專利名稱：一種增韌的疊層復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料的增韌技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種增韌的疊層復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的樹脂基疊層復(fù)合材料越來(lái)越多地用于飛機(jī)主結(jié)構(gòu)材料，如A380.B787等都使用了大量的復(fù)合材料。但這種材料的抗低速?zèng)_擊問(wèn)題以及由此帶來(lái)的防冰雹沖擊問(wèn)題也遭到了質(zhì)疑。國(guó)內(nèi)外針對(duì)疊層復(fù)合材料的增韌進(jìn)行了大量了的研究，在研究前沿上，如構(gòu)造纖維和碳納米管微納米雜化結(jié)構(gòu)，利用分子自組裝技術(shù)成長(zhǎng)剛棒進(jìn)行樹脂內(nèi)增韌，摻雜碳納米材料。但這些方法僅僅只適用于基礎(chǔ)研究上，總會(huì)遇到成型加工性上的問(wèn)題如工藝流程繁難、體系黏度大等，且真正的增韌效果并不看好。傳統(tǒng)的方法則有如原位增韌，如擴(kuò)鏈增韌和形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增韌，韌性則和交聯(lián)密度有關(guān)，但韌性提高的結(jié)果往往是體系黏度變大工藝性變差、復(fù)合材料面內(nèi)性能下降。而且樹脂基體的韌性也不能有效轉(zhuǎn)化到復(fù)合材料的抗低速?zèng)_擊損傷性能上去。較為廣泛采用的方法則大多可以歸屬到層間增韌的插層技術(shù)，即在層間放入熱塑性樹脂顆粒、橡膠粒子、熱塑性薄膜、熱塑性纖維無(wú)紡布等使層間韌性得到提高。如CN101220561發(fā)展來(lái)的“離位”增韌技術(shù)，將熱塑性樹脂置于纖維鋪層之間，而在工藝條件下則樹脂溶解隨后又發(fā)生分相形成復(fù)相結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)固化成型后層間多層次多相增韌相結(jié)構(gòu)不降低其他力學(xué)性能，且使復(fù)合材料的壓縮后沖擊強(qiáng)度(CAI)提高100%以上，但對(duì)熱塑性樹脂的溶解性要求比較苛刻，若熱塑性樹脂在熱固性樹脂中具有一定溶解度則在注膠過(guò)程中導(dǎo)致增粘難以流動(dòng)和被沖刷分散不均等現(xiàn)象；如W09009410-A等將分散性顆粒加入層間用于增韌，但這種將分散性熱塑性顆粒加入后顆粒結(jié)構(gòu)和形貌幾乎不發(fā)生改變，但分散性顆粒不易附著于碳纖維織物表面且容易產(chǎn)生粉塵污染；還有一種被實(shí)際應(yīng)用的方法則是在層間加入尼龍無(wú)紡布等材料，能使復(fù)合材料的層間斷裂韌性和CAI得到大幅度提高，但無(wú)紡布的纖維在層間傾向于層間分布，這在原理上不利于層間斷裂韌性的提高；專利201110376947.9則提出了一種利用在層間利用聚酰亞胺泡沫前驅(qū)體在層間發(fā)泡并構(gòu)建增韌物質(zhì)的三維連續(xù)結(jié)構(gòu)，但這種方法在發(fā)泡時(shí)需要經(jīng)過(guò)較高的溫度處理使聚酰亞胺泡沫前驅(qū)體轉(zhuǎn)變?yōu)榫埘啺罚焕趯?shí)際生產(chǎn)過(guò)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的:針對(duì)以上技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出了一種增韌的疊層復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種增韌的疊層復(fù)合材料，疊層復(fù)合材料由碳纖維鋪層、被壓縮的柔性泡沫薄層、固化的基體樹脂組成。碳纖維鋪層和被壓縮的柔性泡沫薄層一層層疊在一起組成疊層復(fù)合材料的骨架，固化的基體樹脂浸潰并充滿整個(gè)疊層復(fù)合材料。被壓縮的柔性泡沫薄層以插層形式分布于疊層復(fù)合材料的碳纖維鋪層的層間，泡沫薄層的數(shù)量和碳纖維鋪層數(shù)量之比在0.5 I之間，且每?jī)蓚€(gè)相鄰碳纖維鋪層的層間中插層的柔性泡沫薄層數(shù)量不多于I層，且優(yōu)先分布于疊層復(fù)合材料的中心層間和靠近疊層復(fù)合材料中心的層間。被壓縮的柔性泡沫薄層厚度小于60 μ m,單位面積質(zhì)量在5 40g/m2之間。制備方法為首先將柔性泡沫體切割成薄片狀，薄片的面密度為5 40g/m2，其中柔性泡沫體指的是開孔的泡沫，通孔率在95% 100%，體密度為I 20kg/m3，其中薄片在5Mpa的壓力下厚度小于60 μ m ;隨后將切割得到的泡沫薄片放置進(jìn)入傳統(tǒng)連續(xù)碳纖維疊層復(fù)合材料所用的碳纖維織物或預(yù)浸料的層間，每一個(gè)層間插層的柔性泡沫薄層數(shù)量不多于I層，且優(yōu)先插層疊層復(fù)合材料的中心層間和靠近疊層復(fù)合材料中心的層間，最后壓縮成制件所需要的尺寸，按基體樹脂的成型條件固化成型。