复合材料用预浸料

第二十五卷第一期

2000年2月

高科技纤维与应用

Hi-Tech Fiber &A pp lication

Vol. 25No. 1Feb. 2000

技术讲座

复合材料用预浸料

张凤翻(

北京航空材料研究院, 北京

100095)

(续2) 2. 2

热塑性树脂基体预浸料的制备

工程用高性能热塑性树脂如PEEK 、PEI 、PPS 等一般熔点较高, 超过300e 。熔融粘度大, 而且粘度随温度的变化很小, 这就给热塑性树脂基复合材料的成型工艺带来很大困难, 制造热固性树脂预浸料的常规方法通常不能用于制造热塑性树脂预浸料。于是, 热塑性树脂基体预浸料的制备就成为热塑性树脂基复合材料研究极为重要的课题。近20年来, 国内、外开展了大量研究工作, 采取了多种工艺方法, 获得了不少成果, 常用的工艺方法如下:2. 1. 1

溶液浸渍法

高性能热塑性树脂特别是PEEK 、PPS 一类结晶型高分子, 没有合适的低沸点溶剂可溶, 不便用溶液法制预浸料。但也有一部分非结晶型树脂如PEI 、PEK-C 、PES 等可溶解在部分溶剂中, 不过常用的低沸点溶剂对其溶解度有限, 用低浓度的的浓液即便采取不同工艺措施也难以得到树脂含量在35%左右的预浸料, 为此, 常用混合剂, 增大树脂的溶解度, 随之提高预浸料的

树脂含量, 满足对不同树脂含量预浸料的要求。

该法可以使用热固性树脂溶液法预浸设备及其工艺, 但需增加熔融炉, 使树脂熔融并粘附在增强材料上。2. 2. 2

泥浆法

该法的关键是制备泥浆。通常是将树脂粉末悬浮于具有要求特性的液体介质中, 后者多为含增调剂聚环氧乙烷、甲基乙基纤维素的水溶液。树脂粉末应尽可能的细, 直径最好在10L m 以下并小于纤维直径, 以便分布均匀并使纤维浸透。为提高树脂对纤维的浸透性, 可加入润湿剂, 烷基芳基聚醚醇是有效的润湿剂。

工艺过程和溶液法类似, 不同的是纤维束进入树脂槽经过数组导辊, 使纤维进一步分散和展平, 并同聚合物泥浆很好地接触, 使树脂粉末进入纤维束。随后通过挤压辊挤掉多余的树脂, 通过加热炉, 除去水或稀释剂, 再将树脂和纤维加热, 使熔化并粘接在一起, 详见图2-8。

这种工艺可以使树脂均匀浸渍, 但水和增稠剂处理不当, 会影响复合材料的性能。2. 2. 3

热压工艺

这种方法所用设备为热压机, 是将定量树脂

图2-8制备预浸料的泥浆式艺

1纱架; 2蓖子; 3, 10加热模; 11牵引;

4, 5, 6导向辊;

12收卷

7聚合物泥浆浴;

8导向机构;

9干燥室;

压力200N/cm 宽度, 最高工作温度370e 。

粉末均匀地分布在热压板上, 用增强纤维织物盖上树脂, 放第二块热压板, 加热到树脂的加工温度, 使其熔融, 慢慢施压, 使树脂进入织物。为了改善浸渍, 防止气泡形成, 可以在真空下进行浸渍过程。要求提高效率, 缩短预浸料的制造时间, 可采用图2-9所示的专用模具, 一次可以制造多片预浸料。

该法多用于制备织物预浸料, 制备单向预浸料时, 由于加压过程中纤维移动, 质量难以保证。同时制备预料浸料为非连续过程, 效率比较低, 只适于研制和小批量生产。

为了制备连续纤维预浸料, 可采用图2-10所示的碾压机。设备主要由三个基本单元组成:预热段、加压辊筒、牵引辊。在预热段用多级远红外加热器, 使树脂和纤维逐渐预热, 加热、加压辊筒宽度400mm, 辊间距0~190mm, 最大

由于热塑性树脂熔融粘度大, 在供料漏斗内除保证足够的温度外, 还安装有导向叶轮以控制树脂的流动。

为了防止工艺过程中预浸料弯曲或起皱, 牵引辊的速度应略大于加压辊。设备还备有脱模机构, 以防树脂粘附到辊筒上。

2. 2. 4热熔法

热塑性树脂热熔浸渍工艺可以多种形式进行, 方法之一类似于热固性树脂直接热熔浸渍工艺。将增强纤维连续通过树脂熔融浴中, 用刮刀或计量辊筒控制树脂含量。也可将树脂涂在离型纸上, 制成规定厚度的胶膜, 使树脂、纤维和离型纸形成夹心结构, 经过加热, 树脂熔融, 通过辊压将熔化的树脂转移到定向纤维上, 并使树脂基体充分浸透纤维。俄罗斯采用图2-11所示的热熔浸渍工艺, 系将树脂从高温挤出机挤到一个专用模腔, 树脂呈流态,

再

图2-11热熔法制备预浸料示意图

1纤维束; 2集束器; 8;

3展平机构; ;

104烘箱;

5支承辊;

6挤出机;

将增强材料从熔融树脂中连续通过, 随后经辊压, 形成预浸料。用改变增强材料的线速度、调节树脂的熔融粘度及改变模腔的形式控制预浸料的树脂含量。

上述方法中, 为了防止增强材料特别是树脂在高温下发生氧化和分解, 浸渍段往往还需要通入惰性气体保护。2. 2. 5

纤维混杂法

纤维混杂法是将热塑性树脂纤维和增强纤维以不同的方式混杂, 再进行热处理制成预浸料。也可将混杂纤维或织物直接铺层, 加温、加压制成复合材料。该法的关键是制备热塑性树脂纤维。国外多个公司通过熔融纺丝制成热塑性树脂纤维。英国ICI 公司和日本京都工艺纤维大学开发了PEEK 纤维; 美国Celaness 公司也生产PEEK 复丝; 日本帝人公司开发了PEI 纤维, 并和三井东压化学公司共同开发PEEK 纤维; 日本东丽公司和美国Phili p s 公司均生产PPS 纤维。主要性能见表2-1。

