大尺度异形构件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种大尺度异形构件及其制备方法，该异形构件包括固化的环氧树脂胶料和其内部的具有三维五向编织结构的预制体，预制体由碳纤维和聚酰亚胺纤维的混合纤维编织而成，其原料按重量百分比计包括：碳纤维55％～70％；聚酰亚胺纤维5％‑15％；以及环氧树脂胶料25％～33％；其中，环氧树脂胶料包括以下重量份的：双组份环氧树脂60～70份、改性胺类固化剂25～35份、增韧剂5～10份、稀释剂5～10份、硅烷偶联剂2～5份以及阻燃剂10～20份。其采用上述结构和组分配比，能显著的提升构件的抗拉强度及模量，并具备良好的耐高温性能、耐腐蚀性及阻燃性，制备方法简单无污染，可满足航空航天用异形构件的特殊需求。

Large-scale special-shaped components and their preparation methods

The invention discloses a large-scale special-shaped component and a preparation method thereof. The special-shaped component comprises cured epoxy resin compound and a preform with three-dimensional five-way braiding structure inside the component. The preform is woven by a mixture of carbon fibers and polyimide fibers. The raw materials of the special-shaped component include 55%-70% carbon fibers by weight percentage, 5%-15% polyimide fibers and the like. Epoxy resin compound is 25%-33%. Among them, epoxy resin compound includes 60-70 parts of two-component epoxy resin, 25-35 parts of modified amine curing agent, 5-10 parts of toughening agent, 5-10 parts of diluent, 2-5 parts of silane coupling agent and 10-20 parts of flame retardant. By using the above structure and component ratio, the tensile strength and modulus of the components can be significantly improved, and the components have good high temperature resistance, corrosion resistance and flame retardancy. The preparation method is simple and pollution-free, which can meet the special needs of aerospace special-shaped components.

【技术实现步骤摘要】
大尺度异形构件及其制备方法
本专利技术涉及纤维复合材料领域，具体而言，涉及一种大尺度异形构件及其制备方法。
技术介绍
随着碳纤维研发技术的推进，复合成型工艺的发展和应用领域的拓宽，以及航空领域对组成材料轻质、高强高模、抗冲击及其耐温要求，碳纤维复合材料成为航空领域材料构件中主要备选材料。航空飞行器主体结构一般为纤维杆件和碳纤维管件组成的笼状龙骨结构；外铺蒙皮壳体。主体结构性能直接影响着飞行器性能好坏，如驻空高度保持、附属设备的吊挂与安装、长航时性能以及返场能力等。因此，对相关构件的要求各项性能必须严格把关。异形结构件作为其中一种结构特殊的碳纤维构件，长度超长(几十米数量级)，外径尺寸精度高，长度方向拉伸强度高，长度主承力方向的纤维有精确的张力控制，不能有屈曲现象，产品实现一体成型。