所述的柔性泡沫體的材料為聚酰亞胺、尼龍、聚芳醚酮、聚醚酰亞胺、聚醚砜、聚醚醚酮、三聚氰胺、聚氨酯、PM1、聚乙烯。碳纖維及其織物的種類和形式包含各種商業(yè)化的碳纖維T300、T800、T700、CCF300，其編織方式可以為單向、平紋、斜紋、緞紋?；w樹脂為環(huán)氧樹脂、苯并噁嗪樹脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂。成型固化工藝可以為熱壓罐成型、RTM、模壓、真空輔助或真空袋成型。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是:利用大開孔的柔性泡沫體薄層作為層間插層材料，組成柔性泡沫體的物質(zhì)的韌性可以對(duì)復(fù)合材料起到增韌作用，而其結(jié)構(gòu)仍然能保持連續(xù)性和具有在垂直層間方向的分布和高的通透性，從而得到更優(yōu)異韌性的疊層復(fù)合材料，此外泡沫體的通透性不影響成型過(guò)程中樹脂的流動(dòng)，泡沫材料的多樣性為增韌材料提供更多的選擇。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1:(1-1)將密度為5kg/m3聚酰亞胺泡沫(型號(hào)AC530)或llkg/m3的尼龍泡沫或7kg/m3的聚醚酰亞胺泡沫置于真空烘箱中抽真空使其充分開孔，隨后分別切割成3_厚的聚酰亞胺泡沫或Imm厚的尼龍泡沫或2mm厚的聚醚酰亞胺泡沫薄片,此時(shí)薄片面密度為15g/m2或 llg/m2 或 14g/m2 ；(1-2)將上述得到的泡沫體薄層一一放置于連續(xù)碳纖維單向增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料的層間進(jìn)行鋪層，使每一個(gè)層間都插層一層泡沫體薄層，碳纖維T300、3K或碳纖維Τ800、12Κ，環(huán)氧樹脂5228 (北京航空材料研究院產(chǎn)品)或QY9611 (北京航空制造工程研究所產(chǎn)品)，壓縮并定型后得到插層的復(fù)合材料預(yù)制體；(1-3)按該環(huán)氧樹脂預(yù)浸料規(guī)定的固化工藝，將上述插層泡沫體薄層的復(fù)合材料預(yù)制體利用常規(guī)的模壓方法進(jìn)行真空成型固化，得到環(huán)氧樹脂基增韌的復(fù)合材料制品。實(shí)施例2:(2-1)將密度為3kg/m3PMI泡沫或9kg/m3的聚乙烯泡沫分別切割成Imm厚的PMI泡沫或3.5mm厚的聚乙烯泡沫的薄片,此時(shí)薄片面密度為3g/m2或31.5g/m2 ；(2-2)將上述得到的泡沫薄層一一放置于連續(xù)碳纖維增強(qiáng)緞紋織物的層間進(jìn)行鋪層，泡沫薄層集中插層在中間及鄰近中間層的60%總的層間數(shù)量的層間，碳纖維T700、12K，加壓定型后置于模具中固定形狀；(2-3)利用RTM工藝，將液態(tài)苯并噁嗪(BOZ)樹脂、德國(guó)Henkel公司產(chǎn)品Epsilon，注入預(yù)制體并浸潰完全，然后按照該BOZ樹脂規(guī)定的工藝進(jìn)行成型和固化，得到RTM成型的增韌的復(fù)合材料制品。實(shí)施例3:(3-1)將密度為7kg/m3PMI泡沫或13kg/m3的聚醚醚酮泡沫分別切割成Imm厚的PMI泡沫或2mm厚的聚醚醚酮泡沫的薄片，此時(shí)薄片面密度為7g/m2或26g/m2 ；(3-2)將上述泡沫體薄層一一放置于碳纖維織物層間進(jìn)行鋪層，泡沫薄層集中插層在中間及鄰近中間層的80%總的層間數(shù)量的層間，碳纖維T300、3K，置于模具中加壓固定形狀；(3-3)利用RTM工藝，將液態(tài)雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)樹脂6421 (北京航空材料研究院產(chǎn)品)，按照該樹脂RTM成型的工藝要求注入，然后再按規(guī)定的工藝進(jìn)行成型固化，得到增韌的雙馬來(lái)酰亞胺樹脂基復(fù)合材料制品。實(shí)施例4:(4-1)將密度為7.1 kg/m3聚酰亞胺泡沫或10.5kg/m3的聚醚酰亞胺泡沫分別切割成0.5mm厚的聚酰亞胺泡沫或1.5mm厚的聚醚酰亞胺的薄片，此時(shí)薄片面密度為3.55g/m2或 15.75g/m2 ；(4-2)將上述得到的泡沫體薄層一一放置于連續(xù)碳纖維單向增強(qiáng)的聚酰亞胺樹脂基預(yù)浸料的層間進(jìn)行鋪層，使每一個(gè)層間都插層一層泡沫體薄層，碳纖維T700、12K，聚酰亞胺樹脂基預(yù)浸料牌號(hào)LP15 (北京航空材料研究院產(chǎn)品)，得到預(yù)制體；(4-3)利用熱壓罐工藝，將上述結(jié)構(gòu)預(yù)制體按照該預(yù)浸料規(guī)定的工藝進(jìn)行成型固化，得到增韌的高溫聚酰亞胺復(fù)合材料制品。