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CN114932693B - 高开孔拉伸强度的碳纤维复合材料层压板的制备方法 - Google Patents

高开孔拉伸强度的碳纤维复合材料层压板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高开孔拉伸强度的碳纤维复合材料层压板的制备方法。所述方法将适当数量的碳纤维预浸料单向层按[45/0/‑45/‑90]ns顺序铺贴，然后在热压机中中温固化环氧树脂体系的固化制度进行升温加压固化成型层压板。本发明方法制备的碳纤维复合材料层压板具有良好的开孔拉伸性能，其中，铺层顺序为[45/0/‑45/90]2s、固化制度为预固化温度：130℃，固化时间：60min，热压机压力：6吨；固化温度：185℃，固化时间：180min、热压机压力：12吨条件下制得的层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度达到550MPa，为T800级碳纤维复合材料在开孔设计使用提供了必要的许用值。

Description

高开孔拉伸强度的碳纤维复合材料层压板的制备方法
技术领域
本发明属于先进复合材料技术领域，涉及一种高开孔拉伸强度的碳纤维复合材料层压板的制备方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料因为比强度高、比刚度大及良好的可设计性，广泛的应用于航空航天等尖端领域。为适应航空航天等尖端领域的进一步需求，对碳纤维预浸料层压板制备工艺提出了更高的要求。热压成型工艺具有生产效率高、便于实现规模化生产、产品尺寸精度高、重复性好等优点，在碳纤维预浸料层压板制备领域受到广泛关注。
碳纤维复合材料在设计应用过程中不可避免地需要开孔，因此碳纤维复合材料的开孔拉伸强度是在实际应用中最关键的指标，是碳纤维增强复合材料的许用值，它反映实际应用中碳纤维增强复合材料的各种不同损伤。文献1对碳纤维中温预浸料进行实验对比分析，其中温碳纤维复合材料的极限开孔拉伸强度在330～400MPa，为最接近国外拉伸强度为500MPa左右的碳纤维复合材料(袁慧秀,窦松柏,孙胜平,朱祥松,朱凡.碳纤维复合材料层压板开孔拉伸静态力学测试研究[J].陶瓷学报,2014,35(02):159-162.)。文献2对碳纤维TFP预制件增强复合材料的开孔拉伸强度进行了研究，TFP碳纤维预制件的复合材料开孔拉伸强度值为343MPa，碳纤维平纹机织物的复合材料开孔拉伸强度值304MPa(梁群群,刘婷,吕凯明,王永利.变角度牵引铺缝复合材料开孔拉伸性能研究[J].高科技纤维与应用,2021,46(04):24-28.)上述结果表明现有方法制得的碳纤维复合材料的开孔拉伸强度仍有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高开孔拉伸强度的碳纤维复合材料层压板的制备方法，以T800级碳纤维预浸料为基材，制备用于开孔拉伸试验的层压板。
实现本发明目的的技术方案如下：
高开孔拉伸强度的碳纤维复合材料层压板的制备方法，将适当数量的碳纤维预浸料单向层铺贴，其铺贴顺序为[45/0/-45/-90]ns，其中n＝2、3或4，在热压机中以树脂体系的固化工艺进行升温加压固化成型层压板，具体步骤如下：
(1)下料与铺贴：下料时，使用预浸料裁切机，以预浸料单向带裁以料边作为基准线，再将T800级碳纤维预浸料单向带铺贴，得到制件预浸料坯件，其中铺贴顺序为[45/0/-45-90]ns，n＝2，3或4；
(2)模具预处理：将模具表面清理，均匀地涂抹上脱模剂；
(3)装模：将制件预浸料坯件放入下模具中，盖上上模具；
(4)固化与脱模：将装模后的制件预浸料坯件放置于热压机平板上，通过升降热压机平台压实模具，以中温固化环氧树脂体系的固化制度进行升温加压固化，固化结束后，保压降温至60℃以下，降下热压机，开模取出碳纤维复合材料层压板；所述的中温固化环氧树脂体系按重量份数计由以下成分组成：环氧树脂预聚体混合物45份，热塑性塑料氨基改性乙烯-辛烯共聚物20份，增韧粒子纳米级碳酸钙15份，固化剂二乙氨基丙胺20份和HDG-A/B环氧树脂固化促进剂0.5份，其中环氧树脂预聚体混合物由双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂和海因环氧树脂组成，固化制度为预固化温度：130±5℃，固化时间：60±5min，热压机压力：6±0.2吨；固化温度：185±5℃，固化时间：180±10min，热压机压力：12±0.2吨。
优选地，步骤(1)中，铺贴顺序为[45/0/-45-90]2s。
优选地，步骤(4)中，降温速度为0.8℃/min。
优选地，步骤(4)中，固化制度为预固化温度：1305℃，固化时间：60min，热压机压力：6吨；固化温度：185℃，固化时间：180min，热压机压力：12吨。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明方法制备的碳纤维复合材料层压板具有良好的开孔拉伸性能，其中，铺层顺序为[45/0/-45/90]2s、固化制度为预固化温度：130℃，固化时间：60min，热压机压力：6吨；固化温度：185℃，固化时间：180min、热压机压力：12吨条件下制得的层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度达到550MPa，为T800级碳纤维复合材料在开孔设计使用提供了必要的许用值。
附图说明
图1为[45/0/-45-90]2s铺贴顺序示意图。
具体实施方法
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