同时，应载人、返场能力和航空器内配套资源的保护需要，要求复合材料制品具备一定的阻燃性能。而随着航空技术的进一步发展，现有技术中的航空材料中的大尺度异形构件的抗拉伸强度和模量还亟需提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大尺度异形构件及其制备方法，改善现有大尺度异形构件的抗拉伸强度和模量。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本专利技术提供的一种大尺度异形构件，其包括固化的环氧树脂胶料和具有三维五向编织结构的预制体，所述预制体位于固化后的所述环氧树脂胶料的内部，所述预制体由碳纤维和聚酰亚胺纤维的混合纤维编织而成，所述大尺度异形构件的原料按重量百分比计至少包括：碳纤维55％～70％；聚酰亚胺纤维5％-15％；以及环氧树脂胶料25％～33％；其中，环氧树脂胶料包括以下重量份的组分：双组份环氧树脂60～70份、改性胺类固化剂25～35份、增韧剂5～10份、稀释剂5～10份、硅烷偶联剂2～5份以及阻燃剂10～20份。本专利技术还提供了一种上述大尺度异形构件的制备方法，其包括：将碳纤维和聚酰亚胺纤维的混合纤维通过三维多向编织技术制成预制体，再采用封闭式成型方法，通过常温负压灌装成型工艺注入环氧树脂胶料，凝胶固化。通过碳纤维和聚酰亚胺纤维两种纤维材料的混合使用，使得二者纤维功能互补，从而增强了纤维的可编制性能，进而使得其能够得到碳纤维比例较高的三维五向编织结构的预制体，而该三维五向编织结构赋予了环氧树脂胶料良好的浸渍均匀性，其使得环氧树脂胶料能够在纤维结构中均匀分布，不会出现部分部位喷胶的情况，进而能够充分发挥出环氧树脂胶料的物理特性；同时使得异形构件能够通过三维五向编织结构一体成型，内部的三维五向编织结构由于其本身的纤维材料特性大大增强了大尺度异形构件的抗拉强度和模量，避免了分离成型强度无法保证的隐患。此外，通过各个组分之间的科学配比，使得各种材料之间的力学性能合理匹配，也有效地确保了材料的抗拉强度和拉伸模量，并使得大尺度异形构件具有较好的耐温性能和阻燃性能等。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术实施方式的一种大尺度异形构件的外观示意图；图2为本专利技术实施方式的大尺度异形构件的成型装置的示意图。图标：1-模具；2-夹紧装置；3-预制体；4-纱线牵引伺服系统。具体实施方式为使本专利技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施方式或实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施方式的涉及的一种大尺度异形构件及其制备方法进行具体说明。航空材料中的异形构件，其由于长度超长，达到几十米，同时其尺寸精度、长度方向的拉伸强度和拉伸模量都具有很高的要求，此外，其长度主承力方向的纤维有精确的张力控制，不能有屈曲现象，一般通过一体成型制备得到。而随着航空技术的进一步发展，对于上述要求也亟需进一步提高。而抗拉强度和拉伸模量的提高主要通过异形构件内部的纤维材料以及其固化的基体材料，专利技术人发现随着由于碳纤维材料碳的提高，石墨化程度增加，刚度增加，单纯使用纱线纺织成预制体的难度增加。同时，在预制体中灌装树脂胶料固化时，胶料不能完全在纤维材料编织的预制体内充分分布均匀，导致其固化时部分地方会存在贫胶，使得获得的大尺度异形构件的拉伸强度和拉伸模量降低。因此，专利技术人通过大量的研究和实践，提出了以下技术方案来解决上述问题，以进一步改善现有大尺度异形构件的性能。本专利技术的一些实施方式提供了一种大尺度异形构件，其包括固化的环氧树脂胶料和具有三维五向编织结构的预制体，预制体位于固化后的环氧树脂胶料的内部，预制体由碳纤维和聚酰亚胺纤维的混合纤维编织而成，大尺度异形构件的原料按重量百分比计至少包括：碳纤维55％～70％；聚酰亚胺纤维5％-15％；以及环氧树脂胶料25％～33％；其中，环氧树脂胶料包括以下重量份的组分：双组份环氧树脂60～70份、改性胺类固化剂25～35份、增韧剂5～10份、稀释剂5～10份、硅烷偶联剂2～5份以及阻燃剂10～20份。专利技术人通过上述大尺度异形构件的结构和组分配比，使得其提高了现有大尺度异形构件的抗拉强度和拉伸模量。