一种单向碳布复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种单向碳布复合材料及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：(1)将单向碳布制成单向碳布预成型体；(2)在所述单向碳布预成型体0度方向的两端分别涂覆胶黏剂，得到单向碳布预成型体，并对所述单向碳布预成型体进行固化；(3)将固化后的单向碳布预成型体放入RTM模具中，依次进行合模、密封、树脂注射，从而得到所述单向碳布复合材料。本发明采用胶黏剂用作封边剂，对单向碳布平板预成型体的0度方向的两端进行封边处理，利用固化后的胶黏剂将0度纤维进行约束固定，避免在RTM工艺中树脂流动导致0度碳纤维冲刷变形，从而大幅提高单向碳布复合材料的拉伸性能。

权利要求

1.一种单向碳布复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：(1)将单向碳布制成单向碳布预成型体：将单向碳布进行定型处理；将经定型处理后的单向碳布裁剪成符合RTM模具的下模规格的布块；根据纤维含量和预成型体的厚度要求计算出所需布块的数量，再将布块铺叠在一起，所述铺层均为0度方向，得到所述单向碳布预成型体；

(2)在所述单向碳布预成型体0度方向的两端分别涂覆胶黏剂，得到涂覆后的单向碳布预成型体，并对所述涂覆后的单向碳布预成型体进行固化；

(3)将固化后的单向碳布预成型体放入RTM模具中，依次进行合模、密封、树脂注射，从而得到所述单向碳布复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：进行树脂注射时，注射方向与所述单向碳布预成型体0度方向垂直。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述胶黏剂为室温固化胶黏剂。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述胶黏剂为环氧树脂类室温固化胶黏剂。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述固化按照如下方式进行：将所述涂覆后的单向碳布预成型体在室温下放置2小时以下。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：放置的时间为1～2小时。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：涂覆胶黏剂时，在所述单向碳布预成型体端部表面上距离该端部3～5mm内的区域内均匀地涂覆所述胶黏剂。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述RTM模具为三层结构，从上到下依次为：上模、中框和下模。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：进行树脂注射时，所用的树脂选自中温固化树脂体系中的任一种，注射条件为：注射温度为40～50℃，注射压力为0.5～0.6MPa。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：进行树脂注射后，得到所述复合材料之前，还包括对所述树脂进行固化的步骤；

对所述树脂进行固化的条件为：先在90～100℃保温0.5～1小时，再升温至120～130℃，并保温2～3小时。

11.一种单向碳布复合材料，其特征在于：采用权利要求1-10任一项所述的制备方法制得。

说明书

一种单向碳布复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种单向碳布复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 复合材料低成本液态成型工艺已经广泛应用复合材料各个技术领域，并逐步由生产次承力结构件向生产主承力结构件方向发展。复合材料液态成型工艺中应用较多的干态碳纤维增强织物主要有单向碳布、平纹碳布和缎纹碳布等。由于0度方向(也就是经向方向)是织物中的碳纤维强度最高的方向，因此，在进行干态碳纤维预成型体铺层时主受力方向均以单向碳布铺层为主，然后在内外表面辅以一定层数的平纹碳布或缎纹碳布。单向碳布是一种干态碳纤维帘子布，织物结构形式与平纹碳布类似，但纬向只有很细的玻璃丝，纬向玻璃丝起维持单向碳布形状的作用，复合材料受力时则靠经向方向的单向碳纤维。

[0003] 然而，单向碳布制得的RTM复合材料平板因在成型过程中受到较大的RTM树脂冲击力的影响，纤维容易发生变形，会导致0度方向的碳纤维准直度受到影响，从而导致RTM平板复合材料的拉伸性能偏低。目前已有的工艺常通过纤维预浸料工艺解决RTM复合材料平板在注胶过程发生的纤维变形问题。纤维预浸料工艺虽然能解决注胶过程中纤维发生变形的问题，但由于制备纤维预浸料需要额外的生产线，因此导致生产成本提高、生产工艺流程变得复杂。

