一種形狀記憶復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于形狀記憶材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種面向航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的形狀記憶復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在航空領(lǐng)域，智能變形技術(shù)的發(fā)展已成為飛行器結(jié)構(gòu)功能智能化設(shè)計(jì)的重要趨勢，利用形狀記憶效應(yīng)可以自由的改變飛機(jī)的構(gòu)型，比如機(jī)翼的形狀，擴(kuò)展飛機(jī)的傳統(tǒng)任務(wù)領(lǐng)域，提升飛機(jī)的綜合性能。在航天領(lǐng)域，由于航天器發(fā)射尺寸的限制，而且在外太空裝配施工的困難性，空間可展開太陽帆、桁架和天線等大型結(jié)構(gòu)在發(fā)射前必須折疊，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定軌道后經(jīng)可靠的展開過程達(dá)到工作狀態(tài)。采用形狀記憶材料可實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)的自主展開。這項(xiàng)技術(shù)能有效減小航天器的發(fā)射體積，不需要復(fù)雜的機(jī)械輔助系統(tǒng)，展開時(shí)震動小，降低了發(fā)射成本。
[0003]常見的形狀記憶材料有形狀記憶合金，形狀記憶聚合物和形狀記憶復(fù)合材料。形狀記憶合金具有小尺寸，高強(qiáng)度，應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，但是其制造成本高，回復(fù)變形有限，展開時(shí)系統(tǒng)振動較大。與金屬或合金相比，聚合物的性能要更容易優(yōu)化和改善，而且具有質(zhì)輕，價(jià)格低廉的特點(diǎn)。形狀記憶聚合物具有形變率高，響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。但是聚合物的強(qiáng)度和剛度較低，目前只能應(yīng)用于自修復(fù)材料，醫(yī)療等對力學(xué)性能要求不高的領(lǐng)域。通過在聚合物中加入無序短纖維、顆粒增強(qiáng)材料得到形狀記憶復(fù)合材料繼承了形狀記憶聚合物優(yōu)良的形狀記憶性能，但其力學(xué)性能仍然較低，不能應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。采用連續(xù)纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料的整體剛度較大，在材料形狀記憶轉(zhuǎn)變溫度以上破壞應(yīng)變小，導(dǎo)致材料變形能力差，折疊效率低，形狀保持率低，具有較大的使用局限性，不能滿足大變形的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:提出一種力學(xué)性能及形狀記憶性能均好的形狀記憶復(fù)合材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:選擇合適的取向非連續(xù)纖維絲束，其纖維平均長度為10mm-150mm ;以取向非連續(xù)纖維絲束作為增強(qiáng)體，形狀記憶樹脂作為基體，制備形狀記憶復(fù)合材料，其成型固化方法為如下之一:
[0006](I)將形狀記憶樹脂通過膠膜機(jī)制備成膠膜，然后經(jīng)由復(fù)合機(jī)與取向非連續(xù)纖維絲束或由取向非連續(xù)纖維絲束編織成的織物復(fù)合，制備取向非連續(xù)纖維增強(qiáng)形狀記憶樹脂預(yù)浸料，根據(jù)樹脂的流變特性選擇合適的制膜溫度和復(fù)合溫度條件，控制預(yù)浸料纖維體積分?jǐn)?shù)為10% -60% ;根據(jù)制備的復(fù)合材料制件的形狀特征與樹脂的成型溫度和壓力條件選擇合適的成型工藝，可以為真空袋、熱壓罐或模壓成型方法中的一種；
[0007](2)通過預(yù)浸機(jī)將取向非連續(xù)纖維絲束與形狀記憶樹脂復(fù)合制成取向非連續(xù)纖維預(yù)浸絲束，采用纖維纏繞方法成型，熱塑性樹脂預(yù)浸絲束在纏繞時(shí)通過外加的紅外或激光熱源加熱可實(shí)現(xiàn)同步固化，得到形狀記憶復(fù)合材料，熱固性樹脂預(yù)浸絲束纏繞時(shí)根據(jù)樹脂的粘度特性控制合適的環(huán)境溫度，纏繞完成后轉(zhuǎn)移到烘箱或熱壓罐中固化，根據(jù)樹脂的固化反應(yīng)特性選擇相應(yīng)的溫度和壓力條件；
[0008](3)將纖維絲束編織成織物，并將織物鋪放在模具中制成預(yù)成型體，根據(jù)制備的復(fù)合材料制件的形狀特征與樹脂的流變特性選擇合適的成型工藝，可以為采用樹脂真空吸注成型(VARI)、樹脂傳遞模塑成型(RTM)或樹脂膜熔滲成型(RFI)方法中的一種，經(jīng)固化后得到形狀記憶復(fù)合材料。
[0009]本發(fā)明中采用的纖維絲束包括下面一種或幾種:碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維、聚酰胺纖維、聚酯纖維或超高分子量聚乙烯纖維。