实现上述效果的原因可能在于：大幅度的增加了碳纤维用量，并且引入了聚酰亚胺纤维，使得二者纤维混合纺纱，进而二者之间在性能上互补，从而二者的混合纤维能够通过三维多向编织技术编织成三维五向编织结构的预制体，该预制体作为大尺度异形构件的增强相，其本身的三维五向编织结构和混合纤维的材料特性，能够有效增强材料的抗拉强度和拉伸模量。并且由于其三维五向编织结构还赋予了环氧树脂胶料在预制体中良好的浸渍均匀性，从而环氧树脂胶料的均匀分布避免了胶料分布不均匀在固化时部分地方发生贫胶而导致成品性能下降的情况发生。进一步地，通过环氧树脂材料之间的各成分的科学配比，使得各种材料之间的力学性能合理匹配，作为基体组分和上述增强相共同有效地确保了材料的抗拉强度和拉伸模量，并使得大尺度异形构件具有较好的耐温性能和阻燃性能等。根据一些实施方式，为了使得基体组分的性能达到更佳，选择特定的两种双组份环氧树脂进行配合，该双组份环氧树脂包括双酚A型环氧树脂和酚醛环氧树脂；进一步优选双酚A型环氧树脂和酚醛环氧树脂的重量比为6～12：1，更优选7～11：1，最优选8～9：1，例如，双酚A型环氧树脂和酚醛环氧树脂的重量比可以为6：1，7：1，8：1，9：1，10：1或11：1等。进一步地，双酚A型环氧树脂为陶氏DER331，酚醛环氧树脂为南亚F44。进一步地，一些实施方式中，上述改性胺类固化剂由以下制备方法制备得到：按重量份计，将10～15份酚醛树脂颗粒与10～15份脂环胺、10～15份聚醚胺和10～15份芳香胺均匀混合，使酚醛树脂颗粒溶解后，再与5～10份双酚A环氧树脂以及5～10份无机纳米陶瓷微珠混合均匀后，再加入35～45份的芳香胺及20～25份的苯甲醇，通入氮气，并抽真空后，搅拌；优选地，脂环胺包括MDA和IPDA中的至少一种；优选地，聚醚胺包括巴斯夫D230、巴斯夫D400和亨斯曼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大尺度异形构件，其特征在于，其包括固化的环氧树脂胶料和具有三维五向编织结构的预制体，所述预制体位于固化后的所述环氧树脂胶料的内部，所述预制体由碳纤维和聚酰亚胺纤维的混合纤维编织而成，所述大尺度异形构件的原料按重量百分比计至少包括：碳纤维55％～70％；聚酰亚胺纤维5％‑15％；以及环氧树脂胶料25％～33％；其中，所述环氧树脂胶料包括以下重量份的组分：双组份环氧树脂60～70份、改性胺类固化剂25～35份、增韧剂5～10份、稀释剂5～10份、硅烷偶联剂2～5份以及阻燃剂10～20份。

【技术特征摘要】
1.一种大尺度异形构件，其特征在于，其包括固化的环氧树脂胶料和具有三维五向编织结构的预制体，所述预制体位于固化后的所述环氧树脂胶料的内部，所述预制体由碳纤维和聚酰亚胺纤维的混合纤维编织而成，所述大尺度异形构件的原料按重量百分比计至少包括：碳纤维55％～70％；聚酰亚胺纤维5％-15％；以及环氧树脂胶料25％～33％；其中，所述环氧树脂胶料包括以下重量份的组分：双组份环氧树脂60～70份、改性胺类固化剂25～35份、增韧剂5～10份、稀释剂5～10份、硅烷偶联剂2～5份以及阻燃剂10～20份。2.根据权利要求1所述的大尺度异形构件，其特征在于，所述双组份环氧树脂包括双酚A型环氧树脂和酚醛环氧树脂；优选地，所述双酚A型环氧树脂和所述酚醛环氧树脂的重量比为6～12：1，更优选7～11：1，最优选8～9：1。3.根据权利要求2所述的大尺度异形构件，其特征在于，所述双酚A型环氧树脂为陶氏DER331，所述酚醛环氧树脂为南亚F44。4.根据权利要求1所述的大尺度异形构件，其特征在于，所述改性胺类固化剂由以下制备方法制备得到：按重量份计，将10～15份酚醛树脂颗粒与10～15份脂环胺、10～15份聚醚胺和10～15份芳香胺均匀混合，使所述酚醛树脂颗粒溶解后，再与5～10份双酚A环氧树脂以及5～10份无机纳米陶瓷微珠混合均匀后，再加入35～45份的芳香胺及20～25份的苯甲醇，通入氮气，并抽真空后，搅拌；优选地，所述脂环胺包括MDA和IPDA中的至少一种；优选地，所述聚醚胺包括D230、D400和T403中的至少一种。5.根据权利要求1所述的大尺度异形构件，其特征在于，所述增韧剂为聚醚类增韧剂，优选地，所述增韧剂包括带活性端基的VL-1、VL-4和PPG-200中的至少一种。6.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建东，张玉，陈务军，何红军，方聃，穆举杰，
申请(专利权)人：新誉集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32