CN108426760A - 制备碳纤维复合材料层间剪切强度样条的方法 - Google Patents

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张顺
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Abstract

本发明涉及一种制备复合材料层间剪切强度样条方法，属于复合材料的测试领域。a)在制样之前，根据碳纤维的规格和复合材料样条中纤维的含量计算所需碳纤维的根数；b)称量并配制适量的环氧树脂胶液，将其放入烘箱中热熔至透明状；c)将碳纤维置于退卷装置上，将其导入浸胶槽，将热熔后的环氧树脂胶液倒入浸胶槽中，没过纤维，并在缠丝板上缠绕相应根数浸渍胶液后的纤维；d)用刀片取下缠丝板上浸渍胶液的纤维，对称折叠3次后，平直放入提前在烘箱中预热且均匀涂有脱模剂的模具槽体的凹槽中；e)将纤维和槽体一并放入140℃的烘箱中加热60min，胶液***时取出模具槽体，放回140℃烘箱中继续加热60‑90min，取出后再次加压150‑280N·m，再放入160℃烘箱中固化2‑4h后，冷却、脱模切割成所需尺寸测试样条。

Description

制备碳纤维复合材料层间剪切强度样条的方法
技术领域
本发明涉及复合材料测试领域，具体地说是一种制备碳纤维复合材料层间剪切强度样条的方法。
背景技术
碳纤维是经1300-1600℃高温炭化制得的含碳量高达90％以上的新型碳材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导电、传热、减震、降噪等优异性能，被广泛应用于航空、航天等高科技领域，是重要的战略物资。作为一种脆性材料，碳纤维很少单独使用，多与环氧树脂结合制成复合材料以充分发挥其优良性能,由于碳纤维增强树脂基复合材料的力学性能取决于树脂基体与增强碳纤维界面的粘接性能，因此，常用碳纤维层间剪切强度的高低来衡量粘接性能的好坏，目前，制备碳纤维层间剪切强度样条通常采用的流程为：一种是利用退卷装置对碳纤维丝束进行退卷，然后经导丝辊导入胶液槽，经缠绕辊卷绕形成单向预浸布，另一种是经涂膜工序对树脂进行均匀涂膜，然后经浸胶工序制得单向预浸料，再经过剪切、叠层、真空压合、干燥制成平板和机械加工工序切割成符合要求的样条，这两种制样方式不仅工艺复杂、流程长，而且制样设备占据空间大，不适合在实验室使用单人无法完成制样操作，另外，制样过程中需要的碳纤维筒数多，也会造成不必要的浪费。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种制备碳纤维复合材料层间剪切强度样条的方法，通过样条的层间剪切强度实验可有效监控碳纤维复合材料生产过程中纤维表面的粘接性能和效果，为碳纤维复合材料产品质量的提高改进提供实验数据，该方法具有以下优点:制样快速、操作简单、设备占据空间小适合单人在实验室独立操作，节约成本碳纤维材料消耗低。
本发明为了解决上述技术问题，提供一种制备碳纤维层间剪切强度样条的方法，包括以下步骤：
a)在制样之前，根据碳纤维的规格和复合材料样条中纤维的含量计算所需碳纤维的根数：假设样条中碳纤维所占体积分数为f，层间剪切样条宽度为b mm，制样的厚度为h mm，每根碳纤维丝束的密度为Dg/cm3，碳纤维丝束的线密度为dg/km，则所需碳纤维根数N应满足公式：N=1000fbh /(d/D)；
b)称量并配制适量的环氧树脂胶液，将其放入烘箱中热熔至透明状；
c)将碳纤维置于退卷装置上，施加5-15N的退卷张力将其导入浸胶槽，将热熔后的环氧树脂胶液倒入浸胶槽中，没过纤维，并在缠丝板上缠绕相应根数浸渍胶液后的纤维；
d)用刀片取下缠丝板上浸渍胶液的纤维，对称折叠3次后，在纤维两端施加一定的张力，平直放入提前在烘箱中预热且均匀涂有脱模剂的模具槽体的凹槽中；
e )将纤维和槽体一并放入140℃的烘箱中加热60min，胶液***时取出模具槽体，将槽体和上盖契合后加压至槽体和上盖之间留有约0.5-0.8mm的缝隙时，放回140℃烘箱中继续加热60-90min，取出后再次加压150-280N·m，再放入160℃烘箱中固化2-4h后，冷却、脱模切割成所需尺寸测试样条。
本发明具的有益效果是通过样条的层间剪切强度实验可有效监控碳纤维复合材料生产过程中纤维表面的粘接性能和效果，为碳纤维复合材料的产品质量的改进提供实验数据，该发明的优点是: 制样快速、操作简单、设备占据空间小适合单人在实验室独立操作，节约成本碳纤维材料消耗低。
实施例一：
本实施例中所使用的纤维的线密度为445g/km，纤维密度1.78g/cm3，碳纤维层间剪切强度测试的制样方法具体步骤如下：