发明内容

[0004] (一)要解决的技术问题

[0005] 针对现有单向碳布复合材料在树脂注射过程中容易发生纤维变形的问题，本发明提供了一种高拉伸强度单向碳布复合材料的制备方法及由该方法制得的复合材料。相比于纤维预浸料工艺而言，本发明提供的制备方法无需增加新的生产线，同时制得的复合材料的拉伸性能可以和采用纤维预浸料工艺制得的复合材料相媲美。

[0006] (二)技术方案

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

[0008] 一种单向碳布复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

[0009] (1)将单向碳布制成单向碳布预成型体；

[0010] (2)在所述单向碳布预成型体0度方向的两端分别涂覆胶黏剂，得到单向碳布预成型体，并对所述单向碳布预成型体进行固化；

[0011] (3)将固化后的单向碳布预成型体放入RTM模具中，依次进行合模、密封、树脂注射，从而得到所述单向碳布复合材料。

[0012] 优选地：进行树脂注射时，注射方向与所述单向碳布预成型体0度方向垂直。

[0013] 优选地：所述胶黏剂为室温固化胶黏剂，优选为环氧树脂类室温固化胶黏剂。

[0014] 进一步优选地：所述固化按照如下方式进行：将所述单向碳布预成型体在室温下放置2小时以下，优选为1～2小时。

[0015] 优选地：涂覆胶黏剂时，在所述单向碳布预成型体端部表面上距离该端部3～5mm内的区域内均匀地涂覆所述胶黏剂。

[0016] 优选地：所述RTM模具为三层结构，从上到下依次为：上模、中框和下模。

[0017] 优选地：所述单向碳布预成型体按照如下方式进行制备：

[0018] 将单向碳布进行定型处理；

[0019] 将经定型处理后的单向碳布裁剪成符合RTM模具下模规格的布块；

[0020] 将布块铺叠至预定厚度，铺层均为0度方向，得到所述单向碳布预成型体。

[0021] 优选地：进行树脂注射时，所用的树脂选自中温固化树脂体系中的任一种，注射条件为：注射温度为40～50℃，注射压力为0.5～0.6MPa。

[0022] 进一步优选地：进行树脂注射后，得到所述复合材料之前，还包括对所述树脂进行固化的步骤；

[0023] 对所述树脂进行固化的条件为：先在90～100℃保温0.5～1小时，再升温至120～130℃，并保温2～3小时。

[0024] 本发明还提供了一种单向碳布复合材料，采用上述任一项所述的制备方法制得。

[0025] (三)有益效果

[0026] 本发明的上述技术方案具有如下优点：

[0027] 本发明采用胶黏剂(优选为室温固化胶黏剂)用作封边剂，对单向碳布平板预成型体的0度方向的两端进行封边处理，利用固化后的胶黏剂将0度纤维进行约束固定，避免在RTM工艺中树脂流动导致0度碳纤维冲刷变形，从而大幅提高单向碳布复合材料的拉伸性能。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明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的一部分实施例，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。

[0029] 第一、本发明提供了一种单向碳布复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

[0030] (1)将单向碳布制成单向碳布预成型体。在一些实施例中，采用如下方法进行制备：

[0031] 将单向碳布进行定型处理。定型处理可以使用常规的粉末类定型剂，也可以使用具有适当粘性和软化点的树脂。定型处理的方法可以选择喷涂、涂刷、浸渍等。根据所用的RTM模具的下模内表面的规格，将经定型处理后的单向碳布裁剪成和其规格相符的布块。然后，根据设计要求(包括纤维含量、预成型体的厚度)计算出所需布块的数量。将所述单向碳布布块铺叠在一起，所述铺层均为0度方向，得到符合要求的单向碳布预成型体。

