一種具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高性能復(fù)合材料低成本制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]先進(jìn)復(fù)合材料由于其高的比強(qiáng)度、比剛度，優(yōu)異的耐腐蝕性、疲勞特性及結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性而被廣泛的應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。目前，在復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的預(yù)浸料熱壓罐成型工藝應(yīng)用最為廣泛，通過(guò)基體樹(shù)脂與增強(qiáng)纖維預(yù)先完全復(fù)合得到高纖維準(zhǔn)直度的預(yù)浸料，經(jīng)過(guò)熱壓罐成型工藝可制備具有較高纖維體積分?jǐn)?shù)的優(yōu)異力學(xué)性能的復(fù)合材料。
[0003]但對(duì)于熱壓罐成型工藝而言，其高昂的成型工藝成本限制了復(fù)合材料的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。另外，由于熱壓罐成型工藝中一般采用較大的成型壓力來(lái)排除預(yù)浸料鋪覆過(guò)程中夾雜于復(fù)合材料層間的氣體，這無(wú)疑增加了芯材塌陷和真空袋破裂的風(fēng)險(xiǎn)。
[0004]因此，熱壓罐外固化預(yù)浸料成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。熱壓罐外固化預(yù)浸料成型技術(shù)即預(yù)浸料在熱以及一個(gè)大氣壓的作用下，完成對(duì)復(fù)合材料制件的固化。對(duì)于熱壓罐外固化預(yù)浸料，固化過(guò)程中只能采用真空袋施加一個(gè)大氣壓的壓力環(huán)境。因此，開(kāi)發(fā)熱壓罐外固化預(yù)浸料體系面臨的首要挑戰(zhàn)就是如何在一個(gè)大氣壓的工藝壓力下，降低復(fù)合材料的孔隙含量，以滿足主承力結(jié)構(gòu)件性能要求。
[0005]傳統(tǒng)預(yù)浸料要求樹(shù)脂對(duì)干態(tài)纖維完全浸潰，在后續(xù)復(fù)合材料固化成型過(guò)程中，氣熱壓罐的高壓作用可以使鋪層內(nèi)的殘余空氣和其他揮發(fā)性成分塌陷或溶解在樹(shù)脂中，從而降低復(fù)合材料的孔隙含量。但是對(duì)于熱壓罐外固化工藝而言，復(fù)合材料在固化過(guò)程中只有一個(gè)大氣壓的壓力作用于復(fù)合材料制件表面。因此，如何在一個(gè)大氣壓的作用下排除復(fù)合材料預(yù)制體內(nèi)部的氣體成為熱壓罐外固化工藝的一個(gè)難點(diǎn)。適用于熱壓罐外固化工藝的預(yù)浸料需具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，本專利提出了一種層內(nèi)導(dǎo)氣通路的概念，通過(guò)控制樹(shù)脂黏度以及復(fù)合壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料預(yù)浸形式的優(yōu)化，制備了一種適用于熱壓罐外固化工藝且兼具表面粘性以及排氣功能的梯度預(yù)浸料。該預(yù)浸料在復(fù)合材料固化過(guò)程中，在真空的作用下，利用預(yù)浸料內(nèi)部干態(tài)纖維部分作為導(dǎo)氣層，可以有效地排除夾雜于預(yù)制體內(nèi)部的氣體，從而大大降低復(fù)合材料制件的孔隙率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是:提出一種具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備方法，得到一種適用于熱壓罐外固化工藝且兼具表面粘性以及排氣功能的梯度預(yù)浸料，從而實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)合材料的低成本制造。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:按照如下方法制備:
[0008]對(duì)預(yù)浸料樹(shù)脂加熱，調(diào)節(jié)樹(shù)脂黏度為130Pa.s?200Pa.s時(shí)，采用滾涂工藝制備樹(shù)脂膠膜，根據(jù)樹(shù)脂在預(yù)浸料中的質(zhì)量含量、樹(shù)脂的密度以及涂膜滾的間隙控制樹(shù)脂膠膜的面密度；
