一种碳纤维复合材料导流介质及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维复合材料导流介质及制备方法，导流介质为由纤维构成的网状结构，带有孔洞，纤维之间互相缠结交叉，无特定取向排列。导流介质纤维包括皮层和芯层，芯层材料为芳香族聚酰胺，皮层材料为热塑性弹性体，热塑性弹性体分子链包含硬段和软段。本发明专利技术提供的技术方案应用于复合材料液体成型工艺中，有助于树脂导流作用均匀分布在预成型体的每一层中，解决大厚度、夹芯结构预成型体充分、低缺陷浸润。与传统导流介质相比，同时兼具定型、增强、增韧效果，作为复合材料的内部组分，避免传统导流网造成表面压痕。传统导流网造成表面压痕。传统导流网造成表面压痕。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维复合材料导流介质及制备方法


[0001]本专利技术属于树脂基碳纤维复合材料领域，更具体来说，本专利技术涉及复合材料液体成型工艺中的导流介质及制备方法。

技术介绍

[0002]随着复合材料制造技术的不断发展，复合材料在航空航天领域的应用日益广泛，其用量成为衡量飞行器先进性的一大指标。相对于热压罐成型方法，以VARI(真空辅助树脂渗透)和RTM(树脂传递模塑)为代表的液体成型技术具备低制造成本、高制造效率、高尺寸和表面精度等优势，在复合材料成型技术中具备广泛的应用前景。
[0003]液体成型VARI工艺是在利用干纤维织物、单向带等铺贴形成预制体，铺放辅助材料后，进行树脂进、出流道铺放。随后采用真空袋或闭合模具封装预制体，在真空条件压力下将树脂压入真空袋或闭合模具内，使树脂充分浸润预制体。随后关闭注胶、出胶口后，经加热使树脂固化，冷却后，得到复合材料零件。
[0004]现阶段采用液体成型工艺制备复合材料存在以下两个突出的难题：
[0005]1、由于碳纤维呈现面内取向排列结构，层间韧性不理想是制约碳纤维复合材料发展和应用的一大难题，针对此问题，业内研发出Z
‑
PIN增强、缝合等多种层间增强增韧技术。对于液体成型工艺，碳纤维表面光滑无粘性，在铺贴过程中，铺层之间难以粘附，工程应用中，采取在铺层之间添加定型剂的方式辅助铺贴，定型剂通常为低聚物粉末或溶液，加热后具备粘性。传统定型剂呈现低强度和脆性，留存在铺层之间，对复合材料层间结合韧性造成不利影响。
[0006]2、树脂浸润过程控制显著影响液体成型工艺成型质量,由于碳纤维在织物或单向带中有序排列，制备的预制体中纤维堆砌紧密，且碳纤维表面光滑且呈现化学惰性。因此，树脂在预制体中渗透很慢，对于大尺寸、复杂结构而言，易造成树脂渗透时间超过工艺窗口，注冒口渗透质量差异显著等缺陷。针对这一问题，工程应用中普遍采用导流介质辅助渗透的方法。导流介质通常为聚乙烯、尼龙等材料的编织物，通常和脱模介质配合使用铺放在预制体表面，材料固化成型后剥离丢弃。传统导流介质存在以下缺陷：
[0007]1、成型产品后表面留下压痕，影响产品表面质量。
[0008]2、导流方向单一，仅在表层面内方向产生导流效果，对厚度方向渗透的影响十分有限，易造成上下表面渗透效果差异，靠底层预成型体树脂浸润不佳。
[0009]3、对于夹芯、预埋嵌件结构，导流介质仅对上部分预成型体树脂渗透存在改善效果，下部分树脂浸润困难，易形成干斑缺陷。

