一种碳纤维单向布增强树脂基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料成型，尤其涉及一种碳纤维单向布增强树脂基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、碳纤维织物是由经向碳纤维和纬向纤维机织而成。碳纤维织物制成的复合部件具有非常平整的表面。碳纤维织物由于纬向碳纤维提供了固定经向的约束力，在树脂传递成型(rtm)时碳纤维不容易被流动的树脂冲散，因此复合材料的力学性能得以保持。

2、通常碳纤维编织物采用的是t系列碳纤维(t300、t700和t800等)编制而成，这种编织物制备的复合材料由于采用的是t系列碳纤维，纤维的模量不超过350gpa，因此相应的复合材料拉伸模量也偏低。

3、一些结构复杂且要求材料具备高模量的工程应用领域，需要通过rtm成型技术注射流动的树脂到高模量碳纤维中才能到达设计的模量指标。为保证高模量碳纤维不被树脂冲散变形，需要将现有高模量碳纤维制备成织物再进行铺层。而采用的高模型碳纤维断裂伸长率通常小于1.2％，由于韧性较差，如果它作为碳纤维编织物的纬向编织纤维来回穿梭经向高模量碳纤维时容易导致纬向高模量碳纤维断裂问题，从而无法达到编织的目的。

4、现有技术中，有的用于钢筋混泥土结构补强的碳纤维单向编织物，它是由有机热熔线构成纬线，纬线热熔后固定经向的碳纤维，纬线的耐热温度通常不超过190℃，因此复合材料高温应用时就存在薄弱点的问题。

5、有的利用涤纶捆绑线将纬向玻璃纤维和经向碳纤维进行捆绑，以制备碳纤维编织物，捆绑线的工艺虽然使得经向碳纤维不容易被树脂冲散，但也带来了编制效率低和复合材料高温应用时存在薄弱点的问题(涤纶最高使用温度通常不超过190℃)，且采用的c-l400、c-l200等碳纤维不属于高模量碳纤维，因此得到的碳纤维单向布模量不高。

6、如何制备适用于耐热等级超过200℃的高模量碳纤维单向布增强树脂基复合材料是急需解决的难点。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种碳纤维单向布增强树脂基复合材料及其制备方法，用以解决现有碳纤维复合材料的拉伸模量低、耐高温性能差的技术问题。

2、本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供了一种碳纤维单向布增强树脂基复合材料，包括树脂基体和增强材料，树脂基体的耐热等级大于200℃；

4、增强材料为碳纤维单向布，碳纤维单向布包括经向纤维和纬向纤维，经向纤维为高模量碳纤维；纬向纤维为玻璃纤维；

5、经向纤维和纬向纤维通过定型剂固定在一起。

6、进一步地，高模量碳纤维的拉伸模量大于450gpa。

7、进一步地，定型剂为水性高分子聚氨酯，水性高分子聚氨酯能够在常温下固化从而将经向纤维和纬向纤维固定在一起。

8、进一步地，定型剂的重量含量为玻璃纤维重量的3-8％。

9、进一步地，玻璃纤维的重量占碳纤维单向布重量的1-3％。

10、进一步地，树脂基体为双马树脂或聚酰亚胺树脂。

11、进一步地，碳纤维单向布的重量含量占碳纤维单向布增强树脂基复合材料总重量的40-70％。

12、另一方面，本发明还提供了一种碳纤维单向布增强树脂基复合材料的制备方法，用于制备上述的碳纤维单向布增强树脂基复合材料，采用树脂传递成型(rtm)、模压成型或者热压罐成型制备复合材料。

13、进一步地，高模量碳纤维选用m55j；

14、玻璃纤维线密度为50-100特克斯，碳纤维单向布中纬向玻璃纤维的面密度为1-5g/m2，碳纤维单向布的面密度为140-200g/m2。

15、进一步地，当树脂基体采用双马树脂、成型方法选用树脂传递成型(rtm)时，制备方法包括以下步骤：

16、s1、制备碳纤维单向布，包括以下子步骤：

17、s11、将高模量碳纤维上纱、展纤后作为经向碳纤维；

18、s12、玻璃纤维编织时涂覆定型剂后作为纬向纤维；

19、s13、以平纹编织方式将高模量碳纤维和涂覆定型剂的玻璃纤维进行编织；

20、s14、在室温下晾干、固化、定型编织好的碳纤维单向布；

21、s15、对碳纤维单向布进行切割、收卷、包装和入库；

22、s2、将碳纤维单向布按照产品的尺寸进行裁剪，并在模具中进行铺层，注射料筒预热至100-150℃，模具预热至100-150℃，之后倒入一定量的双马树脂预热后完成双马树脂注射，注射时保持压力0.7-1.5mpa；

