CN111002506B - 一种复合材料及其ooa制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种复合材料及其OOA制备方法，由部分浸润预浸料采用OOA工艺制备而成，部分浸润预浸料由树脂基体和纤维采用热熔法工艺制备得到，预浸料由上、下浸润层和中部的部分浸润层构成，中部的部分浸润层由不连续的非浸润纤维区域和浸润纤维区域构成。本发明采用上下完全浸润、中部部分浸润的预浸料，将干纤维留在预浸料内部，可以保证预浸料与常规预浸料相同的铺覆性，铺层时也不需要特别区分预浸料的表面状态，铺覆工艺性好，施工方便，采用OOA方法制备得到复合材料致密度高、合格率高。

Description

一种复合材料及其OOA制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其OOA制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

树脂基复合材料比强度、比模量高的特点使其在航空航天上获得了广泛应用，随着复合材料用量和产品尺寸的逐渐增大，以传统热压罐和模压为主的成型工艺，其高昂的设备投资、昂贵的工艺成本和不利于一体化整体成型的缺点日益显露，无法满足高性能复合材料产品低成本制造、一体化整体成型的需求，阻碍了复合材料的进一步扩大应用。以VARI为代表的液态成型在低成本制造和一体化整体成型上具有较大的优势，但其制造的复合材料产品纤维体积含量低，性能较差，无法满足航空航天领域对高性能复合材料的需求。现有热熔法工艺制备的传统双面浸胶预浸料不适用非热压罐OOA工艺，在成型时气体无法顺利排出，造成复合材料中缺陷，孔隙率高达5％～20％，复合材料力学性能较差。

为解决以上问题，早期存在一种单面树脂胶膜的部分浸润预浸料，虽然其满足高性能复合材料的非热压罐OOA工艺，但由于其将干纤维留在预浸料表面，所以存在有干纤维的一面铺覆性较差，铺层时需要特别注意干纤维表面的位置，否则容易出错导致产品报废的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种致密度高、提升合格率的复合材料及其OOA制备方法。

本发明的技术解决方案：一种复合材料，由部分浸润预浸料采用OOA工艺制备而成，所述的部分浸润预浸料由树脂基体和纤维采用热熔法工艺制备得到，预浸料由上、下浸润层和中部的部分浸润层构成，中部的部分浸润层由不连续的非浸润纤维区域和浸润纤维区域构成。

一种复合材料，由部分浸润预浸料采用OOA工艺制备而成，所述的部分浸润预浸料由含有纳米纤维或功能填料的树脂基体和纤维采用热熔法工艺制备得到，预浸料由上、下浸润层和中部的部分浸润层构成，中部的部分浸润层由不连续的非浸润纤维区域和浸润纤维区域构成，纳米纤维或功能填料添加量不低于树脂基体质量的0.5％。

一种复合材料OOA制备方法，通过以下步骤实现：

第一步，制备部分浸润预浸料，

A1.1、准备预浸料用树脂基体和纤维；

A1.2、采用步骤A1.1准备的树脂基体和纤维热熔法制备部分浸润预浸料，预浸料浸润度为70～90％；

第二步，下料，铺层；

第三步，预压实；

第四步，预固化；

第五步，后固化。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明采用上下完全浸润、中部部分浸润的预浸料，将干纤维留在预浸料内部，可以保证预浸料与常规预浸料相同的铺覆性，铺层时也不需要特别区分预浸料的表面状态，铺覆工艺性好，施工方便，采用OOA方法制备得到复合材料致密度高、合格率高；

(2)本发明部分浸润预浸料由于有内部的干纤维充当导气通道，在真空压力下就可将预浸料内的气体排出，使复合材料内部致密化，在较低的成型压力下，得到具有良好内部质量的复合材料产品；

(3)本发明设备投资小，综合制造成本低，采用本发明的部分浸润预浸料，不需要投资价格昂贵的热压罐和热压机，设备投资小，也不需要热压罐的高能耗和高昂的金属模具，综合制造成本低；