[0032] (2)在所述单向碳布预成型体0度方向的两端分别涂覆胶黏剂，得到单向碳布预成型体，并对所述单向碳布预成型体进行固化。在一些实施例中，所用的胶黏剂为室温固化胶黏剂，优选为环氧树脂类室温固化胶黏剂。由于本发明提供的制备方法涂胶面积小，胶黏剂对后续树脂注射的影响不大，因此，所用的胶黏剂可以选择固化时间快、固化温度低的室温固化胶黏剂。固化时，将所述单向碳布预成型体放置在室温下一段时间即可完成胶黏剂的固化，固化时间在2小时以下即可，优选为1～2小时。固化后的胶黏剂可以从单向碳布的两端对0度碳纤维进行约束，即使在RTM注胶过程中受到RTM树脂的冲击，0度纤维也不会发生变形。

[0033] 为了确保封边效果，涂覆胶黏剂时，在所述单向碳布预成型体端部表面上距离该端部3～5mm内的区域内均匀地涂覆所述胶黏剂，并确保该面积内的单向碳布预成型体被胶黏剂充分浸透。

[0034] 该步骤可以在RTM模具外进行，然后进行下述步骤(3)：将固化后的单向碳布预成型体放入RTM模具中，依次进行合模、密封、树脂注射，从而得到所述单向碳布复合材料。在一些实施例中，进行树脂注射时，注射方向与所述单向碳布预成型体0度方向垂直，避免树脂从模具边缘流动，从而避免出现快速通道，更容易保证复合材料的成型质量。注射所用的树脂选自中温固化树脂体系中的任一种，注射条件为：注射温度为40～50℃，注射压力为0.5～0.6MPa。进行树脂注射后，得到所述复合材料之前，还包括对所述树脂进行固化的步骤，对所述树脂进行固化的条件为：先在90～100℃保温0.5～1小时，再升温至120～130℃，并保温2～3小时。

[0035] 另外，该步骤还可以在RTM模具内进行。将步骤(2)制得的单向碳布预成型体放置在RTM模具的下模的内表面，然后在单向碳布预成型体0度方向的两端涂覆胶黏剂(所用胶黏剂种类和在RTM模具外进行该步骤时所用的胶黏剂相同)，对所述单向碳布预成型体0度方向的两端进行封边处理。为了确保封边效果，涂覆胶黏剂时，在所述单向碳布预成型体端部表面上距离该端部3～5mm内的区域内均匀地涂覆所述胶黏剂，并确保该面积内的单向碳布预成型体被胶黏剂充分浸透。然后，合模、密封，将密封后的RTM模具在室温下放置3小时以下(优选为2～3小时)进行固化即可得到优异的固化效果，固化结束后再注射树脂(所用树脂和在RTM模具外进行该步骤时所用的树脂相同)。

[0036] 在一些实施例中，所用的RTM模具具有三层结构，从上到下依次为上模、中框和下模。

[0037] 第二、本发明还提供了一种单向碳布复合材料，采用上述制备方法制得。

[0038] 以下是本发明列举的几个实施例。

[0039] 实施例1

[0040] 单向碳布：ZT700-3K单向碳纤维织物，面密度165g/m2，纤维类型ZT700-3k；

[0041] RTM树脂：6808中温固化环氧树脂体系，该树脂体系为航天特种材料及工艺技术研究所研发的RTM成型用树脂，包含环氧树脂、固化剂和促进剂，三者的质量比为50:50:1；其中的固化剂可以选择常规固化剂，如乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、间苯二胺、二氨基二苯基甲烷等；其中的促进剂可以降低固化温度，所用的促进剂可以选择常规促进剂；需要说明的是，除了该中温固化环氧树脂体系，现有技术中的其它中温固化环氧树脂体系也可以作为本发明中的RTM树脂；

