專利名稱：碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用微徑碳纖維桿增強(qiáng)的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的 制備方法。
背景技術(shù)：
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比模量，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用越 來(lái)越廣泛?；谔祭w維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合構(gòu)件因其輕質(zhì)高強(qiáng)和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)， 廣泛用于 各種航空飛行器的設(shè)計(jì)和制造，隨著我國(guó)航空工業(yè)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料用于飛 機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)材料的比例也在不斷提高。基于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)具有很好的面內(nèi)力學(xué)性能和可設(shè)計(jì)性， 但較低的層間強(qiáng)度和層間斷裂韌性影響和限制了其工程應(yīng)用，如層合板在低能量沖擊下容 易產(chǎn)生分層而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，復(fù)合材料構(gòu)件厚部及開口處容易產(chǎn)生分層破環(huán)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失 效，共固化結(jié)構(gòu)在結(jié)合面容易形成結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)等。纖維縫合技術(shù)及纖維編織技術(shù)是目前常用的增加復(fù)合材料構(gòu)件層間強(qiáng)度的方法， 采用聚合物復(fù)合材料穿過(guò)厚度方向與鋪疊的纖維縫合，或直接將纖維編織制成預(yù)型件后浸 漬樹脂，制備三維增強(qiáng)型復(fù)合材料。但是上述方法無(wú)法用于飛行器復(fù)合材料構(gòu)件常用的預(yù) 浸料_熱壓罐成型工藝，制約了復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合構(gòu)件層 間強(qiáng)度和層間斷裂韌性的不足，通過(guò)在層合結(jié)構(gòu)的垂直方向植入微徑碳纖維桿，來(lái)提升復(fù) 合材料構(gòu)件的層間性能，從而達(dá)到增強(qiáng)、減重的目的。為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)施的
微徑碳纖維桿增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于包括以下的步 驟(1)利用拉擠成型工藝制備微徑碳纖維桿；(2)采用數(shù)控植入機(jī)將微徑碳纖維桿植入泡 沫載體中；(3)借助超聲輔助植入設(shè)備將微徑碳纖維桿從泡沫載體導(dǎo)入樹脂基復(fù)合材料預(yù) 浸料坯件；(4)除去泡沫，將微徑碳纖維桿與預(yù)浸料坯件共固化，得到微徑碳纖維桿增強(qiáng)的 樹脂基復(fù)合材料共固化構(gòu)件。前述的微徑碳纖維桿增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于所述 碳纖維為微徑碳纖維桿，直徑為0. 3mm至0. 5mm。前述微徑碳纖維桿增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于所述碳 纖維與樹脂基復(fù)合材料的體積比是ο. 44%-3. 14%。前述微徑碳纖維桿增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于采用拉 擠成型工藝制備碳纖維所采用的樹脂選自環(huán)氧樹脂或者雙馬來(lái)酰亞胺樹脂。前述微徑碳纖維桿增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于碳纖維 植入方向?yàn)橹踩朦c(diǎn)復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層法線方向。
