中温固化树脂/碳布复合材料工艺性能研究

发表时间:2018/10/8   来源:《新材料.新装饰》2018年5月下   作者:王庆雷
[导读] 随着航空航天工业的发展,复合材料的研究与应用也在不断进步。本文详细分析了中温固化树脂/碳布复合材料的工艺性能。
(航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150060)
摘要:随着航空航天工业的发展,复合材料的研究与应用也在不断进步。本文详细分析了中温固化树脂/碳布复合材料的工艺性能。
关键词:中温固化树脂;碳布复合材料;工艺性能
 
        一、3233树脂简介
        3233树脂是一种具有韧性和阻燃性的中温固化树脂体系,其树脂体系的工艺性能良好,树脂体系复合材料的耐湿热性能和韧性较好,可用于复合材料层压结构和夹层。该树脂是一种粘度较高的潜伏性固化树脂,其固化反应比较缓慢,适应不同升温速率和不同加压点的成形工艺。
        二、实验部分
        1、主要原材料。3233树脂:自制;G814N碳布:法国进口。
        2、仪器设备。 热熔预浸机:自制;IMASS粘弹谱仪:美国进口;Perking-Elmer型热分析仪:美国进口;Brookfield DV-I型旋转粘度仪:美国进口。
        3、测试方法。拉伸性能:按Q/6S 1144-94进行;压缩性能:按Q/6S 1138-94进行;弯曲性能:按Q/6S 1141-94进行;层间剪切强度:按Q/6S 1142-94进行;剥离强度:按Q/6S 1145-94进行;凝胶时间:按GB 6584-86进行。
        4、预浸料、层压板及夹层板的制备
        1)预浸料的制备。3233树脂体系既适合湿法也适用于热熔法预浸工艺。所制备的预浸料物理性能符合相应材料标准,其主要指标见表1。
 