(4)本发明具有自粘接能力的预浸料制备夹芯材料时，更高的减重效率、节约材料成本，本发明复合材料面板与芯材间不需要添加结构胶膜或者提高预浸料的树脂含量，只需要采用正常树脂含量的预浸料，就可得到高粘接强度的夹层结构复合材料，可节省胶膜或者减少树脂用量，降低材料成本和进一步减轻产品重量。

附图说明

图1为本发明预浸料结构示意图；

图2为本发明工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。

本发明提供一种复合材料，由部分浸润预浸料采用OOA工艺制备而成，部分浸润预浸料如图1所示，由树脂基体和纤维采用热熔法工艺制备得到，预浸料由上、下浸润层和中部的部分浸润层构成，中部的部分浸润层由不连续的非浸润纤维区域和浸润纤维区域构成。

本发明通过控制预浸料成型时的温度和压力，控制非浸润纤维的含量，达到对预浸料浸润度的要求。浸润度要求70％～90％，浸润度是指浸润树脂的纤维含量占总纤维含量的百分比。不连续的非浸润纤维区域占中部部分浸润层的40～60％，中部部分浸润层占预浸料总量1/3到1/2。

本发明采用双层树脂膜制备预浸料时，通过控制热熔法工艺中的温度和压力，使中部的纤维只有部分被树脂基体浸润，保存了非浸润纤维区域，而预浸料上、下为浸润层，纤维被树脂基体完全浸润，保证其具有与普通常规预浸料相同的铺覆工艺性，中部树脂基体对纤维进行部分浸润，被浸润的纤维提供预浸料铺层时的刚度，未浸润的纤维充当导气通道，保证铺层时复合材料内部的气体可以顺利排出，即使仅在真空压力下，也能得到致密化的复合材料。

本发明在采用双层树脂膜制备预浸料时，为了在中部得到合适的部分浸润层，通过控制树脂基体的粘度和预浸料的复合压力来实现，本领域技术人员可以根据本发明要求的浸润度来选择所需的复合温度和压力。

进一步优选，树脂基体与纤维复合成预浸料时，选择合适的复合温度更为重要，优选使树脂基体在该复合温度下的粘度处于15000mPa.s～30000mPa.s之间，同时调整复合压力，以保证树脂基体对纤维仅处于70％～90％的部分浸润状态，从而达到如图1所示的微观结构效果。粘度在本发明优选范围内变化对后续复合材料成型影响不大，可忽略不计，压力根据预浸料的浸润度进行适度调整，最终以预浸料的浸润度作为本发明的核心衡量指标。在本发明要求的浸润度范围内，相同条件下，调整浸润度对后续制品的性能影响不大，可忽略不计。

若复合温度选取不合适，通过复合压力的调整来达到本发明浸润度要求的部分浸润预浸料较为困难，若复合温度太低，复合时树脂基体粘度太高，远高于本发明优选范围，树脂浸润性差，在预浸料设备可调整的压力范围内，复合压力可调空间较小，工艺性较差，预浸料制备过程中容易造成预浸料中间的干纤维过多，使得预浸料铺覆性太差不具有实用性；若复合温度太高，复合时树脂基体粘度太低，远低于本发明优选范围，在很低的复合压力下，树脂基体就可能完全浸润纤维，从而导致预浸料中没有干纤维区域，变成了全部浸润的预浸料，在后续复合材料成型过程中，复合材料内部的气体无法顺利排出，不能制备出符合内部质量要求的复合材料，无法适用于OOA工艺。

本发明对树脂基体种类没有特殊要求，根据复合材料性能要求来选择其种类，只要是能满足热熔法制备预浸料的树脂种类均可，如环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂等。

本发明采用的纤维为连续纤维，对纤维种类和形式没有特殊要求，根据复合材料性能要求来选择其种类和形式。纤维种类可以为玻璃纤维、碳纤维或者芳纶纤维等中的一种或者几种的混合物，纤维的形式可以是单向纤维、平纹织物、斜纹织物或者缎纹织物等。