前述微徑碳纖維桿增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于樹脂基 復(fù)合材料預(yù)浸料坯件通過(guò)熱壓罐成型工藝制備。本發(fā)明制備的微徑碳纖維桿增強(qiáng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，通過(guò)微徑碳纖維桿的作用， 將層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的各子層沿垂直于鋪層方向固結(jié)在一起，同未用碳纖維增強(qiáng)的層合結(jié) 構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件相比，顯著提高了層間斷裂韌性，從而提高層間性能。通過(guò)上述設(shè)計(jì)，這種 微徑碳纖維桿增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在保持相同使用強(qiáng)度情況下，顯著降低材料成本 同時(shí)達(dá)到減重效果，在航空航天領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。


圖1為微徑碳纖維桿拉擠成型工藝流程圖；其中1-紗筒；2-膠槽；3-模具；4-加 熱塊；5-牽引輥；6-收卷輥；
圖2為超聲輔助植入工藝流程圖；圖2a為將植入一定方向和分布微徑碳纖維桿的泡沫 載體放在復(fù)合材料預(yù)浸料坯件上表面；其中7-碳纖維；8-泡沫載體；9-復(fù)合材料預(yù)浸料坯 件；10-超聲設(shè)備；
圖2b為采用超聲輔助植入設(shè)備將微徑碳纖維桿垂直植入預(yù)浸料坯件中； 圖2c為將微徑碳纖維桿完全植入 預(yù)浸料坯件中；
圖2d為除去割除泡沫載體和多余長(zhǎng)度的微徑碳纖維桿，得到微徑碳纖維桿增強(qiáng)的樹 脂基復(fù)合材料坯件；
圖3為實(shí)施例1所采用的U3160層合板預(yù)浸料熱壓罐固化工藝曲線； 圖4為實(shí)施例1經(jīng)植入微徑碳纖維桿的層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料截面圖； 圖5為實(shí)施例2所采用的HT7/5429層合板預(yù)浸料熱壓罐固化工藝曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)施方案。實(shí)施例1
將碳纖維(日本Toray T300-1K)浸漬在環(huán)氧樹脂(昆山裕博樹脂廠，F(xiàn)W-77型)，采用 拉擠成形工藝(如圖1所示)制備直徑0. 3mm的碳纖維，其中膠槽溫度為36°C，模具溫度為 89°C，拉擠速度為0. 18m/min。圖2為超聲輔助植入工藝流程圖，參照?qǐng)D2所示，將上述微徑碳纖維桿切割成長(zhǎng)度 為6mm定長(zhǎng)桿，按體積分?jǐn)?shù)3. 14%均勻植入泡沫載體中；將植入微徑碳纖維桿的泡沫載體放 在復(fù)合材料預(yù)浸料坯件上表面(圖2a所示)，通過(guò)超聲輔助設(shè)備將微徑碳纖維桿垂直植入鋪 層結(jié)構(gòu)為
24的5224高溫環(huán)氧樹脂基國(guó)產(chǎn)碳纖維U3160層合板預(yù)浸料件(圖2b、2c)，除 去泡沫載體和多余長(zhǎng)度的微徑碳纖維桿(圖2d)，得到微徑碳纖維桿增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料 坯件。圖4為實(shí)施例1經(jīng)植入微徑碳纖維桿的層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料截面圖。植入微徑碳纖維桿的預(yù)浸料件采用熱壓罐固化，圖3為熱壓罐固化工藝圖；固化 后的微徑碳纖維桿增強(qiáng)U3160型復(fù)合材料層合板II型斷裂韌性平均值2338. 4J/m2 ；而未經(jīng) 植入微徑碳纖維桿的復(fù)合材料U3160型復(fù)合材料層合板II型斷裂韌性平均值僅為543J/ m2,增強(qiáng)后增加330%，說(shuō)明微徑碳纖維桿對(duì)提高復(fù)合材料層合板的斷裂韌性效果顯著。實(shí)施例2將碳纖維(日本Toray T300-1K)浸漬雙馬來(lái)酰亞胺樹脂(QC-130)，采用拉擠成形工藝 制備直徑0. 3mm微徑碳纖維桿，膠槽溫度為95°C，模具溫度為180°C，拉擠速度為0. 18m/ min ；將上述微徑碳纖維桿采用自制數(shù)控植入機(jī)切割成長(zhǎng)度為5mm定長(zhǎng)桿，按體積分?jǐn)?shù) 0. 44%均勻植入泡沫載體中；將植入微徑碳纖維桿的泡沫載體放在復(fù)合材料預(yù)浸料坯件上 表面，通過(guò)超聲設(shè)備將微徑碳纖維桿垂直植入鋪層結(jié)構(gòu)為W]24的5224高溫環(huán)氧樹脂基國(guó) 產(chǎn)碳纖維U3160預(yù)浸料件，除去泡沫，得到微徑碳纖維桿增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料坯件。植入微徑碳纖維桿的預(yù)浸料件采用圖3的熱壓罐工藝固化成型；固化后的微徑碳 纖維桿增強(qiáng)U3160型復(fù)合材料層合板II型斷裂韌性平均值870. 2J/m2，比未增強(qiáng)的復(fù)合材 料斷裂韌性提高59. 9%。實(shí)施例3
將碳纖維(日本Toray T300-3K)浸漬環(huán)氧樹脂(昆山裕博樹脂廠FW-125型)，采用拉擠 成形工藝制備直徑0. 5mm微徑碳纖維桿，膠槽溫度為36°C，模具溫度為129°C，拉擠速度為