23、步骤3、将模具升温到180-230℃并恒温固化1-3h，之后进行升温至240-260℃高温后，处理3-6h，然后关闭加热；

24、步骤4、当模具温度低于60℃后进行脱模，得到碳纤维单向布增强树脂基复合材料。

25、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

26、(1)本发明的碳纤维单向布由高模量碳纤维作为经向纤维，高模量碳纤维的拉伸模量大于450gpa，由玻璃纤维作为纬向纤维，碳纤维单向布所使用的这两种材料的耐热等级均超过500℃，该碳纤维单向布比现有的使用有机热熔线(耐热等级不超过190℃)作为纬线的碳纤维单向布更适合服役于高温领域。此外，当采用树脂传递成型(rtm)的注射成型工艺时，本发明的碳纤维单向布比现有的高模单向纤维更适用于铺层在模具中做预制体，且更不容易被树脂冲散。

27、(2)本发明的碳纤维单向布增强树脂基复合材料采用耐热等级大于200℃树脂基体，并选择高模量的碳纤维单向布作为增强材料，碳纤维单向布增强树脂基复合材料的拉伸模量甚至可大于350gpa，远远大于通常使用的t800/树脂基复合材料(拉伸模量通常为150-170gpa)。

28、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

技术特征：

1.一种碳纤维单向布增强树脂基复合材料，其特征在于，包括树脂基体和增强材料，所述树脂基体的耐热等级大于200℃；

2.根据权利要求1所述的碳纤维单向布增强树脂基复合材料，其特征在于，所述高模量碳纤维的拉伸模量大于450gpa。

3.根据权利要求1所述的碳纤维单向布增强树脂基复合材料，其特征在于，所述定型剂为水性高分子聚氨酯，所述水性高分子聚氨酯能够在常温下固化从而将经向纤维和纬向纤维固定在一起。

4.根据权利要求1所述的碳纤维单向布增强树脂基复合材料，其特征在于，所述定型剂的重量含量为玻璃纤维重量的3-8％。

5.根据权利要求1所述的碳纤维单向布增强树脂基复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维的重量占碳纤维单向布重量的1-3％。

6.根据权利要求1所述的碳纤维单向布增强树脂基复合材料，其特征在于，所述树脂基体为双马树脂或聚酰亚胺树脂。

7.根据权利要求1所述的碳纤维单向布增强树脂基复合材料，其特征在于，所述碳纤维单向布的重量占碳纤维单向布增强树脂基复合材料总重量的40-70％。

8.根据权利要求1所述的碳纤维单向布增强树脂基复合材料，其特征在于，所述高模量碳纤维选用m55j；

9.一种碳纤维单向布增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至8所述的碳纤维单向布增强树脂基复合材料，采用树脂传递成型(rtm)、模压成型或者热压罐成型制备所述复合材料。

10.根据权利要求9所述的碳纤维单向布增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，当树脂基体采用双马树脂、成型方法选用树脂传递成型(rtm)时，所述制备方法包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种碳纤维单向布增强树脂基复合材料及其制备方法，属于复合材料成型技术领域；解决了现有碳纤维复合材料的拉伸模量低、耐高温性能差的技术问题。本发明的碳纤维单向布增强树脂基复合材料包括树脂基体和增强材料，树脂基体的耐热等级大于200℃；增强材料为碳纤维单向布，碳纤维单向布包括经向纤维和纬向纤维，经向纤维为高模量碳纤维；纬向纤维为玻璃纤维；经向纤维和纬向纤维通过定型剂固定在一起。本发明的制备方法包括树脂传递成型(RTM)、模压成型或者热压罐成型。本发明实现了高模量、耐高温复合材料的制备。

技术研发人员：许晓洲,戴雪岩,王天娇,李娜,鲍凯,汪东,柯红军,张涛,李丽英,王国勇,张昊
受保护的技术使用者：航天特种材料及工艺技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15