1．计算：假设碳纤维在试样中所占的体积分数为60%，则碳纤维层间剪切强度样条所需的纤维根数为：n=60%×10×2×103 /（445/1.78）=48根，绕取纤维的圈数为48/2=24圈 。
2．模具预热：在模具的槽体内和上盖的凸台上分别均匀涂抹脱模剂，放入140℃的烘箱中进行预热。
3．利用浸胶装置对碳纤维丝束浸渍胶液，通过调节退卷张力为5N, 控制纤维的树脂含量，确保浸渍的充分性。
4．将浸渍有环氧树脂的碳纤维丝束对折3次后对其施加一定的张力，保证其处于伸直状态，然后放入模具槽体内，碳纤维丝束的两端伸出槽体两侧，将模具连同折叠后的纤维一并放入140℃的烘箱中加热60min，取出后，将上盖的凸台和槽体契合，加压至模具留有0.5mm的缝隙后放回140℃烘箱中继续加热60min，取出后用力矩扳手对夹紧装置施加280N·m的力，使得碳纤维丝束的体积占模具容积60%，此时环氧树脂的体积占模具容积的40%。
5．将二次加压的模具放入烘箱中，使试样在160℃固化2h。
6．取出烘箱中的模具冷却至室温后，将模具内的样条取出，切割成10个长度20mm，宽度为6mm，高度为2mm的测试样条。
整个制样工序需要操作工1名，用时5-6小时。
实施例二：
本实施例中所使用的纤维的线密度为198g/km，纤维密度为1.78g/cm3，碳纤维层间剪切强度测试的制样方法具体步骤如下：
1．计算：假设碳纤维在试样中所占的体积分数为50%，则碳纤维层间剪切强度样条所需的纤维根数为：n=50%×10×2×103 /（198/1.78）=90根，绕取纤维的圈数为90/2=45圈。
2．模具预热：在模具的槽体内和上盖的凸台上分别均匀涂抹脱模剂，放入140℃的烘箱中进行预热。
3．利用浸胶装置对碳纤维丝束浸渍胶液，通过调节退卷张力为10N,控制纤维的树脂含量，确保浸渍的充分性。
4．将浸渍有环氧树脂的碳纤维丝束对折3次后对其施加一定的张力，保证其处于伸直状态，然后放入模具槽体内，碳纤维丝束的两端伸出模具槽体两侧，将模具连同折叠后的纤维一并放入140℃的烘箱中加热60min取出后，将模具上盖凸台和槽体契合，加压至模具留有0.65mm的缝隙后放回140℃烘箱中继续加热75min，取出后用力矩扳手对夹紧装置施加215N·m的力，使得碳纤维丝束的体积占模具容积50%，此时环氧树脂的体积占模具容积的50%。
5．将二次加压的模具放入烘箱中，使试样在160℃固化3h。
6．取出烘箱中的模具冷却至室温后，将模具内的样条取出，切割成10个长度20mm，宽度为6mm，高度为2mm的测试样条。
整个制样工序需要操作工1名，用时约7-8小时。
实施例三：
本实施例中所使用的纤维的线密度为800g/km，纤维密度为1.80g/cm3，碳纤维层间剪切强度测试的制样方法具体步骤如下：
1．计算：假设碳纤维在试样中所占的体积分数为40%，则碳纤维层间剪切强度样条所需的纤维根数为：n=40%×10×2×103 /（800/1.80）=18根，绕取纤维的圈数为18/2=9圈。
2．模具预热：在模具的槽体内和上盖的凸台上分别均匀涂抹脱模剂匀涂抹脱模剂，放入140℃的烘箱中进行预热。
3.利用浸胶装置对碳纤维丝束浸渍胶液，通过调节退卷张力为10N，控制纤维的树脂含量，确保浸渍的充分性。
4.将浸渍有环氧树脂的碳纤维丝束对折3次后对其施加一定的张力，保证其处于伸直状态，然后放入模具的槽体内，碳纤维丝束的两端伸出槽体两侧，将模具连同折叠后的纤维一并放入140℃的烘箱中加热60min取出后，将模具上盖的凸台和槽体契合，加压至模具留有0.8mm的缝隙后放回140℃烘箱中继续加热90min,取出后用力矩扳手对夹紧装置施加150N·m的力，使得碳纤维丝束的体积占模具容积40%，此时环氧树脂的体积占模具容积的60%。
5.将二次加压的模具放入烘箱中，使试样在160℃固化4h。
6. 取出烘箱中的模具冷却至室温后，将模具内的样条取出，切割成10个长度20mm，宽度为6mm，高度为2mm的测试样条。
整个制样工序需要操作工1名，用时约8-9小时。
碳纤维丝束长度大于模具的长度，模具的间隙贯穿模具长度方向的两端面，将浸渍胶液的丝束两端拉直后放入模具，丝束两端伸出模具两侧，保证加压过程中，可对纤维丝束两端施加张力，既保证模具内纤维丝束没有缠绕或卷曲，同时还可避免加压时，丝束出现回缩现象，造成加压部位卷曲，模具在使用前应均匀涂有脱模剂，放入烘箱内预热，便于样条成型后脱模，脱模时需使用材质较软的物品敲打模具，防止损伤样条。
对模具进行二次加压时，采用力矩扳手通过夹紧装置的螺栓对契合后模具施加150-280N·m的压力，既保证样条制备的一致性和可重复性，又可保证样条中的纤维含量满足要求含量。