實(shí)施例5:(5-1)將密度為8kg/m3的尼龍泡沫或4.5kg/m3的聚氨酯泡沫置于真空烘箱中抽真空使其充分開孔，隨后分別切割成1.5mm厚的尼龍泡沫或2mm厚的聚氨酯泡沫的薄片，此時(shí)薄片面密度為12g/m2或9g/m2 ；(5-2)將上述泡沫體薄層一一放置于碳纖維織物層間進(jìn)行鋪層，使每一個(gè)層間都插層一層泡沫體薄層，碳纖維CCF300、3K，置于模具壓縮并合模固定得到復(fù)合材料預(yù)制體；(5-3)利用RTM工藝，將液態(tài)環(huán)氧樹脂3266 (北京航空材料研究院產(chǎn)品)，按照該樹脂RTM成型的工藝要求注入，然后再按規(guī)定的工藝進(jìn)行成型固化，得到增韌的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料制品。
權(quán)利要求
1.一種增韌的疊層復(fù)合材料及其制備方法，其特征為，疊層復(fù)合材料由碳纖維鋪層、被壓縮的柔性泡沫薄層、固化的基體樹脂組成，碳纖維鋪層和被壓縮的柔性泡沫薄層一層層疊在一起組成疊層復(fù)合材料的骨架，固化的基體樹脂浸潰并充滿整個(gè)疊層復(fù)合材料，被壓縮的柔性泡沫薄層以插層形式分布于疊層復(fù)合材料的碳纖維鋪層的層間，泡沫薄層的數(shù)量和碳纖維鋪層數(shù)量之比在0.5 I之間，且每?jī)蓚€(gè)相鄰碳纖維鋪層的層間中插層的柔性泡沫薄層數(shù)量不多于I層，且優(yōu)先分布于疊層復(fù)合材料的中心層間和靠近疊層復(fù)合材料中心的層間，被壓縮的柔性泡沫薄層厚度小于60 μ m,單位面積質(zhì)量在5 40g/m2之間； 制備方法為，首先將柔性泡沫體切割成薄片狀，薄片的面密度為5 40g/m2，其中柔性泡沫體指的是開孔的泡沫，通孔率在95% 100%，體密度為I 20kg/m3，其中薄片在5Mpa的壓力下厚度小于60 μ m;隨后將切割得到的泡沫薄片放置進(jìn)入傳統(tǒng)連續(xù)碳纖維疊層復(fù)合材料所用的碳纖維織物或預(yù)浸料的層間，每一個(gè)層間插層的柔性泡沫薄層數(shù)量不多于I層，且優(yōu)先插層疊層復(fù)合材料的中心層間和靠近疊層復(fù)合材料中心的層間，最后壓縮成制件所需要的尺寸，按基體樹脂的成型條件固化成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增韌的疊層復(fù)合材料及其制備方法，其特征為，所述的柔性泡沫體的材料為聚酰亞胺、尼龍、聚芳醚酮、聚醚酰亞胺、聚醚砜、聚醚醚酮、三聚氰胺、聚氨酯、PM1、聚乙烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增韌的疊層復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于:碳纖維及其織物的種類和形式包含各種商業(yè)化的碳纖維T300、T800、T700、CCF300，其編織方式可以為單向、平紋、斜紋、緞紋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增韌的疊層復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于:基體樹脂為環(huán)氧樹脂、苯并噁嗪樹脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增韌的疊層復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于:成型固化工藝可以為熱壓罐成型、RTM、模壓、真空輔助或真空袋成型。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種增韌的疊層復(fù)合材料及其制備方法，這種疊層復(fù)合材料包含了傳統(tǒng)的碳纖維疊層復(fù)合材料及插層于層間的柔性泡沫體薄層，即選擇一定體密度和厚度的大開孔和高開孔率的泡沫體薄層作為插層材料增韌疊層復(fù)合材料，將開孔的泡沫體薄層插層于碳纖維鋪層層間，在成型時(shí)的高壓力下，柔性泡沫體薄層被壓縮形成適配于層間增韌所需的密度和厚度，隨后在樹脂成型固化工藝下得到增韌的復(fù)合材料。本發(fā)明中柔性泡沫體的結(jié)構(gòu)仍然保持連續(xù)性和具有在垂直層間方向的分布，從而得到更優(yōu)異韌性的疊層復(fù)合材料，此外泡沫體的通透性不影響成型過(guò)程中樹脂的流動(dòng)。
文檔編號(hào)B32B27/04GK103171212SQ2013101139
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者郭妙才, 益小蘇 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院