[0009]I)完成樹(shù)脂膠膜的制備以后，進(jìn)行預(yù)浸料的復(fù)合工藝操作，將溫度調(diào)整在所使用樹(shù)脂的起始低黏度點(diǎn)的±10°c，控制樹(shù)脂膠膜的黏度在80Pa.S?IlOPa.s之間，調(diào)節(jié)壓輥壓力在0.2?0.6MPa之間調(diào)節(jié)，使樹(shù)脂膠膜浸潰干態(tài)纖維并在干態(tài)纖維的中間部分形成干態(tài)纖維厚度10?20%的導(dǎo)氣通路，進(jìn)而完成具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備。
[0010]制備梯度預(yù)浸料所使用的樹(shù)脂基體可以是環(huán)氧樹(shù)脂或雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂或聚酰亞胺樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂或苯并噁嗪樹(shù)脂或氰酸酯樹(shù)脂或不飽和聚酯樹(shù)脂。
[0011]制備梯度預(yù)浸料所使用的纖維增強(qiáng)體可以是碳纖維、石英纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、植物纖維。
[0012]制備樹(shù)脂膠膜時(shí)基體樹(shù)脂的黏度優(yōu)選為150Pa.S。
[0013]在預(yù)浸料復(fù)合工藝中，樹(shù)脂膠膜的預(yù)浸工藝黏度優(yōu)選為10Pa.S。
[0014]在梯度預(yù)浸料復(fù)合工藝中，壓輥壓力范優(yōu)選為0.4MPa。
[0015]在預(yù)浸料復(fù)合工藝中，樹(shù)脂膠膜的預(yù)浸工藝黏度優(yōu)選為10Pa.S，壓輥壓力優(yōu)選為 0.4MPa。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明提出的一種具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備方法，為一種預(yù)浸料與熱壓罐外固化工藝結(jié)合的、新型的工藝技術(shù)。通過(guò)調(diào)整樹(shù)脂體系的黏度以及復(fù)合工藝中的壓力參數(shù)，可制備具有高纖維準(zhǔn)直度、良好工藝操作特性、具有一定導(dǎo)氣作用的梯度預(yù)浸料。梯度預(yù)浸料適用于熱壓罐外固化工藝，即在一個(gè)大氣壓力的作用下完成復(fù)合材料的壓實(shí)固化，同時(shí)梯度預(yù)浸料中的干態(tài)纖維作為固化成型時(shí)排氣的通道，可使鋪覆過(guò)程中夾雜于復(fù)合材料制件內(nèi)的氣體排除，進(jìn)而降低復(fù)合材料制件內(nèi)部的孔隙率。
[0017]其工藝優(yōu)勢(shì)有四，第一、梯度預(yù)浸料中的干態(tài)纖維可作為導(dǎo)氣通路，在真空的作用下即可排除鋪覆過(guò)程中夾雜于預(yù)制體內(nèi)部的氣體；第二、提高了預(yù)浸料的表面粘性，進(jìn)而提高了預(yù)浸料的鋪覆操作性，有利于復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件的鋪覆定型；第三、與熱壓罐固化工藝相結(jié)合，避免了高耗能熱壓罐的使用，降低了復(fù)合材料成型工藝成本，同時(shí)復(fù)合材料制件的尺寸不受熱壓罐尺寸的限制，適合大型零件整體化成型；第四、避免了較大成型壓力的使用，從而降低了復(fù)合材料芯材塌陷和真空袋破裂的風(fēng)險(xiǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1具有導(dǎo)氣作用的梯度預(yù)浸料截面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。通過(guò)不同樹(shù)脂體系流變特性的研究，調(diào)控預(yù)浸料制備過(guò)程中的溫度和壓力等工藝參數(shù)，進(jìn)而控制樹(shù)脂在預(yù)浸料中的分布狀態(tài)。采用流變儀測(cè)試樹(shù)脂基體的流變性能，包括黏-溫特性和特定溫度下的黏-時(shí)特性。將預(yù)浸料樹(shù)脂加熱至黏度為130Pa.s?200Pa.s時(shí)，進(jìn)行樹(shù)脂膠膜的制備。完成樹(shù)脂膠膜的制備以后，進(jìn)行預(yù)浸料的復(fù)合工藝，此時(shí)通過(guò)溫度控制樹(shù)脂膠膜的黏度在80Pa.s?IlOPa.s之間，調(diào)節(jié)壓輥壓力在0.2?0.6MPa之間調(diào)節(jié)，使樹(shù)脂膠膜部分浸潰干態(tài)纖維，形成梯度預(yù)浸料層I和層內(nèi)導(dǎo)氣通路2，進(jìn)而完成具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備。