[0010]本發(fā)明中采用的形狀記憶樹脂包括形狀記憶熱固性樹脂、形狀記憶熱塑性樹脂及形狀記憶熱固性樹脂與形狀記憶熱塑性樹脂的混合物:其中，形狀記憶熱固性樹脂為形狀記憶交聯(lián)聚乙烯、形狀記憶交聯(lián)聚苯乙烯、形狀記憶聚氨醋、形狀記憶環(huán)氧樹脂、形狀記憶氰酸酯樹脂或形狀記憶雙馬樹脂；形狀記憶熱塑性樹脂為形狀記憶聚酯、形狀記憶聚氨酯或形狀記憶尼龍或其中任意兩種以上形狀記憶熱塑性樹脂的共聚物或共混物。
[0011 ] 本發(fā)明中采用的織物的織造形式可以是單向織物、平紋織物、緞紋織物、斜紋織物、無瑋布、無紡布或非屈曲織物(NCF)。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明中的取向非連續(xù)碳纖維是指具有固定長度或長度在一定范圍內(nèi)分布的短切碳纖維，其沒有經(jīng)過加捻工藝而在某一方向上高度取向的碳纖維絲束，由于非連續(xù)碳纖維的高度取向性，制備得到的復(fù)合材料力學(xué)性能與連續(xù)碳纖維復(fù)合材料相比，力學(xué)性能保持率高，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無序短切碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。本發(fā)明提出將取向非連續(xù)纖維與形狀記憶樹脂基體復(fù)合得到形狀記憶復(fù)合材料，這種復(fù)合形式使形狀記憶復(fù)合材料在固定態(tài)時(shí)保持了較高的力學(xué)性能，同時(shí)，由于其纖維是不連續(xù)的，且纖維平均長度與復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)均可調(diào)節(jié)，通過協(xié)同優(yōu)化可提高材料在形狀記憶轉(zhuǎn)變溫度以上的破壞應(yīng)變，使其具備較好的變形性和較高的折疊率，同時(shí)形狀固定率提高，為形狀記憶復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供一個(gè)新的思路和方向。
[0013]本發(fā)明中的復(fù)合材料體系繼承了形狀記憶樹脂和顆粒(或無序短切纖維)增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料良好的形狀記憶性能，同時(shí)又保持了較高的力學(xué)性能，在航空航天形狀記憶復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用潛力。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面通過實(shí)施例對本發(fā)明的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)做進(jìn)一步詳細(xì)說明，然而本發(fā)明技術(shù)方案并不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】。
[0015]具體實(shí)施例
[0016]具體實(shí)施例1
[0017]選用T300取向非連續(xù)碳纖維絲束，纖維平均長度為50mm，將中溫形狀記憶環(huán)氧樹脂用涂膠機(jī)制成半固態(tài)膠膜，然后將樹脂膠膜與取向非連續(xù)絲束通過預(yù)浸設(shè)備加熱加壓復(fù)合，制備得到碳纖維預(yù)浸料，纖維體積分?jǐn)?shù)為50%。將預(yù)浸料在模具上按一定的鋪層方式鋪疊，用熱壓罐加熱加壓固化，得到碳纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料。
[0018]具體實(shí)施例2
[0019]選用T700取向非連續(xù)碳纖維絲束，纖維平均長度為75mm，將碳纖維絲束織成平紋織物，面密度120g/m2，將形狀記憶雙馬樹脂用涂膠機(jī)制成半固態(tài)膠膜，然后將樹脂膠膜與平紋織物通過預(yù)浸設(shè)備加熱加壓復(fù)合，制備得到碳纖維織物預(yù)浸料，纖維體積分?jǐn)?shù)為35%。將預(yù)浸料在模具上按一定的鋪層方式鋪疊，用熱壓機(jī)加熱加壓固化，得到碳纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料。
[0020]具體實(shí)施例3
[0021]選用T800取向非連續(xù)碳纖維絲束，纖維平均長度為30mm，形狀記憶聚酯與聚氨酯共混聚合物薄膜，將纖維絲束與共混聚合物薄膜在復(fù)合機(jī)上經(jīng)熱壓復(fù)合得到預(yù)浸料，用熱壓機(jī)加壓加熱成型，得到碳纖維增強(qiáng)形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料，纖維體積分?jǐn)?shù)為35%。
[0022]具體實(shí)施例4
[0023]選用聚酯纖維絲束，纖維平均長度為55mm，將纖維絲束織成單向簾子布，面密度100g/m2，然后將單向簾子布鋪放在閉合的模腔中得到預(yù)成型體，與形狀記憶環(huán)氧樹脂通過樹脂傳遞模塑工藝復(fù)合固化，得到聚酯纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料，纖維體積分?jǐn)?shù)為40%。