Claims (1)

1.一种制备复合材料层间剪切强度样条的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在制样之前，根据碳纤维的规格和复合材料样条中纤维的含量计算所需碳纤维的根数：假设样条中碳纤维所占体积分数为f，层间剪切样条宽度为b mm，制样的厚度为h mm，每根碳纤维丝束的密度为Dg/cm3，碳纤维丝束的线密度为dg/km，则所需碳纤维根数N应满足公式：N=1000fbh /(d/D)；
b)称量并配制适量的环氧树脂胶液，将其放入烘箱中热熔至透明状；
c)将碳纤维置于退卷装置上，施加5-15N的退卷张力将其导入浸胶槽，将热熔后的环氧树脂胶液倒入浸胶槽中，没过纤维，并在缠丝板上缠绕相应根数浸渍胶液后的纤维；
d)用刀片取下缠丝板上浸渍胶液的纤维，对称折叠3次后，在纤维两端施加一定的张力，平直放入提前在烘箱中预热且均匀涂有脱模剂的模具槽体的凹槽中；
e)将纤维和槽体一并放入140℃的烘箱中加热60min，胶液***时取出模具槽体，将槽体和上盖契合后加压至槽体和上盖之间留有约0.5-0.8mm的缝隙时，放回140℃烘箱中继续加热60-90min，取出后再次加压150-280N·m，再放入160℃烘箱中固化2-4h后，冷却、脱模切割成所需尺寸测试样条。
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