技术实现思路

[0010]针对干纤维预制体渗透困难，传统导流介质应用效果不理想、定型剂影响材料层间性能等问题，本专利技术公开了一种碳纤维复合材料导流介质及制备方法，本专利技术的技术方案如下：
[0011]一种碳纤维复合材料导流介质，设置在碳纤维织物之间，导流介质为纤维构成的网状结构，带有孔洞，纤维之间互相缠结交叉，无特定取向排列。导流介质纤维包括皮层和芯层，其中芯层化学结构为芳香族聚酰胺，是以芳香族二胺单体、芳香族二酰氯单体为原料通过聚合反应制备的，皮层材料为热塑性弹性体，热塑性弹性体分子链中包含硬段和软段。
[0012]·
优选方案1：皮层材料为下列之一：苯乙烯
‑
丁二烯嵌段共聚物、苯乙烯
‑
异戊二烯嵌段共聚物、苯乙烯
‑
异戊二
‑
烯丁二烯嵌段共聚物、丙烯腈
‑
丁二烯
‑
丙烯嵌段共聚物、甲苯二异氰酸酯
‑
聚醚二元醇
‑
1,4
‑
丁二醇嵌段共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯与脂肪族聚醚的嵌段共聚物。
[0013]·
优选方案2：皮层热塑性弹性体中硬段质量分数为30％
‑
45％。
[0014]·
优选方案3：皮层热塑性弹性体聚合度为1000
‑
1500。
[0015]·
优选方案4：皮层占皮
‑
芯结构纤维总质量的8％
‑
15％。
[0016]上述碳纤维复合材料导流介质制备的方法，包含以下步骤：
[0017](1)制备芯层聚合物溶液:采用芳香族二胺单体和芳香族二酰氯单体，在有机溶剂中合成聚酰胺溶液。
[0018](2)制备芯层纤维：利用步骤(1)中的导流组分聚合物溶液进行纺丝，烘干去除残余溶剂,得到芯层纤维。
[0019](3)制备皮层聚合物溶液：将下列热塑性弹性体材料之一溶解于有机溶剂中，制备出固含量8％
‑
12％的皮层聚合物溶液：苯乙烯
‑
丁二烯嵌段共聚物、苯乙烯
‑
异戊二烯嵌段共聚物、苯乙烯
‑
异戊二
‑
烯丁二烯嵌段共聚物、丙烯腈
‑
丁二烯
‑
丙烯嵌段共聚物、甲苯二异氰酸酯
‑
聚醚二元醇
‑
1,4
‑
丁二醇嵌段共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯与脂肪族聚醚的嵌段共聚物。
[0020](4)制备皮
‑
芯结构纤维：将步骤(2)中制备的皮层纤维通过引导装置浸入步骤(3)中制备的皮层聚合物溶液，再通过收集装置收卷，随后烘干纤维中的残留溶剂，将所得纤维重复上述浸入皮层聚合物溶液、收卷、烘干步骤，得到皮
‑
芯结构纤维。
[0021](5)将步骤(4)中得到的皮
‑
芯结构纤维送入梳理设备，将其分梳平行并分解为单纤维状态，再由杂乱机构将纤维制成均匀、杂乱排列的纤网，得到导流介质。
[0022]本专利技术技术方案具备以下优势：
[0023]1、传统导流网导流作用仅对表层碳纤维产生效果，相较而言，本专利技术提供的技术方案树脂导流作用可均匀分布在预成型体的每一层中，有助于大厚度、夹芯结构预成型体充分、低缺陷浸润。
[0024]2、传统导流网作为辅助材料使用，产品成型后剥离丢弃，其网格结构易在产品表面造成压痕，影响表面质量。本专利技术提供的导流介质成为复合材料组分，不影响产品表面质量。
[0025]3、纤维皮
‑
芯结构设计，皮层提供定型效果，芯层发挥导流作用，且皮层的热塑性弹性体材料具备体低温高弹性、高温塑性的特点，使皮层组分发挥高温下定型，室温下增韧的作用，解决了传统定型剂影响层间韧性的问题。
附图说明
[0026]图1
‑
导流介质结构示意图
[0027]图2
‑
导流介质制备过程示意图
[0028]图中编号说明：1
‑
导流介质；2
‑
皮层；3
‑
芯层；4
‑
硬段；5
‑
软段；6
‑
皮层聚合物溶液；7
‑
引导装置；8
‑
收集装置；9
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合材料导流介质，其特征在于导流介质为由纤维构成的网状结构，带有孔洞，纤维之间互相缠结交叉，无特定取向排列，纤维包括皮层和芯层，其中芯层材料为芳香族聚酰胺，是以芳香族二胺单体、芳香族二酰氯单体为原料通过聚合反应制备而成的，皮层材料为热塑性弹性体，热塑性弹性体分子链中包含硬段和软段。2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料导流介质，其特征在于，所述皮层热塑性弹性体材料为下列任意之一：苯乙烯
‑
丁二烯嵌段共聚物、苯乙烯
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异戊二烯嵌段共聚物、苯乙烯
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异戊二
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烯丁二烯嵌段共聚物、丙烯腈
‑
丁二烯
‑
丙烯嵌段共聚物、甲苯二异氰酸酯
‑
聚醚二元醇
‑
1,4
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丁二醇嵌段共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯与脂肪族聚醚的嵌段共聚物。3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料导流介质，其特征在于，所述皮层热塑性弹性体材料中硬段部分占皮层质量分数的30％
‑
45％。4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料导流介质，其特征在于，所述皮层热塑性弹性体材料的聚合度为1000
‑
1500。5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料导流介质，其特征在于，所述皮层质量占纤维总质量的8％
‑
15％。6.制备权利要求1
‑
5中任意一项权利要求所述的碳纤维复合材料导流介质的方法，包含以下步骤：6
‑
1制备芯层聚合物溶液:采用芳香族二胺单体...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫超，王天立，田亦瑶，苏霞，武凯，
申请(专利权)人：中航西安飞机工业集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：