[0024]具體實(shí)施例5
[0025]選用Kevlar-29取向非連續(xù)芳綸纖維絲束，纖維平均長度為50mm，將纖維絲束織成平紋織物，面密度61g/m2，采用樹脂膜熔滲成型方法，將形狀記憶氰酸酯樹脂膠膜鋪放在半開放模具表面，在其上鋪放取向非連續(xù)芳綸平紋織物預(yù)成型體，然后通過熱壓罐加熱熔融樹脂膜，在真空和外壓作用下使熔融樹脂滲透到纖維預(yù)成型體中，并排除氣體，得到碳纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種形狀記憶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:(一)、選擇取向非連續(xù)纖維絲束，其纖維平均長度為10mm-150mm ; (二)、以取向非連續(xù)纖維絲束作為增強(qiáng)體，形狀記憶樹脂作為基體，制備形狀記憶復(fù)合材料，其成型固化方法為如下之一: (1)將形狀記憶樹脂通過膠膜機(jī)制備成膠膜，然后經(jīng)由復(fù)合機(jī)與取向非連續(xù)纖維絲束或由取向非連續(xù)纖維絲束編織成的織物復(fù)合，制備取向非連續(xù)纖維增強(qiáng)形狀記憶樹脂預(yù)浸料，預(yù)浸料的纖維體積分?jǐn)?shù)為10% -60% ;然后采用真空袋、熱壓罐或模壓成型方法成型固化，得到形狀記憶復(fù)合材料； (2)通過預(yù)浸機(jī)將取向非連續(xù)纖維絲束與形狀記憶樹脂復(fù)合制成取向非連續(xù)纖維預(yù)浸絲束，采用纖維纏繞方法成型固化，得到形狀記憶復(fù)合材料； (3)將纖維絲束編織成織物，并將織物鋪放在模具中制成預(yù)成型體，采用樹脂真空吸注成型、樹脂傳遞模塑成型或樹脂膜熔滲成型方法成型固化，樹脂為形狀記憶樹脂，得到形狀記憶復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種形狀記憶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述纖維絲束包括下面一種或幾種:碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維、聚酰胺纖維、聚酯纖維或超高分子量聚乙烯纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種形狀記憶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的形狀記憶樹脂包括形狀記憶熱固性樹脂、形狀記憶熱塑性樹脂及形狀記憶熱固性樹脂與形狀記憶熱塑性樹脂的混合物:其中，形狀記憶熱固性樹脂為形狀記憶交聯(lián)聚乙烯、形狀記憶交聯(lián)聚苯乙烯、形狀記憶聚氨醋、形狀記憶環(huán)氧樹脂、形狀記憶氰酸酯樹脂或形狀記憶雙馬樹脂；形狀記憶熱塑性樹脂為形狀記憶聚酯、形狀記憶聚氨酯或形狀記憶尼龍或其中任意兩種以上形狀記憶熱塑性樹脂的共聚物或共混物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種形狀記憶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述織物的織造形式可以是單向織物、平紋織物、緞紋織物、斜紋織物、無瑋布、無紡布或非屈曲織物。
【專利摘要】本發(fā)明屬于形狀記憶材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種面向航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的形狀記憶復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明中的形狀記憶復(fù)合材料采用取向非連續(xù)纖維與形狀記憶熱塑性或熱固性樹脂基體復(fù)合得到，纖維在復(fù)合材料中呈高度取向狀態(tài)，與連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比力學(xué)性能保持率較高；同時(shí)纖維是不連續(xù)的，且纖維平均長度與纖維體積分?jǐn)?shù)均可調(diào)節(jié)，通過協(xié)同優(yōu)化可提高材料在形狀記憶轉(zhuǎn)變溫度以上的破壞應(yīng)變，使其具備較好的變形性和較高的折疊率，同時(shí)提高形狀固定率。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了形狀記憶復(fù)合材料力學(xué)性能和形狀記憶性能的綜合優(yōu)化，在航空航天形狀記憶復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用潛力。
【IPC分類】B29C70-34, C08L75-04, B29C70-48, B29C70-44, C08L63-00, C08L67-00, C08L77-10, C08L79-04, C08K7-06, C08L79-08
【公開號】CN104589672
【申請?zhí)枴緾N201410806303
【發(fā)明人】鄧華, 高軍鵬, 包建文, 劉燕峰
【申請人】中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2014年12月22日