下的树脂层具有更好的加工及涂膜性能和一般适用性。优选地，树脂层选用环氧树脂层，并且环氧树脂的固化温度为120～150℃。在某些实施例中环氧树脂的固化温度优选为125～135℃，最优选为125～133℃。在某些实施中，环氧树脂的固化温度优选为145～150℃。上述树脂特别适合本实用新型薄层预浸料的制备，与低克重碳纤维层浸润效果佳，制得的预浸料性能优异。

优选地，树脂层可选用牌号为YPH-601、YPH-23N、YPH-307G、YPH-502的环氧树脂制得的树脂层。具体树脂层的选择与纤维层、预浸料以及最终复合材料制件的用途相关，在某些实施例中，使用牌号为YPH-601制得的环氧树脂层与平纹编织布制得的预浸料性能优异。

本实用新型碳纤维层为使用牌号为T700SC-12K或M30SC-18K的碳纤维丝束制得的碳纤维层。牌号为T700SC-12K和M30SC-18K的碳纤维丝束较大，由于小丝束价格较高，因此使用该大丝束碳纤维为原料进行制备纤维预浸料能够减少成本，并且能进一步提高纤维预浸料制备层合板的力学性能。

现有技术往往因碳纤维层缺陷，容易导致树脂浸润的均匀性不佳，影响复合材料性能。因此，本实用新型针对纤维层的结构进行了研究与限定。

碳纤维层可为碳纤维编织布，并且，经纱与纬纱均为碳纤维展宽丝，维编织布组织包括平纹组织或斜纹组织。将碳纤维丝束展宽为碳纤维展宽丝，进行碳纤维布的织造，不仅能够有效减少纤维束的屈曲现象，减少纤维层间隙，而且还能提高碳纤维布机械强度，更加轻薄。优选地，纤维展宽丝的宽度限定为(8～34)±W_Dmm，公差W_D≤3。公差W_D与上述面密度公差D类似，表示宽度的允许变化量，本实用新型中保护的范围包括参数上下偏离公差的最大值、最小值及其之间的范围。该宽度范围的展宽丝制得的编织布轻薄，性能佳，能够提高预浸料及复合材料的机械强度。

展宽丝往往存在纤维损伤等缺陷，进而影响碳纤维编织布及预浸料性能。本实用新型限定碳纤维展宽丝复丝拉伸强度为4700～5200MPa。优选地，复丝拉伸强度的离散系数为0～5％。符合该要求的碳纤维展宽丝纤维损伤小，准直性好，使得制得的碳纤维布能够克服性能缺陷，并且提高预浸料各项性能。

在碳纤维层的织造过程中，碳纤维编织布中部分纬纱可能出现凸起或凹起等弧形结构，纬纱弧度H具体是指弧形结构距离平面的最大偏离距离，本实用新型控制纬纱弧度H范围为0±3mm，进而保证编织布的外观及最终复合材料产品的各项力学性能。

参照附图2，碳纤维编织布组织可以为平纹组织，该平纹组织与织造技术中的平纹组织一致，指经纬组织点以1:1比例交替出现的一种基本组织，由经纱和纬纱一上一下相间交织而成。其中，碳纤维层使用牌号为T700SC-12K进行制备，碳纤维层面密度为(48～200)±Dg/m²，碳纤维展宽丝的宽度为(8～34)±W_Dmm，公差W_D≤3。制得的预浸料厚度为0.048～0.2mm，满足高端复合材料领域的要求。

具体地，碳纤维展宽丝宽度可选自8±0.5mm、10±0.7mm、16±1mm、20±1mm、27±2mm或34±2.5mm。使用牌号为T700SC-12K进行制备时，相应地，碳纤维编织布面密度可选自200±5g/m²、160±5g/m²、100±3g/m²、80±3g/m²、60±3g/m²或48±2g/m²。

另一方面，通过对碳纤维层的纬纱密度(根/200mm)进行了研究与限定，通过限定200mm的纬纱根数能够进一步控制碳纤维编织布间隙及平整度，保证碳纤维层的均匀性，其中，纬纱密度控制为(200mm/W±D/4)根/200mm，D为面密度公差，能够解决纤维层间隙问题，避免树脂堆积区的产生。优选地，相邻经纱之间的间隙或相邻纬纱之间的间隙小于2mm，改善预浸料性能。