本发明预浸料中树脂基体和纤维含量为热熔法制备预浸料的公知技术，本领域技术人员可以根据生产需要进行调整。一般连续纤维的质量百分比为55～75wt％，树脂基体的质量百分比为25～45wt％。纤维为单向纤维时优选比例纤维为65～70％、树脂基体为30～35％；纤维为纤维织物优选比例纤维为60～65％、树脂基体为35～40％。本发明的树脂基体指除了碳纤维外的所有其他材料，包括固化剂和其他必备的助剂等。

进一步，本发明的部分浸润预浸料的树脂基体中还可添加纳米纤维，部分浸润预浸料由含有纳米纤维的树脂基体和纤维采用热熔法工艺制备得到，预浸料由上、下浸润层和中部的部分浸润层构成，中部的部分浸润层由不连续的非浸润纤维区域和浸润纤维区域构成，纳米纤维添加量不低于树脂基体质量的0.5％，浸润度要求70％～90％。不连续的非浸润纤维区域占中部部分浸润层的40～60％，中部部分浸润层占预浸料总量1/3到1/2。

本发明添加纳米纤维可进一步提高复合材料的力学性能，若纳米纤维添加量达到树脂基体质量的0.5％以后，就可提高，原则上添加量越多，增强效果越高，但由于纳米纤维的添加会对预浸料制备工艺性造成影响，若添加量太大，纳米纤维分散均匀更为困难，易出现团聚的问题，一般不超过10％，本领域技术人员根据生产实际需要进行合适添加量选择。

预浸料中的树脂基体种类、含量(含纳米纤维)和纤维种类、含量及形式同上文记载的预浸料要求相同。添加纳米纤维的树脂基体与纤维复合成预浸料时，选择合适的复合温度，优选使添加纳米纤维的树脂基体在该复合温度下的粘度处于15000mPa.s～30000mPa.s之间。

本发明对纳米纤维的种类没有特殊要求，根据材料性能来选择合适种类，可以是碳纳米纤维、氧化钛纳米纤维或纳米晶须等。纳米纤维优选长径比不大于10000，优选纳米纤维直径为30～50纳米，进一步优选长径比在3000～7000，添加量为树脂基体质量的1～5％。纳米纤维长径比不能太大，太大纤维团聚厉害，分散困难。

根据本发明启示，制备部分浸润预浸料的树脂基体中可根据复合材料性能要求添加各种功能填料，得到具有特殊功能的部分浸润预浸料，用来制备不同性能需求的复合材料。

进一步，本发明如图2所示提供一种复合材料制备方法，通过以下步骤实现：

1、准备预浸料用树脂基体和纤维；

根据生产需要，确定树脂基体种类、含量及纤维种类、含量、形式，树脂基体包括固化剂、促进剂，将助剂添加到树脂中，搅拌均匀脱泡得到预浸料用树脂基体，纤维经过常规表面处理后备用。

2、采用步骤1准备的树脂基体和纤维热熔法制备预浸料。

本步骤中，优选预浸料复合温度保证树脂基体在该温度下的粘度为15000mPa.s～30000mPa.s，复合压力必须保证预浸料满足70～90％的浸润度要求。本发明热熔法制备预浸料采用现有预浸料生产设备上复合，其他工艺可以根据实际情况调整。

3、下料。

根据复合材料产品的尺寸，用自动裁布机裁剪所需尺寸、数量和铺层角度的部分浸润预浸料。

4、铺层。

在模具表面铺贴第一层预浸料，然后用真空袋封装后，室温抽真空预压实，以后每铺一～三层部分浸润预浸料，就用真空袋封装室温抽真空预压实，直至所有预浸料铺层完毕。抽真空预压实时间不低于15min，排出气体。

5、预压实。

将铺层后的预浸料铺层用真空袋封装，在室温下抽真空预压实不低于2h，将预浸料铺层中包裹的气体排出。优选预压实2～10h，预压实时间根据产品大小不同而不同，一般建议预压实最少时间按2小时*产品长度(单位mm)/500mm计算。

