高強(qiáng)高模超薄單向預(yù)浸料與 低克重平紋織物的制備工藝及性能研究

楊薇薇，方天明，季 兵

（天津昂林貿(mào)烽高新材料有限公司 天津 300308）

0 引言

碳纖維作為先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)中最常見的增強(qiáng)體之一，已廣泛應(yīng)用于汽車、航海和風(fēng)力渦輪機(jī)等領(lǐng)域。碳纖維/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料由于輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛度/質(zhì)量比，而且具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，一直受到極大的關(guān)注[1]。

預(yù)浸料[2]是用樹脂基體在嚴(yán)格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物制成樹脂基體與增強(qiáng)體的組合物，是制造復(fù)合材料的中間材料。預(yù)浸料的優(yōu)劣關(guān)系到復(fù)合材料的質(zhì)量，因此預(yù)浸料對復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。

目前國內(nèi)對于高強(qiáng)高模超薄單向預(yù)浸料和低克重平紋織物的研究數(shù)據(jù)較少，國外也僅對高強(qiáng)超薄單向預(yù)浸料和T700平紋織物預(yù)浸料進(jìn)行了相關(guān)研究。

J Cugnoni等[3]對面密度為30～150g/m2的單向預(yù)浸料制備的層合板進(jìn)行了拉伸性能對比試驗(yàn)，在準(zhǔn)備同性薄層的無缺口拉伸試驗(yàn)中，復(fù)合材料層合板所用薄層預(yù)浸料的單層厚度小于134μm時可達(dá)到的強(qiáng)度接近纖維最終的應(yīng)力和應(yīng)變，開始破壞應(yīng)力達(dá)到最終破壞應(yīng)力的92%。相比較，復(fù)合材料層合板所用厚層預(yù)浸料在纖維應(yīng)變范圍為41%～66%的破壞，破壞開始發(fā)展的應(yīng)變范圍為25%～50%。試驗(yàn)表明在拉伸性能試驗(yàn)中薄層預(yù)浸料具有良好的尺寸效應(yīng)。最優(yōu)的體系采用了T800級碳纖維，單層厚度為67μm，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1090MPa，破壞開始時接近900MPa。

Hassan等[4]探討了基于展寬絲束技術(shù)獲得超輕熱塑性復(fù)合材料的方法。將傳統(tǒng)的12K碳纖維展寬，由5mm展成25mm，單位面積纖維質(zhì)量僅為原來的1/5。用此種展寬絲束技術(shù)可以生產(chǎn)單向預(yù)浸料和織物。作者采用聚苯硫醚（PPS）薄膜浸漬展寬絲束，最終制備成織物預(yù)浸料，樹脂質(zhì)量含量45%，且織物預(yù)浸料制備成層合板。與傳統(tǒng)的3K碳纖維織 物/聚苯硫醚（PPS）復(fù)合材料進(jìn)行比較，展寬絲束制備的復(fù)合材料顯示具有更好的纖維填充、蠕變性和低孔隙率，并顯著提高了力學(xué)性能。

Yang等[5]對比了由T700-12K展成的單根寬度為8、14和20mm機(jī)織而成的平紋織物的相關(guān)性能。結(jié)果表明，在熱壓成型中，較寬絲束浸入聚碳酸酯基體中的速度較快，浸潤性較好。20mm展寬絲束制備的復(fù)合材料比8mm和14mm展寬絲束制備的材料具有較好的彈性、浸漬力、浸漬能和較大的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，表明絲束展寬之后碳纖維與基體的界面粘結(jié)能力加強(qiáng)了，并且展寬絲束可補(bǔ)償由纖維含量等降低而引起的一些性能的下降。