日本东邦人造丝公司和德国BASF 公司合作开发碳纤维同热塑性树脂纤维PEEK 和PPS 的混杂纱, 成功地将直径7L m 的3K 碳纤维和直径20L m 、0. 5K 的PEEK 纤维均匀地混合成一组纱, 将其加热熔融、碾压、使碳纤维嵌入熔融的PEEK 基体中, 冷却后成为预浸料。基情况如图2-12所示。

热塑性树脂纤维和碳纤维的主要混杂方式见图2-13。

包括不同的编物、缏子、编织结构等。纤维混杂法制得的预浸料用于复杂外形构件的制造时, 具有柔性好、易铺覆、容易加工、复合材料构件加工再现性好、质量稳定等优点, 是航空和宇航复合材料引人注意的预浸料形式。

由于尚未建立超细熔融纺丝技术, PEEK 纤维的直径最小只能到20L m, 难于和直7L m 甚至更细的粗束纤维充分混合, 并在熔融后包覆每一根增强纤维, 从而给制备预浸料带来一定困难, 处理不当对复合材料性能也会造成一定影响。

(未完待续

)

技术讲座

文章编号:1007-9815(2000) 03-0035-04

复合材料用预浸料

张凤翻

(北京航空材料研究院, 北京100095)

中图分类号:V 258

文献标识码:A

(续4)

3预浸料的质量控制

预浸料的一些性能将直接带入复合材料, 复合材料的性能取决于预浸料的性能。对于热固性树脂预浸料而言, 在制造过程中, 运输、储存期间均会发生化学变化。热塑性树脂预浸料在上述情况下虽不发生化学变化, 但聚合物分子量、分子量分布、纯度、结晶形态等对预浸料和复合材料性能及成型工艺均有很大影响, 如树脂体系组成的微小变化、工艺过程控制不当或偶然失误, 都会对复合材料带来无法挽回的损害, 因此, 对预浸料必须进行严格的质量控制。国外已形成一整套严密地质量控制程序和方法, 建立了保证预浸料制备过程各阶段性能的试验方法和标准, 可以确保预浸料质量。通常预浸料的研究开发和质量控制过程如图3-1。

3. 1生产线上的质量控制

生产线上的质量控制主要是控制预浸料的树脂含量, 使其均匀、稳定和偏差尽可能小。对于溶液预浸工艺一般树脂含量的偏差为? 3%, 热融预浸工艺通常树脂含量的偏差为? 2%, 直接热熔工艺制备窄带预浸料树脂含量控制精度可达? 1%。可以采用多种控制方法:

俄罗斯航空工业用的预浸料用溶液浸渍法制备, 预浸机上装有软V 射线仪, 用以测定和控制树脂含量。利用浸胶前后增强材料和预浸料对V 射线能量吸收的差异, 反映预浸料树脂

含量的多寡。通过调节挤胶辊的位置或距离, 改变预浸料在挤胶辊上的包角, 控制预浸料的树脂含量。

美国、欧洲各国大都采用热熔预浸工艺, 在预浸机上装有B 射线仪, 在制膜阶段沿胶膜宽度方向反复扫描, 利用胶膜厚度不同对B 射线穿透能力的差异, 表征其树脂含量。根据能量衰减的程度, 反映树脂含量的变化, 并进行控制。美国NDC 系统公司开发了一种C 探头和传感器, 可以测量纸、玻璃纤维、碳纤维及各种纱上涂覆树脂的含量, 也可以测得涂覆树脂的厚度或面密度。探头可以固定, 也可以扫描。测量厚度范围为6L m ~25L m , 精度可达

0. 005L m , 面密度为6g /m ~250g /m 。

日本平野公司也有类似控制系统, 其结构见图3-2。

3. 2原材料的质量控制

制备预浸料用原材料如纤维、树脂、固化剂、改性剂、离型纸等都必需按技术标准进行检验, 符合要求后才可使用。这是保证预浸料质量的基础。对各种纤维和织物, 通常检验其拉伸强度和模量、线密度、与树脂制成复合材料后的层间剪切强度。上述性能的稳定性尤其重要。对树脂一般检验其粘度、熔点、氯含量、挥发分含量、环氧树脂的环氧值等, 为了保证树脂化学和结构的稳定性, 对每种树脂应作出红外光谱(IR) 和高压液相色谱(HPLC) 的标准谱图, 作为指纹和验收材料的依据。

预浸料的环境控制包括工作环境、贮存环湿度和介质。制备和使用预浸料的环境温度应在20e 左右。温度过高, 将促进树脂固化, 缩短其贮存期和工作寿命; 温度太低, 虽然可延长工作寿命, 但粘性变差, 不便于铺层。预浸料的贮存温度一般在-18e , 这样可以保证预浸料有较长的贮存寿命。

湿度对预浸料性能的影响尤为严重, 一方面树脂吸水后, 水分将起到增塑作用, 使树脂玻璃化温度降低。另一方面预浸料中含水, 往往导致复合材料中空隙含量增大, 因此, 对于预浸料制造、裁剪和铺层工作区湿度有严格要求。道格拉斯飞机公司规定军用飞机制件只能在相对湿度40%~60%条件下生产, 法国宇航公司直升机厂和旋翼厂复合材料车间相对湿度都控制在45%~55%范围内。国内在制备和使用预浸料时, 一般环境湿度控制在65%以下。由于芳纶吸湿能力较强, 在制备和使用芳纶预浸料时, 湿度还应更低, 通常控制在50%以下。

制备和使用预浸料的环境还应无腐蚀和使树脂溶解性的介质, 空气中的尘埃也应有所限

制。美国道格拉斯公司规定复合材料车间每m 大气中, >5L m 的悬浮尘埃不能超过90000粒。

3. 4预浸料成品的质量控制

预浸料成品的质量控制主要检查其化学组成、物理性能、工艺性能及制成复合材料的部分力学性能。详见图3-3。通常预浸料质量变化首先表现在物理性能的改变, 随之影响预浸料的工艺性能。试验表明, 只要预浸料的工艺性能满足使用要求, 制成的复合材料力学性能一般无显著变化。通常预浸料主要检查以下项目:

树脂含量:用以表征预浸料中树脂含量。作为选择复合材料成型方法和工艺参数, 确定吸胶材料用量, 采用的试验方法有溶剂萃取法、根据预浸料面密度计算法、灼烧法、强酸氧化法等。常用的热固性树脂预浸料普遍采用溶剂萃

溶剂完全溶解掉, 以试验前后试样质量的变化计算出预浸料的树脂含量。一些高性能热塑性树脂预浸料, 因其没有合适的低沸点溶剂可溶, 通常采用灼烧法, 是将预浸料试样放入坩埚中, 在马弗炉中烧尽预浸料中的树脂, 根据试验前后试样质量的变化, 计算预浸料的树脂含量。也可用强酸使树脂氧化分解, 从预浸料中分离出来, 从而计算出预浸料树脂含量。

挥发分含量:用以评定预浸料中挥发性低分子化合物的含量以考虑其工艺措施。挥发分含量过高, 在成型过程复合材料内部容易形成较多空隙, 降低复合材料的力学性能和湿热性能。测定方法是将一定尺寸的预浸料试样置于规定温度的恒温烘箱中, 经过规定的时间, 通过试验前后预浸料的质量变化计算挥发分含量。

力下成型过程中树脂流动或迁移的能力, 它与

树脂的粘度和预浸料中树脂含量有关, 预浸料

中树脂含量越高, 粘度越小, 树脂流动度越大。

预浸料中挥发分含量高也对流动度带来影响。

流动度小, 在固化过程中树脂难以向纤维中渗

透, 树脂往往分布不均匀, 制品空隙含量会高。

流动度大, 在固化时会严重流胶, 树脂含量减

少, 制品贫胶; 同时流动度大, 树脂流动太快, 还

可能影响纤维方向, 降低复合材料性能, 适当的

流动度在成型中可驱除层与层之间的空气, 降

低孔隙率, 保证复合材料树脂均匀分布, 提高其

性能。测定预浸料树脂流动度的方法主要有两

种; 一是将正方形的两片预浸料正交铺层, 于规

定的温度和压力下保持一定时间, 以挤出树脂

的质量百分数作为预浸料树脂流动度。一是将

正方形的预浸料按[0b /90b ]交替铺层, 使厚度

达到1mm , 于规定温度和压力下保持一定时

间, 以固化后试样对角线方向增加的长度

(mm ) 作为树脂流动度。后一种方法预浸料耗

量大, 一般需6~10层, 另外用长度表示流动

度不太直观, 前一种方法设备简单, 操作方便,

现在广泛采用。

凝胶时间:一般是指树脂发生线型聚合, 生

成长链分子并交联的过程, 用于确定预浸料固

化时的加压时间。测定凝胶时间的方法主要有

两种:一是直接法, 是将预浸料放在两块盖玻片

之间, 置于加热到规定温度的专用电热板上, 用

探针给盖玻片施以压力, 树脂即从玻璃片之间

流出, 以探针拨动树脂, 到不形成丝状的时间作

为预浸料树脂凝胶时间。二是间接法, 是用溶

剂抽提出预浸料中的树脂, 蒸发掉溶剂, 将树脂

置于电热板上, 再按第一种方法进行测定。间

接法需在一定温度下除去溶剂, 往往会使树脂

部分固化, 随之影响试验结果。因此, 普遍采用

直接法。

粘性:是预浸料的主要工艺性能之一, 在贮

存过程中预浸料性能变化的第一个征兆往往是

粘性减低, 通常粘性不合格就认为预浸料超过

了使用期, 所以是预浸料质量控制的关键指预浸料的粘性是指一定温度下自身相互粘贴的能力, 同一片预浸料, 温度低可能失去粘性, 温度高又有粘性, 温度相差大约5e , 粘性即有明显变化, 因此粘性试验温度一般确定为20~25e , 同时温度定为40%~70%。粘性失去时间不长的预浸料, 稍许提高温度, 粘性得以改善, 只要能实现部件的铺贴工艺, 试验表明对其力学性能没有太大影响。预浸料的粘性和其制备方法也有关系。溶液法制备的预浸料常含有一定量的溶剂, 有助于提高粘性; 热熔法制备预浸料时, 可以使预浸料上下表面的树脂含量不同, 树脂含量高的一面较低的一面具有更好的粘性。预浸料的粘性不能太大, 也不能太小, 理想的粘性状态是能彼此粘贴铺层和贴模, 一旦铺层有误时, 可以剥离开来而不影响重新铺贴和继续使用。测定预浸料粘性方法有以下三种:滚球法是将预浸料铺放在基板上, 使粘贴预浸料的一面向上, 成45b 倾斜角, 把规定尺寸和质量的塑料小球放在贴有预浸料基板的上部, 向下自然滚动, 如顺利滚下并脱离预浸料, 认为粘性不合格, 否则算合格; 撕裂法是将两片预浸料粘贴在一起, 并施加规定压力, 然后撕裂, 以规定负荷下两片预浸料完全撕裂分离的时间作为粘性时间; 粘贴分离法也是常采用的方法, 是把两片规定尺寸的预浸料试片, 依次粘贴到基板上, 于规定温度和湿度下, 将贴有预浸料的基板垂直放置30m in, 如果两片预浸料不彼此分离, 即认为粘性合格。铺覆性:是指预浸料铺层时, 使适合于复杂形状模具铺层的能力。就预浸料而言, 铺覆法比粘性要求更高, 失去粘性的预浸料铺覆性肯定不合格。测定方法是将预浸料粘贴在直径3m m 的金属棒上, 使成半圆形, 从棒上取下预浸料, 如保持原状且纤维没有损伤, 即认为预浸料铺覆性合格。(未完待续)