下述实施例中，碳纤维预浸料中的树脂体系为中温固化环氧树脂体系，按重量份数计由以下成分组成：环氧树脂预聚体混合物45份，热塑性塑料氨基改性乙烯-辛烯共聚物20份，增韧粒子纳米级碳酸钙15份，固化剂二乙氨基丙胺20份和HDG-A/B环氧树脂固化促进剂0.5份，其中环氧树脂预聚体混合物由双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂和海因环氧树脂组成。
实施例1
使用预浸料裁切机，以预浸料单向带料边作为基准线，裁切适当数量的T800级碳纤维预浸料单向带，再以[45/0/-45-90]2s的铺贴顺序将预浸料单向带铺贴。将模具表面清理，均匀的涂抹上脱模剂。将制件预浸料坯件放入下模具中，盖上上模具。将装模后的制件预浸料坯件放置于热压机平板上，通过升降热压机平台压实模具，以中温固化环氧树脂体系的固化制度进行固化，具体为：预固化温度：130℃，固化时间：60min，热压机压力：6吨；固化温度：185℃，固化时间：180min，热压机压力：12吨。固化结束后，以0.8℃/min的速度保压降温至60℃以下，降下热压机，开模取出碳纤维复合材料层压板。将碳纤维复合材料层压板通过雕刻设备制备成开孔拉伸试验用试样，经标准环境调节后，按ASTM D 5766的标准进行开孔拉伸性能测试，测得在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度为550MPa。
实施例2
方法如实施例1，铺层顺序不变，将固化制度改为：预固化温度：135℃，固化时间：65min，热压机压力：6.2吨；固化温度：190℃，固化时间：190min，热压机压力：12.2吨。测试碳纤维复合材料层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度为544MPa。
实施例3
方法如实施例1，铺层顺序不变，将固化制度改为：预固化温度：125℃，固化时间：55min，热压机压力：5.8吨；固化温度：180℃，固化时间：170min，热压机压力：11.8吨。测试碳纤维复合材料层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度为547MPa。
实施例4
方法如实施例1，将铺层顺序改为[45/0/-45-90]3s，固化制度不变。测试碳纤维复合材料层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度为531MPa。
实施例5
方法如实施例1，将铺层顺序改为[45/0/-45-90]4s，固化制度不变。测试碳纤维复合材料层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度为523MPa。
对比例1
方法如实施例1，铺层顺序不变，将固化制度改为：预固化温度：110℃，固化时间：50min，热压机压力：4吨；固化温度：185℃，固化时间：180min，热压机压力：12吨。测试碳纤维复合材料层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度为502MPa。
对比例2
方法如实施例1，铺层顺序不变，将固化制度改为：预固化温度：135℃，固化时间：60min，热压机压力：6吨；固化温度：160℃，固化时间：120min，热压机压力：10吨。测试碳纤维复合材料层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度为486MPa。
对比例3
方法如实施例1，铺层顺序不变，将固化制度改为：预固化温度：160℃，固化时间：70min，热压机压力：8吨；固化温度：185℃，固化时间：180min，热压机压力：12吨。测试碳纤维复合材料层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度为492MPa。
对比例4
方法如实施例1，铺层顺序不变，将固化制度改为：预固化温度：135℃，固化时间：60min，热压机压力：6吨；固化温度：195℃，固化时间：190min，热压机压力：15吨。测试碳纤维复合材料层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度为473MPa。
对比例5
方法如实施例1，铺层顺序不变，将固化制度改为：没有预固化，固化温度：185℃，固化时间：180min，热压机压力：12吨。测试碳纤维复合材料层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度为528MPa。
对比例6
方法如实施例1，将T800级碳纤维预浸料改为T700级碳纤维预浸料。铺层顺序不变，固化制度不变。测试碳纤维复合材料层压板在23℃/50％RH下的开孔拉伸强度为426MPa。
通过实施例1～5，可以看出本发明公开的碳纤维复合材料层压板有较高的开孔拉伸强度。
通过实施例1与实施例4、5的比较，可以看出其他铺层顺序的碳纤维复合材料层压板的开孔拉伸强度相较于[45/0/-45-90]2s铺层顺序的碳纤维复合材料层压板更低。
通过实施例1与对比例1的比较，可以看出预固化不完全的碳纤维复合材料层压板的开孔拉伸强度较低。
通过实施例1与对比例2的比较，可以看出未完全固化的碳纤维复合材料层压板的开孔拉伸强度较低且碳纤维复合材料层压板厚度不易控制。
通过实施例1与对比例3的比较，可以看出过度预固化的碳纤维复合材料层压板的开孔拉伸强度较低。
通过实施例1与对比例4的比较，可以看出过度固化的碳纤维复合材料层压板的开孔拉伸强度较低。
通过实施例1与对比例5的比较，可以看出没有预固化的碳纤维复合材料层压板的开孔拉伸强度较低。
通过实施例1与对比例6的比较，可以看出所用T800级碳纤维预浸料的碳纤维复合材料层压板的开孔拉伸强度较现有的T700级碳纤维预浸料的碳纤维复合材料层压板的开孔拉伸强度高。
表1各实施例和对比例的制备条件和开孔拉伸强度