0.18m/min。將上述微徑碳纖維桿采用自制數(shù)控植入機(jī)切割成長(zhǎng)度為3mm定長(zhǎng)桿，按體積分?jǐn)?shù)
1.23%均勻植入泡沫載體中；將植入微徑碳纖維桿的泡沫載體放在復(fù)合材料預(yù)浸料坯件上 表面，通過(guò)超聲設(shè)備將定長(zhǎng)微徑碳纖維桿垂直植入鋪層結(jié)構(gòu)為W2/90/02/90/02/90/03]s的 HT7/5429雙馬來(lái)酰亞胺單向碳纖維預(yù)浸料件，除去泡沫，得到微徑碳纖維桿增強(qiáng)的樹脂基 復(fù)合材料坯件。植入微徑碳纖維桿的預(yù)浸料件采用圖5的熱壓罐工藝固化成型；固化后的 微徑碳纖維桿增強(qiáng)HT7/5429復(fù)合材料層合板II型斷裂韌性平均值924. 04J/m2,比處理之 前的斷裂韌性提高77%。本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來(lái)限定權(quán)利要求，本發(fā)明的保 護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于包括以下的步驟 (1)利用拉擠成型工藝制備微徑碳纖維桿；(2)采用數(shù)控植入機(jī)將碳纖維桿植入泡沫載體 中；(3)采用超聲輔助植入設(shè)備將微徑碳纖維桿從泡沫載體導(dǎo)入樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料坯 件；(4)除去泡沫，將碳纖維桿與預(yù)浸料坯件固化，得到多向增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料共固化 構(gòu)件。
2.如權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于 所述碳纖維桿為微徑碳纖維桿，直徑為0. 3mm至0. 5mm。
3.如權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于 所述碳纖維桿與樹脂基復(fù)合材料的體積比是0. 44%-3. 14%。
4.如權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于 采用拉擠成型工藝制備碳纖維所采用的樹脂選自環(huán)氧樹脂或者雙馬來(lái)酰亞胺樹脂。
5.如權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于 碳纖維植入方向?yàn)橹踩朦c(diǎn)復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層法線方向。
6.如權(quán)利要求1所述的碳纖維桿增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在 于樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料坯件通過(guò)熱壓罐成型工藝制備。
7.如權(quán)利要求1所述的碳纖維桿增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在 于碳纖維與預(yù)浸料坯件采用熱壓罐工藝共固化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法，包括以下的步驟(1)利用拉擠成型工藝制備微徑碳纖維桿，直徑為0.3mm至0.5mm；(2)采用數(shù)控植入機(jī)按照設(shè)計(jì)的方向和分布密度將碳纖維植入泡沫載體中；(3)借助超聲輔助植入設(shè)備將微徑碳纖維桿從泡沫載體導(dǎo)入樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料坯件，碳纖維桿與樹脂基復(fù)合材料的體積比是0.44%-3.14%；(4)除去泡沫后將微徑碳纖維桿與預(yù)浸料坯件共固化，得到多向增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料共固化構(gòu)件。本發(fā)明將層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的各子層沿垂直于鋪層方向固結(jié)在一起，與未用多向增強(qiáng)的層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件相比，顯著提高了層間斷裂韌性，從而提高層間性能。
文檔編號(hào)B29C70/44GK102107535SQ20101059890
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者文友誼, 文瓊?cè)A, 竇作勇, 肖軍, 陳雯娜 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué), 成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司