第二十五卷第四期

高科技纤维与应用Hi-T ech Fiber &Application Vol 125, No 14 技术讲座

文章编号:1007-9815(2000) 04-0029-04

复合材料用预浸料

张凤翻

(北京航空材料研究院, 北京100095)

中图分类号:V258 文献标识码:A

(续5)

4 预浸料的类型和性能

411 预浸料的类型

随着复合材料研究和开发的不断进步, 使

用领域日渐扩大, 复合材料构件不同制造工艺、

不同工作条件对预浸料也提出了不同要求。为

了适应来自多方面的需要, 新的预浸料不断出

现, 预浸料的类型不断增加。按物理状态分类,

预浸料分成单向预浸料、单向织物预浸料、织

物预浸料; 按树脂基体不同, 预浸料分成热固

性树脂预浸料和热塑性树脂预浸料; 按增强材

料不同, 分成碳纤维(织物) 预浸料、玻璃纤

维(织物) 预浸料、芳纶(织物) 预浸料; 根

据纤维长度不同, 分成短纤维(4176mm 以

下) 预浸料、长纤维(1217mm) 预浸料和连

续纤维预浸料; 按固化温度不同, 分成中温固

化(120e ) 预浸料、高温固化(180e ) 预

浸料以及固化温度超过200e 的预浸料等。

表4-1为按树脂基体不同预浸料的主要类

型。

单向织物预浸料是指纤维排列主要是径向, 通常其比例超过90%,仅有少量横向纤维, 或单向预浸表面覆盖一层厚度很薄的玻璃纱布, 目的是使单向预浸料不易分散开, 改善其工艺性, 俄罗斯航空工业用于主承力构件的预浸料多属前者。日本、韩国及欧洲体育用品用的预浸料, 部分属于后者。窄带预浸料是指宽度几mm 或几十mm 的单向预浸料, 一般用于缠绕复合材料构件, 不作铺层使用。板型预浸外观呈刚性板状, 英国ISI 公司的APC-1、APC-2(AS4/PEEK) 属这类预浸料, 无粘性, 铺层时需热熔焊方法进行, 制造复杂形状的构件时铺层比较困难。粉末预浸料是指树脂粉末附着于纤维上, 经过部分熔化, 形成树脂不连续, 纤维未被树脂充分浸透的一种复合物。法国Atochem 公司的/FIT 0预浸丝束、俄罗斯航空材料研究院、BASF 公司的粉末预浸料均属此类。这类预浸料有一定柔软性, 有利于复杂构件的铺层, /FIT 0预浸料束可用编织或缠绕成形。热塑性树脂纤维型预浸料是具有预浸料功

能的织物, 日本日东纺公司的TEXXES 混杂织物属这类预浸料, 具有设计自由度大、可进行

多种原材料的不同组合; 对模具的适应性强、

能适应复杂形状构件的制造; 成型性和操作性

好、只需加热、加压就可成型, 适于制备具有

曲面的成型物; 成本低, 是一种低成本制造技

术等优点。量最通用的手段之一。可以确定树脂基体的化学成分, 定量检查其浓度。凝胶渗透色谱(GPC) :确定树脂的分子量及其分布。差示扫描量热分析(DSC) :可以给出预浸料成分的大量信息, 如Tg 、热焓、树脂基体B 阶段的程度、固化过程开始、峰顶及终止时的

温度等。

41213 预浸料缺陷

¥缺陷规定和尺寸要求

A 单向预浸料:

¹预浸料应均匀平整, 不应有固化了的树

脂颗粒、外来杂质、未浸润的纤维、不存在未

浸胶区及吸湿现象。

º间隙:单向预浸料的连续间隙不应超过

012mm, 长度

间隙是可以接受的, 但每019m 2预浸中只允许

一处长度

间隙区。宽度

mm 的间隙是容许的, 且在30m 2的预浸料中不

得多于10处。

»毛团:在以下情况是可以接受的。

#不造成预浸料厚度突然变化, 整体厚度变

化不超过公称厚度的50%。

#由断丝引起的绒毛或松散的纤维球, 只要

不引起纤维扭曲、预浸料内这种毛团累计总面

积在任何0109m 2里不得超过10cm 2。

#毛团被除去并对预浸料的外观和性能无影

响的。

¼纤维排列:预浸料的纤维应是直线、平

行带材料的中心线、纤维不应有搭接、鼓泡、

扭曲、交叉、皱折、局部严重畸变等不合理的

排列、引起偏离轴线20b 、长度>12mm 的缺

陷, 出现这种缺陷的预浸料长度超过016mm 、

宽度>0115mm 可以拒收。

½预浸料边缘:预浸料边缘偏离直线每

600mm 不应超过115mm, 树脂流出边缘不超

过115mm 。

¾预浸料宽度公差:预浸料宽度公差一般

为? 1127mm 。

¿纱拼接:纱可以拼接并以下述条件为前

:412 预浸料性能预浸料的性能通常包括树脂和预浸料的物理性能、化学性能、缺陷规定和尺寸要求、工艺性能、层合板和夹层结构的物理性能、层合板和夹层结构的力学性能、层合板和夹层结构的燃烧性能、电性能、贮存性能等。随使用领域、增强材料和树脂基体的不同, 预浸料的类型、类别、级别和规格各异, 要求的性能也不一样。以下仅就航空航天工业用预浸料的性能做一介绍, 也可供其它行业用预浸料参考。41211 树脂和预浸料物理性能树脂含量:以树脂的质量%表示, 其控制精度为溶液浸渍法? 3%;热熔法? 2%;直接热熔法制的窄带预浸料? 1%。挥发分含量:溶液浸渍法一般控制在2%以下, 热熔法通常控制在1%以下。但聚酰亚胺为基体的预浸料挥发分含量高达5%-10%。树脂流动度:一般5%-25%;凝胶时间及温度) 凝胶时间曲线; 树脂基体粘度和粘度) 温度曲线; 单位面积纤维质量:必需给出控制精度, 且虽其大小而异, 一般单向预浸料为? 5%,织物预浸料大约为? 10%。粘性:不能太大、也不能无粘性, 一般常温下不粘手、易铺贴、铺层有误时, 还可小心分离开来, 重新铺贴并对性能无影响为度即能自粘并能贴住。铺覆性:预浸料应柔软, 适于复杂结件的铺层。41212 化学性能红外光谱图(IR) :预浸料标准中给出标准光谱图, 标示未固化树脂的结构和化学组成, 可以检查树脂基体配方有无污染, 是否发生变化。