Claims (4)

1.高开孔拉伸强度的碳纤维复合材料层压板的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）下料与铺贴：下料时，使用预浸料裁切机，以预浸料单向带裁以料边作为基准线，再将T800级碳纤维预浸料单向带铺贴，得到制件预浸料坯件，其中铺贴顺序为[45/0/-45-90] ns ，n=2，3或4；
（2）模具预处理：将模具表面清理，均匀地涂抹上脱模剂；
（3）装模：将制件预浸料坯件放入下模具中，盖上上模具；
（4）固化与脱模：将装模后的制件预浸料坯件放置于热压机平板上，通过升降热压机平台压实模具，以中温固化环氧树脂体系的固化制度进行升温加压固化，固化结束后，保压降温至60℃以下，降下热压机，开模取出碳纤维复合材料层压板；所述的中温固化环氧树脂体系按重量份数计由以下成分组成：环氧树脂预聚体混合物45份，热塑性塑料氨基改性乙烯-辛烯共聚物20份，增韧粒子纳米级碳酸钙15份，固化剂二乙氨基丙胺20份和HDG-A/B环氧树脂固化促进剂0.5份，其中环氧树脂预聚体混合物由双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂和海因环氧树脂组成，固化制度为预固化温度：130±5℃，固化时间：60±5min，热压机压力：6±0.2吨；固化温度：185±5℃，固化时间：180±10min，热压机压力：12±0.2吨。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，铺贴顺序为[45/0/-45-90] 2s 。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，降温速度为0.8℃/min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，固化制度为预固化温度：130℃，固化时间：60min，热压机压力：6吨；固化温度：185℃，固化时间：180min，热压机压力：12吨。
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