林強(qiáng)等[6]對超薄預(yù)浸料制備的復(fù)合材料在不同環(huán)境條件下，如室溫干態(tài)、低溫干態(tài)、高溫濕態(tài)，進(jìn)行了拉伸、壓縮、剪切和短梁彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)研究，并與常規(guī)預(yù)浸料制備的復(fù)合材料進(jìn)行了對比分析。研究表明，超薄預(yù)浸料制備的復(fù)合材料綜合力學(xué)性能略低于常規(guī)預(yù)浸料制備的復(fù)合材料，主要是由于其分散性較高，制備工藝待改進(jìn)，但在鋪層數(shù)較少時其綜合力學(xué)性能更優(yōu)，飛行器較小厚度區(qū)應(yīng)用前景廣闊。

本文對比研究了高強(qiáng)高模T700、T800和M40超薄單向預(yù)浸料的性能，同時比較了T700和T800展寬絲束制備的80g/m2平紋織物的物理性能和拉伸斷裂強(qiáng)力力學(xué)性能。

T700、T800和M40單向預(yù)浸料采用“超聲波法”展寬，樹脂用涂膠機(jī)涂膜，最后利用預(yù)浸機(jī)將纖維和膠膜復(fù)合制備出30g/m2的單向預(yù)浸料。預(yù)浸料通過模壓工藝復(fù)合成層合板，層合板經(jīng)過貼加強(qiáng)片、切割、貼應(yīng)變片制成拉伸、壓縮標(biāo)準(zhǔn)試件，彎曲和剪切試件直接切割成標(biāo)準(zhǔn)尺寸即可，進(jìn)而比較了這3種不同增強(qiáng)體預(yù)浸料制備層合板的拉、壓、彎、剪基本力學(xué)性能。

80g/m2展寬絲束平紋織物的制備是將T700和T800的絲束分別展寬，并利用二維織機(jī)將其加工 成型。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

30G樹脂自主開發(fā)，T700、T800和M40纖維為日本東麗公司產(chǎn)品。

1.2 預(yù)浸料及平紋織物的制備

采用展寬絲束設(shè)備將T700、T800和M40纖維展開，樹脂利用涂膠機(jī)涂出膠膜，最后利用預(yù)浸設(shè)備將纖維束與膠膜在一定溫度和壓力下復(fù)合成30g/m2的單向預(yù)浸料，樹脂含量為（40±3）%。預(yù)浸料如圖1所示。

圖1 碳纖維超薄單向預(yù)浸料Fig.1 Carbon fiber ultra-thin UD prepregs

采用展寬絲束設(shè)備將T700、T800的絲束展開，利用二維織機(jī)織成80g/m2的平紋織物。展寬絲束如圖2所示，平紋織物如圖3所示。

圖2 碳纖維展寬絲束Fig.2 CF spread tows

圖3 碳纖維展寬絲束平紋織物Fig.3 CF spread tow plain fabrics

1.3 復(fù)合材料成型工藝

利用平板硫化機(jī)將預(yù)浸料模壓成型，具體的工藝及步驟為：80℃下將含有鋪層的模具放入硫化機(jī)并加壓3.5MPa，升到150℃保溫1h。然后在室溫下冷卻到60℃以下脫模。

1.4 性能測試與表征

預(yù)浸料的外觀質(zhì)量主要采用目視法，樹脂含量的測定按照HB7736.5—2004[7]進(jìn)行，纖維面密度的測定按照HB7736.3—2004[8]進(jìn)行，層合板基本力學(xué)性能的測試標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 層合板力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Test standard of lamina mechanical properties

平紋織物的寬度和長度按照GB/T 7689.3—2013[9]進(jìn)行測定，經(jīng)緯密度按照GB/T 7689.2—2013[10]進(jìn)行測定，拉伸斷裂強(qiáng)力參照GB/T 7689.5—2013[11]進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維絲束及樹脂的基本性能

展寬后的絲束外觀無明顯開縫，不松散；收絲整齊、平整；單層絲束無翻轉(zhuǎn)重疊、無邊緣擠壓、無纏繞絲束、無起皺、無毛刺。碳纖維絲束性能見表2，樹脂性能見表3。