第四期

#拼接长度不超过40? 20mm 。张凤翻:复合材料用预浸料) 31) ¹预浸料不可接受的缺陷要在预浸料卷的

边缘, 于缺陷的起点和末端用明显地标记标

识, 带缺陷的材料其缺陷部分不应记入购买量

中;

º预浸料的缺陷部分可以切下, 但所提供

的预浸料中, 90%的长度Y 15m, 剩下的10%

长度Y 416m;

»每卷预浸料的缺陷类型、位置、长度以

及切取情况要记在每卷缺陷履历表中。

§缺陷标识:缺陷标识要清楚, 容易从预

浸料上除去, 且不损坏预浸料。标签要求如

下 :

长度200mm, 置于预浸料的一端缺陷的开

始和终了;

宽度10mm;

厚度012mm 1

¨缺陷的限度:每卷预浸料的最大缺陷质

量极限为15%。

缺陷的修整:预浸料的缺陷可以按下述

要求进行修整。

#纤维卷曲:补钉修补;

#固化树脂颗粒:拼接或去除;

#发干或手感发硬区域:拼接;

#鼓泡:拼接;

#吸湿:拼接;

#间隙:补钉修补或返修;

#毛团:容许或去除;

#末浸润的纤维:补钉修补;

#宽度偏差:补钉修补或拼接;

#纤维交叉:容许或拼接;

#纤维束拼接:容许或返修。

单向预浸料按图4-1方法进行拼接。

41214 工艺性能

¥固化工艺的适应性:预浸料对多种复合

材料成型工艺的适应性, 如模压法、热压罐法、

真空成型、自动铺带工艺等。

¦固化工艺参数:在保征性能前提下, 成

型温度尽可能低; 成型压力尽可能小; 成型时

间尽可能短; 加压带尽可能宽。

§铺贴性能好; 粘性适中, 铺覆性好。

¨制备蜂窝夹层结构的适应性:制造夹层

, #不引起材料局部变形、拼接重叠部分不引起局部厚度变化。#每8m 长度拼接不应多于3处, 横过宽度的拼接, 不应多于一处。#预浸料在包装、运输、处理和铺放过程中, 拼接重叠部分被保持。À预浸带拼接:除去前述的缺陷面积后, 预浸带可以拼接, 但以下述条件为前提:#需拼接预浸带的长度Y 15m; #每卷预浸料50m 拼接不得多于3处; #拼接部分至少被隔开30mm; #拼接部分应记录在检验单中; #每批预浸带有拼接的卷数不得超过20% 。 Á由于吸湿引起预浸料、离型纸或卷芯的可见损伤应视为拒收的理由。B 织物预浸料¹预浸料在质量状态上应均一, 不应有固化树脂颗粒、外来杂质(金属夹杂物、非金属夹杂物) 、无胶区、未完全浸润区、局部颜色不均等现象; º经纱和纬纱应互相垂直、平行于预浸料的径向和纬向, 整幅预浸料宽度范围内其平行偏差不得超过50mm, 在宽度和长度方向任何530mm 距离内, 偏差

) 32) 高科技纤维与应用第二十五卷贮存期、使用寿命和力学性能寿命:预

浸料的贮存期、使用寿命和力学性能寿命主要

取决于树脂基体, 不同树脂基体制得的预浸料

有很大的差别, 以177e 固化的通用环氧树脂

为例说明, 如图4-2。

¹贮存期:于-12e 或更低的温度下贮

存的预浸料, 从装运之日起, 应有365d 的贮

存期;

º使用前贮存期超过365d 的预浸料, 于

贮存期终止后的一个月内按原验收方法, 重新

检验其流动度、凝胶时间、粘性、压缩强度。

合格的材料, 允许增加180d 的贮存期, 超过

545d 的预浸料应报废;

»在室温(21? 3e ) 条件下, 预浸料的

使用寿命为240h, 超过这种条件所暴露的材

料应报废;

¼在室温(21? 3e ) 条件下, 预浸料力

学性能寿命为1008h, 超过这种条件所暴露的

材料应报废。

41215 层合板性能#单层板的厚度; #复合材料密度; #纤维体积含量; #树脂质量含量; #复合材料空隙率。¦层合板力学性能#拉伸性能:0b 拉伸强度和模量; 0b 拉伸应变; 90b 拉伸强度和模量; 90b 拉伸应变。#弯曲强度#燃烧性能:60s 垂直燃烧; 平均自熄时间; 平烧焦长度; 滴落物平均自熄时间。41216 层合板及夹层结构的其它性能电性能:介电常数和介电损耗; 透波性能; 吸波性能; 热性能:热膨胀系数, 导热系数。()

