RTM工藝優(yōu)化及制備碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能

徐乾倬，時 卓，魯振宏，李 剛，譚忠陽，張 罡

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.遼寧省輕工科學(xué)研究院有限公司，沈陽 110036)

樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding，RTM)技術(shù)屬于復(fù)合材料液體成型(Liquid Composite Molding)技術(shù)的范疇。RTM工藝起源于20世紀(jì)40年代末[1]，由于具有產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、制造成本低﹑易于生產(chǎn)整體復(fù)合材料構(gòu)件等突出特點得到了迅速發(fā)展。目前，RTM工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、通訊、交通、衛(wèi)生、體育器材等領(lǐng)域[2-6]。近年來，隨著樹脂基復(fù)合材料向耐高溫方向的發(fā)展，在飛行器中的應(yīng)用越來越廣泛[7]，特別是在載人航天、登月與深空探測、超高速飛行器、重復(fù)使用運(yùn)載器等領(lǐng)域，耐高溫樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用潛力巨大。

本文采用RTM工藝制備碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，通過對碳纖維和樹脂的選擇，優(yōu)化RTM工藝，研究碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能并進(jìn)行分析。

1 實驗

1.1 實驗材料

3312A環(huán)氧樹脂和3312B固化劑，上海華誼樹脂有限公司；3K-T300、12K-T300、24K-T300平紋碳纖維布，天津昂林貿(mào)烽高新材料有限公司。

1.2 實驗儀器

RTM-EP高溫精密環(huán)氧樹脂注射設(shè)備，北京恒吉星科技有限公司；UTM4304微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)，深圳三思縱橫有限公司；WZY-240萬能制樣機(jī)，承德衡通試驗檢測有限公司。

1.3 RTM制件實驗操作

將碳纖維布按照模腔尺寸裁剪好大小，同向逐層鋪在涂有脫模劑的模腔中，將模具密封好并在設(shè)計溫度下預(yù)熱模具。在RTM操作系統(tǒng)處設(shè)置環(huán)氧樹脂與固化劑的混合比例、注射壓力和注射速度。選擇伺服運(yùn)行按鈕，將樹脂和固化劑按比例通入注射槍的靜態(tài)混合器中，充分混合后從模具中間注射口注入，直至四周的溢料管有料溢出且無氣泡。注射完畢后，按照固化要求進(jìn)行固化，降至室溫脫模，取出并得到制件。

1.4 力學(xué)性能試驗

根據(jù)GB/T1447-2005和GB/T1449-2005，用萬能制樣機(jī)來制備拉伸和彎曲試樣。拉伸試樣尺寸為250mm×25mm×2.5mm，加載載荷為30kN，加載速率為2mm/min；彎曲試樣尺寸為80mm×15mm×2.5mm，加載載荷為10kN，加載速率為2mm/min。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 RTM工藝參數(shù)的確定

在正式制備成品環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料前，要先確定合適的RTM工藝參數(shù)。在預(yù)實驗中，通過12K-T300型碳纖維鋪一層制備單層環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合層壓板；成型后對其進(jìn)行拉伸試驗，對比不同注射速度和注射壓力下所得樣件的力學(xué)性能，選擇出最佳的注射速度和注射壓力。由于RTM工藝屬于低壓注塑工藝，在使用RTM工藝制備碳纖維復(fù)合材料時，注射壓力一般選擇2～3MPa之間，所以本試驗選用注射壓力分別為3MPa、2.5MPa和2MPa。對所制備的復(fù)合層壓板進(jìn)行拉伸試驗，所得結(jié)果如表1所示。

表1 不同注射壓力下單層復(fù)合板拉伸試驗數(shù)據(jù)MPa

由表1可以看出，隨著注射壓力的增大，試樣的拉伸強(qiáng)度隨之升高。但注射壓力在3.0MPa時樣件的拉伸強(qiáng)度比2.5MPa時僅提高了2.8%；實驗表明，當(dāng)注射壓力為2.0MPa時，環(huán)氧樹脂注入碳纖維編織體中很困難，得到的復(fù)合板材性能差，所以后期制備環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料時，確定RTM工藝注射壓力為2.5MPa。

分別選用注射速度為100mL/min、70mL/min、40mL/min制備單層環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合層壓板，對所制備的復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗，所得結(jié)果如表2所示。

