[發明專利]一種纖維增強復合材料的定型和增韌的方法

有效

• 申請號: 201110376947.9
• 申請日: 2011-11-22
• 公開（公告）號: CN102514116A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 郭妙才;崔海超;劉剛;益小蘇
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
• 主分類號: B29B11/00
• 分類號: B29B11/00;C08L79/08;C08G73/10;C08J9/00
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 李建英

技術領域

本發明屬于復合材料領域，涉及一種纖維增強復合材料的定型和增韌的方法。

背景技術

層合熱固性樹脂基復合材料的層間斷裂韌性主要通過樹脂基體尤其是層間樹脂基體的增韌實現。材料的韌性和其化學結構、微結構有關，有四種增韌機理被用于材料的增韌中，即：粘彈流動、微裂紋與龜裂、裂紋錨定橋、裂紋偏轉。相繼有以下幾種方法應用于(1)熱固樹脂的擴鏈增韌或形成互穿網絡結構增韌；(2)摻入橡膠粒子、熱塑性樹脂，利用化學反應誘導的相分離生成兩相或多相結構增韌，包含了“原位”和新發展出來的“離位”增韌方法；(3)利用微米/納米尺度的剛性無機粒子進行增韌。在國際前沿上研究得比較多的有構造纖維和碳納米管微納米雜化結構、利用分子自組裝技術形成長剛棒結構和蠕蟲狀結構等。

從目前來看，對于國際前沿上研究得比較多的方法，盡管有些方法增韌效果特別突出，但實際應用具有一定的困難，如構造纖維和碳納米管微納米雜化結構，操作條件苛刻工藝時間長，對于利用分子自組裝技術成長剛棒增韌，在形成分子自組織結構后體系成凝膠狀，難以成型。對于傳統的方法，如擴鏈增韌和形成互穿網絡結構增韌，韌性則和交聯密度有關，韌性提高的結果往往是體系黏度變大、固化物剛性下降。剛性無機粒子增韌則普遍存在分散性問題，也不利于用于RTM成型。

和本發明密切相關的技術為上述(2)，即利用摻入橡膠粒子、熱塑性樹脂，利用這種韌性物質形成的多相結構增韌。對于傳統“原位”增韌方法，摻入樹脂后體系黏度變大，不能或難以用于RTM成型，新發展出來“離位”增韌技術(中國CN101220561，CN101760965A)一定程度上避開了這個問題，通過復合材料成型過程中在添加一層增韌膜，經過固化成型后層間多層次多相增韌相結構不降低其他力學性能，且使復合材料的壓縮后沖擊強度(CAI)提高100％以上，但對熱塑性樹脂的溶解性要求比較苛刻，若熱塑性樹脂在熱固性樹脂中具有一定溶解度則在注膠過程中導致增粘難以流動和被沖刷分散不均等現象。如專利號為WO9009410-A等是將分散性顆粒加入層間增韌，也與本專利密切相關，但這種將分散性熱塑性顆粒加入后顆粒結構和形貌幾乎不發生改變，仍以原有形貌存在于最終得到的復合材料層間，不能夠對上下層的纖維起滲透或粘連作用以達到更好的增韌效果，而且多數顆粒為近球形多面體，形成的兩相界面面積相對較小。

發明內容

本發明的目的是提出一種有利于增進復合材料韌性的纖維增強復合材料的定型和增韌的方法。本發明的技術解決方案是：

(1)利用聚酰亞胺發泡粉發泡時的粘結性用作復合材料的定型；

(2)利用聚酰亞胺發泡粉層間發泡形成粘連微結構用作層間增韌結構；其步驟是：

(a)將聚酰亞胺發泡粉均勻撒在纖維織物表面，面密度為3～30g/m²，環境溫度為室溫；經過50～200℃的加熱，加熱時間為1～60s，得到附載泡沫粉的織物；

(b)將附載泡沫粉的織物鋪層得到預制體，將鋪層得到的預制體置于烘箱中，采用真空袋壓定型的方法，加熱至250～300℃，使聚酰亞胺發泡粉充分發泡，并在層間形成增韌用的熱塑性聚酰亞胺橋架結構。

所用的發泡粉可為聚酰亞胺發泡粉中的各種聚四酸二酯二銨鹽、聚酰胺酸泡沫前驅體，粉末顆粒為1～50μm，溶劑含量為1％～40％，溶劑為甲醇、乙醇、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺

本發明具有的優點和有益效果是，本發明利用發泡粉用于纖維增強復合材料的定型和增韌的方法。將發泡粉均勻分散在纖維織物上，在一定溫度加熱時粉末具有粘結性，可以得到附載定型劑的織物，并可用作材料鋪層定型，發泡粉在更高溫度發泡時，附載發泡粉顆粒膨脹、相互粘接并可在纖維表面發生滲透粘結，在層間形成橋架結構。這種橋架結構在復合材料的層間起到增韌作用，具有耐溫性高而不溶解的特點，不造成進一步的RTM注膠中黏度過大而流動困難的問題。

本發明利用發泡粉末發泡時軟化具有粘結性并且發泡時形成聚合物微觀結構的特征作為層間增韌劑，相對于以往的增韌方法，增韌劑同時起到定型和增韌的作用，并且在用于RTM生產工藝中不至于因為增韌熱塑性聚合物溶解而影響到體系的流動，發泡形成層間熱塑性橋聯結構相對于純粹塞入增韌層也有更大的表面積，也有利增加層間增韌結構的剛度。本發明的方法所用的方法操作比較簡單，聚酰亞胺發泡粉的選擇范圍較廣，發泡后得到的聚酰亞胺熱塑性結構耐溫性能高，滿足大規模應用的要求。