[0020]制備方法是:
[0021]對(duì)預(yù)浸料樹(shù)脂加熱，調(diào)節(jié)樹(shù)脂黏度為130Pa.s?200Pa.s時(shí)，采用滾涂工藝制備樹(shù)脂膠膜，根據(jù)樹(shù)脂在預(yù)浸料中的質(zhì)量含量、樹(shù)脂的密度以及涂膜滾的間隙控制樹(shù)脂膠膜的面密度；
[0022]完成樹(shù)脂膠膜的制備以后，進(jìn)行預(yù)浸料的復(fù)合工藝操作，將溫度調(diào)整在所使用樹(shù)脂的起始低黏度點(diǎn)的±10°c，控制樹(shù)脂膠膜的黏度在80Pa.S?IlOPa.s之間，調(diào)節(jié)壓輥壓力在0.2?0.6MPa之間調(diào)節(jié)，使樹(shù)脂膠膜浸潰干態(tài)纖維并在干態(tài)纖維的中間部分形成干態(tài)纖維厚度10?20%的導(dǎo)氣通路，進(jìn)而完成具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備。
[0023]具體實(shí)施例1
[0024]選擇典型的高溫環(huán)氧樹(shù)脂體系，研究其流變特性，選取黏度為150Pa.s對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)作為樹(shù)脂膠膜的制備溫度，單面膠膜面密度為35.8g/m2。選用國(guó)產(chǎn)碳纖維CCF300作為增強(qiáng)體，纖維面密度為133g/m2。預(yù)浸料中樹(shù)脂含量約為35%。在75°C下進(jìn)行梯度預(yù)浸料的復(fù)合操作，此時(shí)膠膜的黏度約為10Pa *s，調(diào)節(jié)壓輥壓力為0.4MPa，進(jìn)而完成具有導(dǎo)氣作用的梯度預(yù)浸的制備。
[0025]具體實(shí)施例2
[0026]選擇典型的高溫雙馬樹(shù)脂體系，研究其流變特性，選取黏度為140Pa.s對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)作為樹(shù)脂膠膜的制備溫度，單面膠膜面密度為39.0g/m2。選用國(guó)產(chǎn)碳纖維CCF800作為增強(qiáng)體，纖維面密度為145g/m2。預(yù)浸料中樹(shù)脂含量約為35%。在110°C下進(jìn)行梯度預(yù)浸料的復(fù)合操作，此時(shí)膠膜的黏度約為90Pa.s，調(diào)節(jié)壓輥壓力為0.3MPa，進(jìn)而完成具有導(dǎo)氣作用的梯度預(yù)浸的制備。
[0027]具體實(shí)施例3
[0028]選擇典型的氰酸酯樹(shù)脂體系，研究其流變特性，選取黏度為150Pa.s對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)作為樹(shù)脂膠膜的制備溫度，單面膠膜面密度為76.7g/m2。選用國(guó)產(chǎn)石英纖維織物QW280作為增強(qiáng)體，纖維面密度為285g/m2。預(yù)浸料中樹(shù)脂含量約為35%。在100°C下進(jìn)行梯度預(yù)浸料的復(fù)合操作，此時(shí)膠膜的黏度約為IlOPa *s，調(diào)節(jié)壓輥壓力為0.5MPa，進(jìn)而完成具有導(dǎo)氣作用的織物梯度預(yù)浸的制備。
[0029]具體實(shí)施例4
[0030]選擇典型的苯并噁嗪樹(shù)脂樹(shù)脂體系，研究其流變特性，選取黏度為145Pa.s對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)作為樹(shù)脂膠膜的制備溫度，單面膠膜面密度為59.2g/m2。選用國(guó)產(chǎn)石英纖維織物QW220作為增強(qiáng)體，纖維面密度為220g/m2。預(yù)浸料中樹(shù)脂含量約為35%。在115°C下進(jìn)行梯度預(yù)浸料的復(fù)合操作，此時(shí)膠膜的黏度約為10Pa.S，調(diào)節(jié)壓輥壓力為0.35MPa，進(jìn)而完成具有導(dǎo)氣作用的織物梯度預(yù)浸的制備。