CN102107535A - 碳纤维增强的树脂基复合材料结构件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，包括以下的步骤：（1）利用拉挤成型工艺制备微径碳纤维杆，直径为0.3mm至0.5mm；（2）采用数控植入机按照设计的方向和分布密度将碳纤维植入泡沫载体中；（3）借助超声辅助植入设备将微径碳纤维杆从泡沫载体导入树脂基复合材料预浸料坯件，碳纤维杆与树脂基复合材料的体积比是0.44%-3.14%；（4）除去泡沫后将微径碳纤维杆与预浸料坯件共固化，得到多向增强的树脂基复合材料共固化构件。本发明将层合结构复合材料的各子层沿垂直于铺层方向固结在一起，与未用多向增强的层合结构复合材料构件相比，显著提高了层间断裂韧性，从而提高层间性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用微径碳纤维杆增强的碳纤维增强树脂基复合材料结构件的制备方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料具有高的比强度、比模量，在航空航天领域的应用越来越广泛。基于碳纤维增强树脂基复合材料层合构件因其轻质高强和结构可设计的特点，广泛用于各种航空飞行器的设计和制造，随着我国航空工业的不断发展，复合材料用于飞机机身结构材料的比例也在不断提高。
基于碳纤维增强树脂基复合材料层合结构具有很好的面内力学性能和可设计性，但较低的层间强度和层间断裂韧性影响和限制了其工程应用，如层合板在低能量冲击下容易产生分层而导致结构失效，复合材料构件厚部及开口处容易产生分层破环而导致结构失效，共固化结构在结合面容易形成结构薄弱点等。
纤维缝合技术及纤维编织技术是目前常用的增加复合材料构件层间强度的方法，采用聚合物复合材料穿过厚度方向与铺叠的纤维缝合，或直接将纤维编织制成预型件后浸渍树脂，制备三维增强型复合材料。但是上述方法无法用于飞行器复合材料构件常用的预浸料-热压罐成型工艺，制约了复合材料在航空领域的广泛应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有的碳纤维增强树脂基复合材料层合构件层间强度和层间断裂韧性的不足，通过在层合结构的垂直方向植入微径碳纤维杆，来提升复合材料构件的层间性能，从而达到增强、减重的目的。
为实现上述技术问题，本发明是通过以下的技术方案来实施的：
微径碳纤维杆增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于包括以下的步骤：（1）利用拉挤成型工艺制备微径碳纤维杆；（2）采用数控植入机将微径碳纤维杆植入泡沫载体中；（3）借助超声辅助植入设备将微径碳纤维杆从泡沫载体导入树脂基复合材料预浸料坯件；（4）除去泡沫，将微径碳纤维杆与预浸料坯件共固化，得到微径碳纤维杆增强的树脂基复合材料共固化构件。
前述的微径碳纤维杆增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于所述碳纤维为微径碳纤维杆，直径为0.3mm至0.5mm。
前述微径碳纤维杆增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于所述碳纤维与树脂基复合材料的体积比是0.44%-3.14%。
前述微径碳纤维杆增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于采用拉挤成型工艺制备碳纤维所采用的树脂选自环氧树脂或者双马来酰亚胺树脂。
前述微径碳纤维杆增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于碳纤维植入方向为植入点复合材料预浸料铺层法线方向。
前述微径碳纤维杆增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于树脂基复合材料预浸料坯件通过热压罐成型工艺制备。
本发明制备的微径碳纤维杆增强的复合材料结构件，通过微径碳纤维杆的作用，将层合结构复合材料的各子层沿垂直于铺层方向固结在一起，同未用碳纤维增强的层合结构复合材料构件相比，显著提高了层间断裂韧性，从而提高层间性能。通过上述设计，这种微径碳纤维杆增强树脂基复合材料结构件在保持相同使用强度情况下，显著降低材料成本同时达到减重效果，在航空航天领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为微径碳纤维杆拉挤成型工艺流程图；其中1-纱筒；2-胶槽；3-模具；4-加热块；5-牵引辊；6-收卷辊；
图2为超声辅助植入工艺流程图；图2a为将植入一定方向和分布微径碳纤维杆的泡沫载体放在复合材料预浸料坯件上表面；其中7-碳纤维；8-泡沫载体；9-复合材料预浸料坯件；10-超声设备；
图2b为采用超声辅助植入设备将微径碳纤维杆垂直植入预浸料坯件中；
图2c为将微径碳纤维杆完全植入预浸料坯件中；
图2d为除去割除泡沫载体和多余长度的微径碳纤维杆，得到微径碳纤维杆增强的树脂基复合材料坯件；
图3为实施例1所采用的U3160层合板预浸料热压罐固化工艺曲线；
图4为实施例1经植入微径碳纤维杆的层合结构复合材料截面图；