6、预固化。

在低于固化温度下，预固化不低于4h，一般要求树脂由液体变成不流动的固体。本发明中预固化使树脂在低粘度下逐步浸渍部分预浸料中没有被浸润的连续纤维或织物，使复合材料致密化，可得到孔隙率小于1％的复合材料，而现有技术复合材料制备过程中不能使复合材料致密化，得到的复合材料孔隙率在5％以上。

本步骤预固化温度选择，根据树脂基体的动态粘度曲线和等温粘度曲线，选择树脂粘度小于20000mPa.s，在该低粘度下保持时间不低于4h对应的温度，作为复合材料的预固化温度。

7、后固化。

后固化即可在将完成预固化后的产品直接继续升温至树脂的固化温度，也可将预固化后的产品脱模后，在自由状态下升温至树脂的固化温度，使树脂充分固化得到高性能复合材料产品。

后固化为本领域公知技术，本领域技术人员可根据树脂种类及具体生产需要选择合适的固化工艺。优选，直接继续升温固化，控制升温速率2～3℃/min，脱模后自由状态下固化，控制升温速率0.5～1℃/min；进一步优选，每15～25℃设置一个不低于1h的保温台阶，以防止复合材料固化变形。

更进一步，本发明复合材料选择的部分浸润预浸料中添加了纳米纤维，部分浸润预浸料通过以下步骤制备：

1、准备含纳米纤维的预浸料用树脂基体和纤维；

根据生产需要，确定树脂基体种类、含量及纤维种类、含量、形式，确定纳米纤维种类、尺寸和含量。先将纳米纤维添加到树脂中，混合均匀得到纳米纤维母料，再在纳米纤维母料中添加固化剂、促进剂等助剂，搅拌均匀脱泡得到含纳米纤维的预浸料用树脂基体，纤维经过常规表面处理后备用。

2、采用步骤1准备的含纳米纤维的树脂基体和纤维热熔法制备预浸料。

本步骤中，优选预浸料复合温度保证含纳米纤维的树脂基体在该温度下的粘度为15000mPa.s～30000mPa.s。复合压力必须保证预浸料满足70～90％的浸润度要求。

其余步骤同上文。

实施例1

预浸料：

T700连续碳纤维 65～68wt％

3068树脂 32～35wt％

预浸料浸润度 70～75％

制备预浸料复合温度65℃，树脂粘度21000mPa.s，复合压力根据预浸料浸润度调整。

本实例制备的预浸料采用OOA制备工艺得到复合材料，工艺具体如下：

1、下料。

用自动裁布机裁剪16层320*320mm的0°预浸料。

2、铺层。

在模具表面铺贴第一层预浸料，然后用真空袋封装后，室温抽真空预压实15min。以后每铺三层预浸料，就用真空袋封装室温抽真空预压实15min，直至所有预浸料铺层完毕，所有预浸料纤维均沿一个方向。

3、预压实。

将铺层后的预浸料铺层用真空袋封装，在室温下继续抽真空预压实2h，将预浸料铺层中包裹的气体排出。

4、预固化。

将预压实后的预浸料铺层在65℃固化8h，使树脂***完成复合材料的预固化。

5、后固化。

直接继续升温至130℃，使树脂充分固化，冷却至60℃以下脱模得到高性能复合材料平板。

制备的复合材料弯曲性能、层间剪切强度和孔隙率如表1所示。

实施例2

预浸料：

T700连续碳纤维 65～68wt％

3180树脂 32～35wt％

预浸料浸润度 75～80％

制备预浸料复合温度75℃，树脂粘度28000mPa.s，复合压力根据预浸料浸润度调整。

本实例制备的预浸料采用OOA制备工艺得到复合材料，复合材料OOA制备时预固化温度为90℃，后固化温度为180℃，其他同实施例1，制备的复合材料弯曲性能、层间剪切强度和孔隙率如表1所示。

实施例3

预浸料：

T700连续碳纤维 65～68wt％

9306双马树脂 32～35wt％

预浸料浸润度 80～85％

制备预浸料复合温度75℃，树脂粘度25000mPa.s，复合压力根据预浸料浸润度调整。

本实例制备的预浸料采用OOA制备工艺得到复合材料，复合材料OOA制备时预固化温度为100℃，后固化温度为200℃，其他同实施例1，制备的复合材料弯曲性能、层间剪切强度和孔隙率如表1所示。