表2 T700、T800和M40纖維性能Tab.2 Properties of T700, T800 and M40 carbon fiber tows

表3 30G樹脂性能Tab.3 Properties of resin 30G

2.2 單向預(yù)浸料的基本性能

通過展寬、涂膠、復(fù)合工藝最終制成的30g/m2的單向預(yù)浸料外觀無縫隙，無纖維毛團(tuán)，無雜質(zhì)，浸漬均勻，無樹脂堆積；無變形起皺，纖維無損傷。單向預(yù)浸料的單位面積質(zhì)量為（30±2）g/m2，樹脂含量為（40±3）%。預(yù)浸料的基本性能見表4。

表4 30 g/m2單向預(yù)浸料的基本性能Tab.4 Basic properties of 30 g/m2 UD prepregs

2.3 層合板的力學(xué)性能

研究了由中溫固化環(huán)氧樹脂30G制備的層合板的基本力學(xué)性能，結(jié)果見表5。試驗(yàn)結(jié)果表明：層合板的抗拉強(qiáng)度主要取決于纖維的抗拉強(qiáng)度，T800絲束制備的層合板抗拉強(qiáng)度比T700絲束制備的高出13%；抗壓強(qiáng)度[12-13]是最難確定的一個性能參數(shù)，稍稍偏心的載荷將過早地發(fā)生失穩(wěn)而測試不到真正的壓縮強(qiáng)度。由于載荷易偏心、試件易失穩(wěn)及端部易破壞，所以壓縮強(qiáng)度的規(guī)律性稍差些；彎曲試驗(yàn)是一種質(zhì)量控制和材料鑒定試驗(yàn)，是一種綜合力學(xué)性能的體現(xiàn)，T700絲束制備的層合板抗彎強(qiáng)度比T800絲束制備的高出15%，比M40絲束制備的高出5%；層間剪切性能既受基體材料的影響，更受界面性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明M40絲束與該款樹脂的界面結(jié)合性能較好。

表5 層合板基本力學(xué)性能Tab.5 Basic mechanical properties of laminates

層合板的拉伸模量、壓縮模量和彎曲模量與纖維模量成正比，M40絲束制備的層合板比T700絲束制備的層合板模量高出50%～60%。

2.4 低克重平紋織物基本性能

通過展寬、機(jī)織而成的80g/m2的平紋織物外觀平整，纖維無折疊和褶皺，邊緣裁切整齊，收卷平整，經(jīng)緯紗間隙≤2mm，單位面積纖維質(zhì)量為（80±3）g/m2。T700和T800低克重平紋織物的物理和力學(xué)性能具體見表6，拉伸斷裂強(qiáng)力破壞后試樣見圖4。

圖4 平紋織物拉伸斷裂強(qiáng)力后破壞試樣Fig.4 Fracture samples of fabrics after tensile breaking force tests

表6 低克重平紋織物基本性能Tab.6 Basic properties of low-gram-weight plain fabrics

試驗(yàn)結(jié)果表明，由于T800絲束的拉伸強(qiáng)度高出T700絲束20%，故拉伸斷裂強(qiáng)力也較高，高出30%左右。試驗(yàn)結(jié)果很好地吻合了汪黎明[14]的結(jié)論，即織物結(jié)構(gòu)因素基本相同時，纖維的品種決定織物拉伸性能，織物拉伸斷裂強(qiáng)力與纖維抗拉強(qiáng)度成正比。

3 結(jié)論

①T700、T800和M40展寬后絲束的外觀良好，無毛團(tuán)等外觀缺陷。

②涂膠-復(fù)合設(shè)備制備成3種中溫固化環(huán)氧超薄單向預(yù)浸料，制備后的預(yù)浸料外觀無缺陷，樹脂含量在公差允許范圍內(nèi)。

③預(yù)浸料通過模壓工藝制備了層合板，層合板力學(xué)性能數(shù)據(jù)表明，利用30G樹脂與M40絲束的界面結(jié)合較好，層間剪切性能高；層合板的抗拉強(qiáng)度和模量與纖維的抗拉強(qiáng)度和模量成正比。

④低克重同面密度的平紋織物的拉伸斷裂強(qiáng)力與纖維的抗拉強(qiáng)度成正比。