高科技纤维与应用第二十五卷第五期

Hi-Tech Fiber & Application 2000年10月Vol.25, No.5Oct., 2000

±±¾º½¿Õ²ÄÁÏÑÐ¾¿Ôº

中图分类号：　V258 文献标识码：　A [1**********]5-0018-04文章编号：　1007-9815

４．３　　预浸料的使用和加工预浸料剪裁

铺贴和工艺组合应在专用净

化间进行包括浸料°å¼ô²Ã2织物预浸料3Ô¤½þÁÏ¾¡¿ÉÄÜÓÃÑùÖ¯ÎïÔ¤½þÁÏ¿ÉÒÔ´î½Ó10工作间净化等级m 10

相对湿度要求 >/lÁÏ ÒÔ·ÀÎÛÈ¾Ô¤½þËùÓÐÆÌ²ãÓ¦°´Ë³Ðò±àºÅ ²¢

°´¹æ¶¨Öü´æÔÚµÍÎÂÏÂ

200300lx ÊÒÄÚ±£³ÖÕýÑ¹¼ÇÂ¼Àä²ØÖÐºÍÀä²ØÍâµÄ»ýÀÛÊ±¼ä Ô¤½þÁÏÆÌÌù

¸ü»»ÊÖÌ×

µÄÆµÂÊÓ¦È·±£ÖÆ¼þ²»±»ÎÛÈ¾

工作人员进入净

Ö½

工作台ÑÏ¸ñ°´ÆÌ²ãË³ÐòÆÌ²ã

灯具等ÔÓÎïºÍ±»ÎÛÈ¾

ÓÃ×¨ÓÃ¹¤¾ß³ä·Öß¦Ñ¹ÆÌ²ã

¶ÔÓÚºñµÄÖÆ¼þ

¿É²ÉÓÃÊÖÌáÊ½

ÈÈ¿ÕÆø´µ·ç»ú

²»Ó¦³¬¹ýÆÌÌùÎÂ¶È¼ÓÈÈÊ±¼ä²»µÃ³¬¹ý´íÎ»¼ÐÈë²Å°þÈ¥¸²¸ÇÄ¤ºÍÀëÐÍ压缩空气净化除油处理风淋化间应进行风淋清洁工作墙壁每月应清理一次预浸料剪裁预浸料可用专用切刀按下料样板切割钢模冲剪切割刀具切割从冷库取出的预浸料待内部温度恢复到室温

应双岗作业

ÒÔ

单向预±ã¼ì²éÆÌ²ã

第五期

按规定准确放置热电偶

铺贴好的坯料和工艺材料应按顺序准确

定位

计算吸胶材料用量

袋内抽真空应

畅通

空袋同时避免棱角划伤真在抽真空的情况下停止抽真空 0.02MPa４．３．２　　预浸料的成型加工预浸料可用不同成型方法加工 4-3 不同工艺方法的主要应用如

下

烘

箱

真空袋下的

预浸料制件到真空泵泵后

袋中的

料制件

预浸料

距芯棒

下模

烘箱固化或热压收缩带

１０Ｐａ

图4-3

常用预浸料成型加工方法

- 20 -张凤翻

´¬²°¹¤µ ¸ßÖÊÁ¿¸´ºÏ²ÄÁÏ½á¹¹¼þÄ£Ñ¹¹¤ÒÕÌåÓýÓÃÆ·

工业品

搓管工艺

滑雪杆

管件

压力袋工艺

树脂基体/碳纤维60

2530第二十五卷４．４　　预浸料与复合材料相关参数理论计算４．４．１　

　主要参数的计算方法N b A 吸胶层的吸收

率2W r g/m预浸料中纤维面密

度V f

天线杆等树脂体

积树脂密

度纤维密

度Ñ¡Ôñ=%预浸料树脂含量35404550

纤维体积含量

树脂基体/玻璃纤维556065

Ò预浸料树脂含量[1**********]530

[1**********]5

纤维体积含量

树脂基体/芳纶505560

5550

预浸料树脂含量45403530

2530354045

纤维体积含量505560

图4-4 预浸料树脂含量和纤维体积含量的关系

树脂基体密度

碳纤维密度 2.6g/cm3 1.45g/cm3

第五期

m m 高科技纤维与应用- 21 -　

g/m

m m g/mm m g/m

N p

固化后单层板厚度计算

W f f ¸´ºÏ²ÄÁÏÃÜ¶È¼ÆËãl

W f g/m3

f g/cm %纤维体

积

²»Îü½ºf

2液体密

度按阿基米德原理４．４．２　预浸料树脂含量和复合材Ｖ料ｆ和Ｃｐｔ为了获得所需复合材料的纤维体积含量V f 4-4 Í¨¹ýÑ¡ÔñÔ¤½þÁÏµÄÊ÷脂含量来实现可

以按图所

示

100·½·¨¶þÓÃÓÚ¼ÆËãC pt

第二十五卷第一期

2000年2月

高科技纤维与应用

Hi-Tech Fiber &A pp lication

Vol. 25No. 1Feb. 2000

技术讲座

复合材料用预浸料

张凤翻(

北京航空材料研究院, 北京

100095)

(续2) 2. 2

热塑性树脂基体预浸料的制备

溶液浸渍法

树脂含量, 满足对不同树脂含量预浸料的要求。

该法可以使用热固性树脂溶液法预浸设备及其工艺, 但需增加熔融炉, 使树脂熔融并粘附在增强材料上。2. 2. 2

泥浆法

这种工艺可以使树脂均匀浸渍, 但水和增稠剂处理不当, 会影响复合材料的性能。2. 2. 3

热压工艺

这种方法所用设备为热压机, 是将定量树脂

图2-8制备预浸料的泥浆式艺

1纱架; 2蓖子; 3, 10加热模; 11牵引;

4, 5, 6导向辊;

12收卷

7聚合物泥浆浴;

8导向机构;

9干燥室;

压力200N/cm 宽度, 最高工作温度370e 。

由于热塑性树脂熔融粘度大, 在供料漏斗内除保证足够的温度外, 还安装有导向叶轮以控制树脂的流动。

为了防止工艺过程中预浸料弯曲或起皱, 牵引辊的速度应略大于加压辊。设备还备有脱模机构, 以防树脂粘附到辊筒上。

2. 2. 4热熔法

再

图2-11热熔法制备预浸料示意图

1纤维束; 2集束器; 8;

3展平机构; ;

104烘箱;

5支承辊;

6挤出机;

上述方法中, 为了防止增强材料特别是树脂在高温下发生氧化和分解, 浸渍段往往还需要通入惰性气体保护。2. 2. 5

纤维混杂法

热塑性树脂纤维和碳纤维的主要混杂方式见图2-13。

(未完待续

)

技术讲座

文章编号:1007-9815(2000) 03-0035-04

复合材料用预浸料

张凤翻

(北京航空材料研究院, 北京100095)

中图分类号:V 258

文献标识码:A

(续4)