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料及其制備方法，其特征是，按照如下方法制備: 1)對(duì)預(yù)浸料樹(shù)脂加熱，調(diào)節(jié)樹(shù)脂黏度為130Pa*s?200Pa *s時(shí)，采用滾涂工藝制備樹(shù)脂膠膜，根據(jù)樹(shù)脂在預(yù)浸料中的質(zhì)量含量、樹(shù)脂的密度以及涂膜滾的間隙控制樹(shù)脂膠膜的面密度； 2)完成樹(shù)脂膠膜的制備以后，進(jìn)行預(yù)浸料的復(fù)合工藝操作，將溫度調(diào)整在所使用樹(shù)脂的起始低黏度點(diǎn)的±10°C，控制樹(shù)脂膠膜的黏度在80Pa.s?IlOPa.s之間，調(diào)節(jié)壓輥壓力在0.2?0.6MPa之間調(diào)節(jié)，使樹(shù)脂膠膜浸潰干態(tài)纖維并在干態(tài)纖維的中間部分形成干態(tài)纖維厚度10?20%的導(dǎo)氣通路，進(jìn)而完成具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料及其制備方法，其特征是，制備梯度預(yù)浸料所使用的樹(shù)脂基體可以是環(huán)氧樹(shù)脂或雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂或聚酰亞胺樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂或苯并噁嗪樹(shù)脂或氰酸酯樹(shù)脂或不飽和聚酯樹(shù)脂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備方法，其特征是:制備梯度預(yù)浸料所使用的纖維增強(qiáng)體可以是碳纖維、石英纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、植物纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備方法，其特征是:制備樹(shù)脂膠膜時(shí)基體樹(shù)脂的黏度優(yōu)選為150Pa.S。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備方法，其特征是:在預(yù)浸料復(fù)合工藝中，樹(shù)脂膠膜的預(yù)浸工藝黏度優(yōu)選為10Pa.S。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有導(dǎo)氣作用的梯度預(yù)浸料的制備方法，其特征是:在梯度預(yù)浸料復(fù)合工藝中，壓輥壓力范優(yōu)選為0.4MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有導(dǎo)氣作用的梯度預(yù)浸料的制備方法，其特征是:在預(yù)浸料復(fù)合工藝中，樹(shù)脂膠膜的預(yù)浸工藝黏度優(yōu)選為10Pa.S，壓輥壓力優(yōu)選為0.4MPa。
【專利摘要】本發(fā)明屬于高性能復(fù)合材料低成本制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種層內(nèi)具有導(dǎo)氣作用和良好工藝可操作性的梯度預(yù)浸料及其制備方法。本發(fā)明通過(guò)對(duì)預(yù)浸料制備過(guò)程中復(fù)合工藝參數(shù)的調(diào)控，控制樹(shù)脂對(duì)干態(tài)纖維的浸漬程度，使樹(shù)脂在預(yù)浸料厚度方向存在中間層對(duì)稱的分布梯度，在對(duì)纖維實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)的同時(shí)，預(yù)浸料層內(nèi)預(yù)留氣體的排出通道，進(jìn)而完成具有層內(nèi)導(dǎo)氣通路的梯度預(yù)浸料的制備。梯度預(yù)浸料可采用非熱壓罐工藝成型固化，從而大大降低復(fù)合材料制件的成型工藝成本。
【IPC分類】B29B15-12
【公開(kāi)號(hào)】CN104647636
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510024121
【發(fā)明人】李偉東, 劉剛, 包建文, 鐘翔嶼, 張代軍
【申請(qǐng)人】中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司基礎(chǔ)技術(shù)研究院
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年1月16日