        2)层压板的制备。按层合板铺层要求将预浸料裁剪,按经向对经向铺贴,放入涂有脱模剂的模具内,用限位条控制其厚度,用模压法成型。按文中确定的固化工艺成型,铺层层数为1O层,层压板厚度为2±0.1mm。
        3)夹层板的制备。试样用芯材为NA-G5铝蜂窝,其厚度为16mm。上下面板铺层对称铺贴,每面2层。布的经向与试件最大尺寸及蜂窝的L方向平行。纬纱面与蜂窝接触,将组装好的真空袋放入烘箱内,边抽真空边升温,真空度为0.08~0.1 MPa,由室温升至125±5℃,在125±5℃下保温90min,自然冷却至60℃以下取出。
        三、结果与讨论
        1、3233树脂体系固化工艺
        1)粘度-温度曲线。树脂及预浸料的工艺性能主要由树脂体系的粘-温曲线决定,粘度低时,不容易成膜,无法用二步热熔法制备预浸料,并且制备层压板或制件时,树脂对温度和压力敏感,不易控制工艺,造成层压板或制件缺胶或分层等缺陷。粘度过高时,树脂不易浸透织物,并且预浸料粘性差,变硬,工艺性差等现象。因此树脂体系粘度-温度曲线对预浸料的制备和制件成型有一定的指导意义。当升温速率为2℃/min时,由其所测得的树脂体系粘度-温度曲线可知,曲线粘度最低点出现的较晚,并且最低点的粘度较高,表明树脂体系对加压点的选择不敏感,并且在该升温速率下,树脂体系在11O℃以下粘度没出现开始增加现象。对热熔预浸参数的选择提供较宽的温度和时间范围,具有良好的操作性及成形工艺适应性好的特点。
        2)凝胶时间与温度的关系。温度直接影响到树脂体系凝胶时间的长短,而凝胶时间是影响固化工艺和贮存期的关键因素。在不同温度下测试3233树脂的凝胶时间,由其结果可知,树脂体系在110℃以下温度下凝胶时间较长,它能为热熔预浸参数的选择和固化工艺的确定具有一定的参考价值。
        3)DSC分析。通过DSC分析可初步确定树脂体系的固化工艺。树脂的固化工艺一般在恒温条件下进行,而DSC分析通常采用等速升温法,对树脂体系采用不同的升温速率,DSC曲线的峰值温度有明显的差异,为了消除这种影响,将其峰始温度、峰值温度、峰末温度对升温速率作图。应用外推法求升温速率为0℃/min时的温度,从而确定最佳固化工艺范围。由树脂体系的峰温-升温速率的关系可知,外推至升温速率为0℃/min时的峰始温度、峰值温度、峰末温度为102℃、126℃、144℃。结合粘度-温度曲线,其层压板在125±5℃下固化。结合125±5℃时的凝胶时间,其层压板固化工艺定为125±5℃固化90min。在125±5℃用红外光谱和DSC分析也说明所选定的固化时间合理。采用红外光谱和DSC对不同固化时间的固化树脂进行测试,计算固化程度。环氧基团脂在915cm-1左右特征峰,随着固化时间的延长,在915cm-1左右的环氧基的特征峰变弱。采用红外光谱和DSC对不同固化时间的固化树脂测试,由其结果可知,DSC的结果比红外光谱的结果高一点,但2种方法测试建筑施工明,在90min时树脂已完全固化,说明所制定的固化温度和时间合理。
        2、预浸料的制备工艺对复合材料性能影响。用3233树脂体系可制备不同织物及单向纤维的预浸料,所制备的预浸料粘性适中,工艺性好,并可制造复杂曲面的制件。采用溶液法和热熔法分别浸渍G814TN碳布制备3233/G814TN预浸料,测试复合材料层压板的力学性能,由其结果可知,预浸料物理性能中,采用热熔胶膜法制造的预浸料挥发分含量比溶液法低得多,挥发分含量高低会影响层压板性能。另外,2种方法制备的预浸料层压板室温、80℃下的性能几乎相当,并且性能较高。说明2种方法对层压板干态性能没影响。但经湿热老化和水煮后溶液法预浸料层压板性能低于热熔法预浸料层压板性能。尤其是复合材料层压板层间剪切强度最明显。经过水煮后干燥处理的性能得到一定的恢复。这主要是由于在溶液法制备预浸料的过程中使用大量的溶剂,这些低分子溶剂在溶液法预浸过程中很难从预浸料中除去,在复合材料模压成型时,这些低分子化合物在高温下形成微小的气泡,形成孔隙留在层压板内,在水煮或湿热条件下,水分容易通过孔隙的毛细管作用,进入到树脂和纤维的界面处。由于水分子极性基团的作用削弱了树脂和纤维界面处的除化学键以外的次价键作用,因此会影响与界面直接关系的层间剪切强度。热熔法制备的预浸料滚筒剥离强度稍高于溶液法预浸料,并且热熔法预浸料的上下板性能较接近。这是因溶液法预浸料中的挥发分高,在成型温度下的树脂粘度比热熔法预浸料的粘度低,树脂容易流动,流到下板的树脂多,因此下板的强度比上板的大得多。
        四、结语
        总之,中温固化树脂体系不仅韧性较好,可直接用于蜂窝或泡沫夹层结构,而且具有良好的抗冲击性能及耐湿热老化性能,加压范围宽,固化工艺简单,固化工艺参数适应性强,与其它树脂易配合使用,可以共固化成型等优点。同时,其也适用于制备碳纤维及其织物、玻璃纤维及其织物、芳纶纤维及其织物等预浸料,并已实现批量生产,成功用于航空主承力件及次承力件上。
参考文献
[1]孙磊.一种中温固化高强度环氧胶粘剂的研制[J].粘接,2014(05).
[2]乌云其其格.中温固化阻燃环氧树脂/芳纶复合材料的研究[J].工程塑料应用,2014(11).
[3]刘东勋.预浸方法和环境对3233树脂复合材料耐湿热性能的影响[A].第十三届全国复台村料学术会议论文集[C],2015,1021-1025.
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