3预浸料的质量控制

3. 1生产线上的质量控制

含量的多寡。通过调节挤胶辊的位置或距离, 改变预浸料在挤胶辊上的包角, 控制预浸料的树脂含量。

0. 005L m , 面密度为6g /m ~250g /m 。

日本平野公司也有类似控制系统, 其结构见图3-2。

3. 2原材料的质量控制

制备和使用预浸料的环境还应无腐蚀和使树脂溶解性的介质, 空气中的尘埃也应有所限

制。美国道格拉斯公司规定复合材料车间每m 大气中, >5L m 的悬浮尘埃不能超过90000粒。

3. 4预浸料成品的质量控制

力下成型过程中树脂流动或迁移的能力, 它与

树脂的粘度和预浸料中树脂含量有关, 预浸料

中树脂含量越高, 粘度越小, 树脂流动度越大。

预浸料中挥发分含量高也对流动度带来影响。

流动度小, 在固化过程中树脂难以向纤维中渗

透, 树脂往往分布不均匀, 制品空隙含量会高。

流动度大, 在固化时会严重流胶, 树脂含量减

少, 制品贫胶; 同时流动度大, 树脂流动太快, 还

可能影响纤维方向, 降低复合材料性能, 适当的

流动度在成型中可驱除层与层之间的空气, 降

低孔隙率, 保证复合材料树脂均匀分布, 提高其

性能。测定预浸料树脂流动度的方法主要有两

种; 一是将正方形的两片预浸料正交铺层, 于规

定的温度和压力下保持一定时间, 以挤出树脂

的质量百分数作为预浸料树脂流动度。一是将

正方形的预浸料按[0b /90b ]交替铺层, 使厚度

达到1mm , 于规定温度和压力下保持一定时

间, 以固化后试样对角线方向增加的长度

(mm ) 作为树脂流动度。后一种方法预浸料耗

量大, 一般需6~10层, 另外用长度表示流动

度不太直观, 前一种方法设备简单, 操作方便,

现在广泛采用。

凝胶时间:一般是指树脂发生线型聚合, 生

成长链分子并交联的过程, 用于确定预浸料固

化时的加压时间。测定凝胶时间的方法主要有

两种:一是直接法, 是将预浸料放在两块盖玻片

之间, 置于加热到规定温度的专用电热板上, 用

探针给盖玻片施以压力, 树脂即从玻璃片之间

流出, 以探针拨动树脂, 到不形成丝状的时间作

为预浸料树脂凝胶时间。二是间接法, 是用溶

剂抽提出预浸料中的树脂, 蒸发掉溶剂, 将树脂

置于电热板上, 再按第一种方法进行测定。间

接法需在一定温度下除去溶剂, 往往会使树脂

部分固化, 随之影响试验结果。因此, 普遍采用

直接法。

粘性:是预浸料的主要工艺性能之一, 在贮

存过程中预浸料性能变化的第一个征兆往往是

粘性减低, 通常粘性不合格就认为预浸料超过

第二十五卷第四期

高科技纤维与应用Hi-T ech Fiber &Application Vol 125, No 14 技术讲座

文章编号:1007-9815(2000) 04-0029-04

复合材料用预浸料

张凤翻

(北京航空材料研究院, 北京100095)

中图分类号:V258 文献标识码:A

(续5)

4 预浸料的类型和性能

411 预浸料的类型

随着复合材料研究和开发的不断进步, 使

用领域日渐扩大, 复合材料构件不同制造工艺、

不同工作条件对预浸料也提出了不同要求。为

了适应来自多方面的需要, 新的预浸料不断出

现, 预浸料的类型不断增加。按物理状态分类,

预浸料分成单向预浸料、单向织物预浸料、织

物预浸料; 按树脂基体不同, 预浸料分成热固

性树脂预浸料和热塑性树脂预浸料; 按增强材

料不同, 分成碳纤维(织物) 预浸料、玻璃纤

维(织物) 预浸料、芳纶(织物) 预浸料; 根

据纤维长度不同, 分成短纤维(4176mm 以

下) 预浸料、长纤维(1217mm) 预浸料和连

续纤维预浸料; 按固化温度不同, 分成中温固

化(120e ) 预浸料、高温固化(180e ) 预

浸料以及固化温度超过200e 的预浸料等。

表4-1为按树脂基体不同预浸料的主要类

型。

能的织物, 日本日东纺公司的TEXXES 混杂织物属这类预浸料, 具有设计自由度大、可进行

多种原材料的不同组合; 对模具的适应性强、

能适应复杂形状构件的制造; 成型性和操作性

好、只需加热、加压就可成型, 适于制备具有

曲面的成型物; 成本低, 是一种低成本制造技

温度等。

41213 预浸料缺陷

¥缺陷规定和尺寸要求

A 单向预浸料:

¹预浸料应均匀平整, 不应有固化了的树

脂颗粒、外来杂质、未浸润的纤维、不存在未

浸胶区及吸湿现象。

º间隙:单向预浸料的连续间隙不应超过

012mm, 长度

间隙是可以接受的, 但每019m 2预浸中只允许

一处长度

间隙区。宽度

mm 的间隙是容许的, 且在30m 2的预浸料中不

得多于10处。

»毛团:在以下情况是可以接受的。

#不造成预浸料厚度突然变化, 整体厚度变

化不超过公称厚度的50%。

#由断丝引起的绒毛或松散的纤维球, 只要

不引起纤维扭曲、预浸料内这种毛团累计总面

积在任何0109m 2里不得超过10cm 2。

#毛团被除去并对预浸料的外观和性能无影

响的。

¼纤维排列:预浸料的纤维应是直线、平

行带材料的中心线、纤维不应有搭接、鼓泡、

扭曲、交叉、皱折、局部严重畸变等不合理的

排列、引起偏离轴线20b 、长度>12mm 的缺

陷, 出现这种缺陷的预浸料长度超过016mm 、

宽度>0115mm 可以拒收。

½预浸料边缘:预浸料边缘偏离直线每

600mm 不应超过115mm, 树脂流出边缘不超

过115mm 。

¾预浸料宽度公差:预浸料宽度公差一般

为? 1127mm 。

¿纱拼接:纱可以拼接并以下述条件为前

第四期

#拼接长度不超过40? 20mm 。张凤翻:复合材料用预浸料) 31) ¹预浸料不可接受的缺陷要在预浸料卷的

边缘, 于缺陷的起点和末端用明显地标记标

识, 带缺陷的材料其缺陷部分不应记入购买量

中;