图5为实施例2所采用的HT7/5429层合板预浸料热压罐固化工艺曲线。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐明本发明的实施方案。
实施例1
将碳纤维（日本Toray T300-1K）浸渍在环氧树脂（昆山裕博树脂厂，FW-77型），采用拉挤成形工艺（如图1所示）制备直径0.3mm的碳纤维，其中胶槽温度为36℃，模具温度为89℃，拉挤速度为0.18m/min。
图2为超声辅助植入工艺流程图，参照图2所示，将上述微径碳纤维杆切割成长度为6mm定长杆，按体积分数3.14%均匀植入泡沫载体中；将植入微径碳纤维杆的泡沫载体放在复合材料预浸料坯件上表面（图2a所示），通过超声辅助设备将微径碳纤维杆垂直植入铺层结构为[0]24的5224高温环氧树脂基国产碳纤维U3160层合板预浸料件（图2b、2c），除去泡沫载体和多余长度的微径碳纤维杆（图2d），得到微径碳纤维杆增强的树脂基复合材料坯件。图4为实施例1经植入微径碳纤维杆的层合结构复合材料截面图。
植入微径碳纤维杆的预浸料件采用热压罐固化，图3为热压罐固化工艺图；固化后的微径碳纤维杆增强U3160型复合材料层合板II型断裂韧性平均值2338.4J/m2；而未经植入微径碳纤维杆的复合材料U3160型复合材料层合板II型断裂韧性平均值仅为543J/m2，增强后增加330%，说明微径碳纤维杆对提高复合材料层合板的断裂韧性效果显著。
实施例2
将碳纤维（日本Toray T300-1K）浸渍双马来酰亚胺树脂（QC-130），采用拉挤成形工艺制备直径0.3mm微径碳纤维杆，胶槽温度为95℃，模具温度为180℃，拉挤速度为0.18m/min；将上述微径碳纤维杆采用自制数控植入机切割成长度为5mm定长杆，按体积分数0.44%均匀植入泡沫载体中；将植入微径碳纤维杆的泡沫载体放在复合材料预浸料坯件上表面，通过超声设备将微径碳纤维杆垂直植入铺层结构为[0]24的5224高温环氧树脂基国产碳纤维U3160预浸料件，除去泡沫，得到微径碳纤维杆增强的树脂基复合材料坯件。
植入微径碳纤维杆的预浸料件采用图3的热压罐工艺固化成型；固化后的微径碳纤维杆增强U3160型复合材料层合板II型断裂韧性平均值870.2J/m2，比未增强的复合材料断裂韧性提高59.9%。
实施例3
将碳纤维（日本Toray T300-3K）浸渍环氧树脂（昆山裕博树脂厂FW-125型），采用拉挤成形工艺制备直径0.5mm微径碳纤维杆，胶槽温度为36℃，模具温度为129℃，拉挤速度为0.18m/min。
将上述微径碳纤维杆采用自制数控植入机切割成长度为3mm定长杆，按体积分数1.23%均匀植入泡沫载体中；将植入微径碳纤维杆的泡沫载体放在复合材料预浸料坯件上表面，通过超声设备将定长微径碳纤维杆垂直植入铺层结构为[02/90/02/90/02/90/03]S的HT7/5429双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料件，除去泡沫，得到微径碳纤维杆增强的树脂基复合材料坯件。植入微径碳纤维杆的预浸料件采用图5的热压罐工艺固化成型；固化后的微径碳纤维杆增强HT7/5429复合材料层合板II型断裂韧性平均值924.04J/m2,比处理之前的断裂韧性提高77%。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (7)
1.碳纤维增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于包括以下的步骤：（1）利用拉挤成型工艺制备微径碳纤维杆；（2）采用数控植入机将碳纤维杆植入泡沫载体中；（3）采用超声辅助植入设备将微径碳纤维杆从泡沫载体导入树脂基复合材料预浸料坯件；（4）除去泡沫，将碳纤维杆与预浸料坯件固化，得到多向增强的树脂基复合材料共固化构件。
2.如权利要求1所述的碳纤维增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于所述碳纤维杆为微径碳纤维杆，直径为0.3mm至0.5mm。
3.如权利要求1所述的碳纤维增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于所述碳纤维杆与树脂基复合材料的体积比是0.44%-3.14%。
4.如权利要求1所述的碳纤维增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于采用拉挤成型工艺制备碳纤维所采用的树脂选自环氧树脂或者双马来酰亚胺树脂。
5.如权利要求1所述的碳纤维增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于碳纤维植入方向为植入点复合材料预浸料铺层法线方向。
6.如权利要求1所述的碳纤维杆增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于树脂基复合材料预浸料坯件通过热压罐成型工艺制备。
7.如权利要求1所述的碳纤维杆增强的树脂基复合材料结构件的制备方法，其特征在于碳纤维与预浸料坯件采用热压罐工艺共固化。
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