表2 不同注射速度下單層復(fù)合板拉伸試驗數(shù)據(jù)

由表2可以看出，隨著注射速度的提高，試樣的拉伸強(qiáng)度逐漸降低，原因是注射速度太快，環(huán)氧樹脂還沒有完全浸潤到碳纖維編織布中，就充滿模具并直接隨著出料口流出；另外，注射速度過高，會使得模具內(nèi)空氣不能充分排出。這兩方面導(dǎo)致復(fù)合材料的內(nèi)部存在許多孔隙缺陷，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的性能降低。但注射速度過低會影響效率，故最終選擇的RTM工藝注射速度為40mL/min。

2.2 環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合板的固化工藝

按2.1確定的試驗條件，分別以3K-T300、12K-T300、24K-T300及單向編織的碳纖維織布為增強(qiáng)體，制備不同環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合板。為消除環(huán)境溫度的影響，在樹脂注入前將樹脂固化劑和模具預(yù)熱至3°C，再進(jìn)行后續(xù)試件的制備。除了單向纖維布為相同方向即0°鋪層，其余纖維布都為0°和90°交叉鋪層。實驗結(jié)果表明，3K-T300、12K-T300、24K-T300、單向纖維布鋪層最多為6、3、6、6。環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合板的成型數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 環(huán)氧樹脂碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板制備及成型數(shù)據(jù)

由表3可知，單向碳纖維織布增強(qiáng)的復(fù)合材料中碳纖維含量為43.7%；平紋碳纖維織布增強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料中，隨著碳纖維絲束的增加，其碳纖維含量隨之降低。

實驗中發(fā)現(xiàn)，24K-T300碳纖維編織布6層時，注射比較困難，溢流口僅有微量的樹脂溢出。

2.3 環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合板拉伸性能

每種樣品的拉伸性能測試結(jié)果如表4所示。

表4 環(huán)氧樹脂碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板拉伸性能

由表4可以看出，3K-T300平紋碳纖維布增強(qiáng)的復(fù)合板拉伸強(qiáng)度和拉伸模量在前三項中最大，達(dá)到了459.17MPa和13083.96MPa，24K-T300平紋碳纖維布增強(qiáng)的復(fù)合板拉伸強(qiáng)度最低，只有276.33MPa；說明隨著碳纖維絲束的增加，其拉伸強(qiáng)度和拉伸模量都依次降低。單向碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合板拉伸強(qiáng)度最高，達(dá)到了500.05MPa；這是因為碳纖維鋪層都為0°方向鋪層，且厚度達(dá)到了6層，所以出現(xiàn)其拉伸強(qiáng)度高于其他材料的情況。

通過表4可以看出，所有的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料均為脆性斷裂，其中單向編織增強(qiáng)的復(fù)合層壓板的斷面伸長率最小，為3.87%；24K-T300平紋碳纖維布增強(qiáng)的復(fù)合板的斷面伸長率最大，達(dá)到了5.10%。

2.4 環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合板彎曲性能

本實驗碳纖維編織布均為0°和90°交叉鋪層。彎曲性能測試結(jié)果如表5、表6所示。

表5 環(huán)氧樹脂碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板彎曲強(qiáng)度 MPa

表6 環(huán)氧樹脂碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板彎曲模量 MPa

由表5、表6可以看出，24K平紋碳纖維布增強(qiáng)復(fù)合板的平均彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最高，分別達(dá)到了710.65MPa和67753.15MPa，12K平紋碳纖維布增強(qiáng)復(fù)合板的平均彎曲強(qiáng)度最低，為498.21MPa；3K平紋碳纖維布增強(qiáng)復(fù)合板的平均彎曲模量最低，為32809.25MPa。

3 結(jié)論

采用RTM工藝制備碳纖維樹脂復(fù)合材料，確定RTM工藝最佳注射壓力為2.5MPa，最佳注射速度為40mL/min。拉伸和彎曲力學(xué)性能試驗結(jié)果表明，3K-T300為增強(qiáng)體的碳纖維復(fù)合板的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量最大，分別達(dá)到了459.17MPa和13083.96MPa；以24K-T300為增強(qiáng)體的碳纖維復(fù)合板平均彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最高，分別達(dá)到了710.65MPa和67753.15MPa。證明RTM工藝可制備高性能的碳纖維樹脂復(fù)合材料。