º预浸料的缺陷部分可以切下, 但所提供

的预浸料中, 90%的长度Y 15m, 剩下的10%

长度Y 416m;

»每卷预浸料的缺陷类型、位置、长度以

及切取情况要记在每卷缺陷履历表中。

§缺陷标识:缺陷标识要清楚, 容易从预

浸料上除去, 且不损坏预浸料。标签要求如

下 :

长度200mm, 置于预浸料的一端缺陷的开

始和终了;

宽度10mm;

厚度012mm 1

¨缺陷的限度:每卷预浸料的最大缺陷质

量极限为15%。

缺陷的修整:预浸料的缺陷可以按下述

要求进行修整。

#纤维卷曲:补钉修补;

#固化树脂颗粒:拼接或去除;

#发干或手感发硬区域:拼接;

#鼓泡:拼接;

#吸湿:拼接;

#间隙:补钉修补或返修;

#毛团:容许或去除;

#末浸润的纤维:补钉修补;

#宽度偏差:补钉修补或拼接;

#纤维交叉:容许或拼接;

#纤维束拼接:容许或返修。

单向预浸料按图4-1方法进行拼接。

41214 工艺性能

¥固化工艺的适应性:预浸料对多种复合

材料成型工艺的适应性, 如模压法、热压罐法、

真空成型、自动铺带工艺等。

¦固化工艺参数:在保征性能前提下, 成

型温度尽可能低; 成型压力尽可能小; 成型时

间尽可能短; 加压带尽可能宽。

§铺贴性能好; 粘性适中, 铺覆性好。

¨制备蜂窝夹层结构的适应性:制造夹层

) 32) 高科技纤维与应用第二十五卷贮存期、使用寿命和力学性能寿命:预

浸料的贮存期、使用寿命和力学性能寿命主要

取决于树脂基体, 不同树脂基体制得的预浸料

有很大的差别, 以177e 固化的通用环氧树脂

为例说明, 如图4-2。

¹贮存期:于-12e 或更低的温度下贮

存的预浸料, 从装运之日起, 应有365d 的贮

存期;

º使用前贮存期超过365d 的预浸料, 于

贮存期终止后的一个月内按原验收方法, 重新

检验其流动度、凝胶时间、粘性、压缩强度。

合格的材料, 允许增加180d 的贮存期, 超过

545d 的预浸料应报废;

»在室温(21? 3e ) 条件下, 预浸料的

使用寿命为240h, 超过这种条件所暴露的材

料应报废;

¼在室温(21? 3e ) 条件下, 预浸料力

学性能寿命为1008h, 超过这种条件所暴露的

材料应报废。

高科技纤维与应用第二十五卷第五期

Hi-Tech Fiber & Application 2000年10月Vol.25, No.5Oct., 2000

±±¾º½¿Õ²ÄÁÏÑÐ¾¿Ôº

中图分类号：　V258 文献标识码：　A [1**********]5-0018-04文章编号：　1007-9815

４．３　　预浸料的使用和加工预浸料剪裁

铺贴和工艺组合应在专用净

化间进行包括浸料°å¼ô²Ã2织物预浸料3Ô¤½þÁÏ¾¡¿ÉÄÜÓÃÑùÖ¯ÎïÔ¤½þÁÏ¿ÉÒÔ´î½Ó10工作间净化等级m 10

相对湿度要求 >/lÁÏ ÒÔ·ÀÎÛÈ¾Ô¤½þËùÓÐÆÌ²ãÓ¦°´Ë³Ðò±àºÅ ²¢

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200300lx ÊÒÄÚ±£³ÖÕýÑ¹¼ÇÂ¼Àä²ØÖÐºÍÀä²ØÍâµÄ»ýÀÛÊ±¼ä Ô¤½þÁÏÆÌÌù

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应双岗作业

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第五期

按规定准确放置热电偶

铺贴好的坯料和工艺材料应按顺序准确

定位

计算吸胶材料用量

袋内抽真空应

畅通

下

烘

箱

真空袋下的

预浸料制件到真空泵泵后

袋中的

料制件

预浸料

距芯棒

下模

烘箱固化或热压收缩带

１０Ｐａ

图4-3

常用预浸料成型加工方法

- 20 -张凤翻

´¬²°¹¤µ ¸ßÖÊÁ¿¸´ºÏ²ÄÁÏ½á¹¹¼þÄ£Ñ¹¹¤ÒÕÌåÓýÓÃÆ·

工业品

搓管工艺

滑雪杆

管件

压力袋工艺

树脂基体/碳纤维60

2530第二十五卷４．４　　预浸料与复合材料相关参数理论计算４．４．１　

　主要参数的计算方法N b A 吸胶层的吸收

率2W r g/m预浸料中纤维面密

度V f

天线杆等树脂体

积树脂密

度纤维密

度Ñ¡Ôñ=%预浸料树脂含量35404550

纤维体积含量

树脂基体/玻璃纤维556065

Ò预浸料树脂含量[1**********]530

[1**********]5

纤维体积含量

树脂基体/芳纶505560

5550

预浸料树脂含量45403530

2530354045

纤维体积含量505560

图4-4 预浸料树脂含量和纤维体积含量的关系

树脂基体密度

碳纤维密度 2.6g/cm3 1.45g/cm3

第五期

m m 高科技纤维与应用- 21 -　

g/m

m m g/mm m g/m

N p

固化后单层板厚度计算

W f f ¸´ºÏ²ÄÁÏÃÜ¶È¼ÆËãl

W f g/m3

f g/cm %纤维体

积

²»Îü½ºf

2液体密

以按图所

示

100·½·¨¶þÓÃÓÚ¼ÆËãC pt

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