[0042] 室温胶黏剂：306-914胶黏剂。

[0043] 第一步：将单向碳布进行定型处理，然后裁剪成320mm*320mm的方块，按照60％纤维体积含量要求，根据2mm厚平板模具要求，需要将13块320mm*320mm的单向碳布方块铺叠在一起，所有铺层均为0度方向，制备成320mm*320mm*2mm的单向碳布平板预成型体。

[0044] 第二步：将铺叠好的320mm*320mm*2mm的单向碳布平板预成型体放在RTM模具下模表面，露出单向碳布平板预成型体四边。采用配置好的室温固化306-914胶黏剂将单向碳布平板预成型体0度方向的两端进行封边处理，封边时确保0度方向两端5mm范围内的面积被胶黏剂充分浸透。

[0045] 第三步：合上RTM模具的中框和上模，锁紧RTM模具，室温放置2小时，使室温胶黏剂充分固化。采用RTM用6808中温固化RTM环氧树脂体系对平板进行注胶，注射方向与所述单向碳布预成型体0度方向垂直，经过固化，制得单向碳布复合材料平板。

[0046] 实施例2

[0047] 单向碳布：ZT700-3K单向碳纤维织物，面密度165g/m2，纤维类型ZT700-3k；

[0048] RTM树脂：同实施例1；

[0049] 室温胶黏剂：618环氧树脂/三乙烯四胺胶黏剂。

[0050] 第一步：将单向碳布进行定型处理，然后裁剪成320mm*320mm的方块，按照60％纤维体积含量要求，根据2mm厚平板模具要求，需要将13块320mm*320mm的单向碳布方块铺叠在一起，所有铺层均为0度方向，制备成320mm*320mm*2mm的单向碳布平板预成型体。

[0051] 第二步：将铺叠好的320mm*320mm*2mm的单向碳布平板预成型体放在RTM模具下模表面，露出单向碳布平板预成型体四边；采用配置好的室温固化618环氧树脂/三乙烯四胺胶黏剂将单向碳布平板预成型体0度方向的两端进行封边处理，封边时确保0度方向两端3mm范围内的面积被胶黏剂充分浸透。

[0052] 第三步：合上RTM模具的中框和上模，锁紧RTM模具，室温放置2小时，使室温胶黏剂充分固化。采用RTM用6808中温固化RTM环氧树脂体系对平板进行注胶，注射方向与所述单向碳布预成型体0度方向垂直，经过固化，制得单向碳布复合材料平板。

[0053] 实施例3至实施例6的制备方法同实施例1基本上相同，但也有不同之处，不同之处在于：

[0054] 实施例3：封边时确保0度方向两端10mm范围内的面积被胶黏剂充分浸透。实施例4：注射树脂时，注射方向与所述单向碳布预成型体0度方向平行。实施例5：没有涂覆胶黏剂。实施例6：没有对0度方向进行封边处理，对90度方向进行封边处理，具体操作为：采用配置好的室温固化306-914胶黏剂将单向碳布平板预成型体90度方向的两端进行封边处理，封边时确保90度方向两端5mm范围内的面积被胶黏剂充分浸透。

[0055] 上述各个实施例的注胶工艺条件、树脂固化条件均相同。注胶工艺条件为：注射用树脂：6808中温固化环氧树脂体系；注胶温度：40℃～50℃，注射压力：0.5～0.6MPa，注射时间：3h。树脂固化条件为：先在90℃保温0.5h，再升温至130℃，并保温2h。

[0056] 将上述各个实施例制得的单向碳布复合材料进行性能测试，结果见表1。实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制得的复合材料的压缩、弯曲、层剪等力学性能与实施例5和实施例6相当。但实施例1～实施例4制得的复合材料的拉伸性能明显高于实施例5和实施例6制得的复合材料，特别是对纤维准直度特别敏感的拉伸强度提高了38％。

[0057] 表1

[0058]

[0059] 注：“*”处的涂覆胶黏剂的方向和实施例1不同；“-”表示没有进行此项项目。

[0060] 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。