实施例4

预浸料：

制备预浸料复合温度85℃，树脂粘度25000mPa.s，复合压力根据预浸料浸润度调整。

本实例制备的预浸料采用OOA制备工艺得到复合材料，复合材料OOA制备工艺同实施例3，制备的复合材料弯曲性能、层间剪切强度和孔隙率如表1所示。

比较例1

双层完全浸润预浸料：

T700连续碳纤维 65～68wt％

9306树脂 32～35wt％

预浸料浸润度 100％

制备预浸料复合温度100℃，树脂粘度10000mPa.s，复合压力能在100℃下使预浸料全部浸润。

本对比例制备的预浸料采用OOA制备工艺得到复合材料，复合材料OOA制备时预固化温度为100℃，后固化温度为200℃，其他同实施例1，制备的复合材料弯曲性能、层间剪切强度和孔隙率如表1所示。

比较例2

单层部分浸润预浸料：

T700连续碳纤维 65～68wt％

9306双马树脂 32～35wt％

制备预浸料复合温度100℃，树脂粘度10000mPa.s。复合压力调整至能使树脂从预浸料的一面刚好穿透预浸料达到另一面的表面，表面有5～15％左右的干纤维。

本对比例制备的预浸料采用OOA工艺制备复合材料，复合材料OOA制备时预固化温度为100℃，后固化温度为200℃，其他同实施例1，制备的复合材料弯曲性能、层间剪切强度和孔隙率如表1所示。

表1

从表1中可以看出，现有完全浸润预浸料和单层预浸料采用OOA工艺，与本发明部分浸润预浸料采用OOA工艺相比，复合材料的弯曲性能和层间剪切强度均有较大幅度的下降，孔隙率大幅度的上升，复合材料的内部质量明显变差。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种复合材料，其特征在于：由部分浸润预浸料采用OOA工艺制备而成，所述的部分浸润预浸料由含有纳米纤维的树脂基体和纤维采用热熔法工艺制备得到，预浸料由上、下浸润层和中部的部分浸润层构成，中部的部分浸润层由不连续的非浸润纤维区域和浸润纤维区域构成，纳米纤维添加量不低于树脂基体质量的0.5％，所述的含有纳米纤维的树脂基体在热熔法制备预浸料时的粘度为15000mPa.s～30000mPa.s。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料，其特征在于：所述的不连续的非浸润纤维区域占中部部分浸润层的40～60％，中部部分浸润层占预浸料总量1/3到1/2。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料，其特征在于：所述的纳米纤维长径比为1000～10000。

4.根据权利要求3所述的一种复合材料，其特征在于：所述的纳米纤维长径比在3000～7000，添加量为树脂基体质量的1～5％。

5.一种复合材料OOA制备方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

第一步，制备部分浸润预浸料，

A1.1、准备含纳米纤维的预浸料用树脂基体和纤维，含纳米纤维的树脂基体粘度为15000mPa.s～30000mPa.s；

A1.2、采用步骤A1.1准备的含纳米纤维的树脂基体和纤维热熔法制备部分浸润预浸料，预浸料浸润度为70～90％，预浸料由上、下浸润层和中部的部分浸润层构成，中部的部分浸润层由不连续的非浸润纤维区域和浸润纤维区域构成；

第二步，下料，铺层；

第三步，预压实；

第四步，预固化；

第五步，后固化。

6.根据权利要求5所述的一种复合材料OOA制备方法，其特征在于：所述第一步中纳米纤维长径比为1000～10000。

7.根据权利要求6所述的一种复合材料OOA制备方法，其特征在于：所述第一步中纳米纤维长径比在3000～7000，添加量为树脂基体质量的1～5％。

8.根据权利要求5所述的一种复合材料OOA制备方法，其特征在于：所述第四步预固化，预固化不低于4h，预固化温度为树脂粘度小于20000mPa.s，在该低粘度下保持时间不低于4h对应的温度。

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