参照附图3，碳纤维编织布组织可以为斜纹组织，该斜纹组织与织造技术中的斜纹组织一致，指相邻经/纬纱上连续的经/纬组织点排列成斜线、织物表面呈现连续斜线织纹的织物组织。斜纹组织一个组织循环的纱线数至少为3根，该碳纤维层制得的预浸料能够满足高端复合材料领域的要求。

碳纤维层可以为单向布，现有技术制得的碳纤维层是由展宽得到的多锭展宽丝束组成的，展宽丝束之间存在缝隙的可能性较大。本实用新型碳纤维层限定为使用超声合并扩展工艺制得的碳纤维层，该纤维层在多锭丝束展宽的过程中，展宽丝束同时进行合并，最大程度的减少不同锭展宽丝之间的缝隙，将多锭纱束展宽合并为均匀的纤维层，保证了预浸料优异的外观性能及力学性能，一般地，单向布面密度为20～133g/m²，最优选为20～40g/m²。

作为本实用新型的优选示例，树脂层为牌号为YPH-601、YPH-307G或YPH-23N的环氧树脂制得的树脂层。

纤维层为碳纤维平纹编织布，其中经纬纱为宽度相同的展宽丝，展宽丝宽度选自8±0.5mm、10±0.7mm、16±1mm、20±1mm、27±2mm或34±2.5mm，相应地，面密度选自200±5g/m²、160±5g/m²、100±3g/m²、80±3g/m²、60±3g/m²或48±2g/m²，并且纬纱密度选自(25±1.2)根/200mm、(20±1.2)根/200mm、(12.5±0.8)根/200mm、(10±0.8)根/200mm、(7.5±0.8)根/200mm或(6±0.6)根/200mm。

本实用新型控制上述参数，有效解决了树脂浸润不均匀、预浸料外观及力学性能不佳等技术问题。并且，本实用新型提供的薄层预浸料还可增加复合材料层合板的设计空间，提高复合材料层合板各项性能，本实用新型还保护一种使用上述纤维预浸料制备的复合材料层合板。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本实用新型的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种碳纤维预浸料，其特征在于，所述碳纤维预浸料包括碳纤维层和树脂层，其中，碳纤维层的质量百分比为50～70％，所述碳纤维预浸料的厚度为0.02～0.2mm，所述碳纤维层的面密度为(20～200)±Dg/m²，面密度公差D≤5。

2.如权利要求1所述的碳纤维预浸料，其特征在于，所述树脂层的树脂玻璃化转变温度为120～150℃。

3.如权利要求1所述的碳纤维预浸料，其特征在于，所述树脂层为环氧树脂层，并且环氧树脂的固化温度为120～150℃。

4.如权利要求1所述的碳纤维预浸料，其特征在于，所述碳纤维层使用牌号为T700SC-12K或M30SC-18K的碳纤维丝束制得。

5.如权利要求1～4中任一项所述的碳纤维预浸料，其特征在于，所述碳纤维层为碳纤维编织布，所述碳纤维编织布组织包括平纹组织或斜纹组织，并且经纱与纬纱均为碳纤维展宽丝，所述碳纤维展宽丝的宽度为W，W＝(8～34)±W_D mm，公差W_D≤3。

6.如权利要求5所述的碳纤维预浸料，其特征在于，所述碳纤维展宽丝复丝拉伸强度为4700～5200MPa。

7.如权利要求5所述的碳纤维预浸料，其特征在于，所述碳纤维编织布的纬纱弧度H范围为0±3mm。

8.如权利要求6或7所述的碳纤维预浸料，其特征在于，所述碳纤维层使用牌号为T700SC-12K的碳纤维丝束制得，所述碳纤维层为碳纤维平纹编织布，且面密度为(48～200)±Dg/m²，纬纱密度控制为(200mm/W±D/4)根/200mm。

9.如权利要求1所述的碳纤维预浸料，其特征在于，所述碳纤维层是使用超声合并扩展工艺制得的单向碳纤维层。

10.一种复合材料层合板，其特征在于，所述复合材料层合板使用如权利要求1～9中任一项所述的碳纤维预浸料制备而成。