一种增韧的复合材料层合板及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种复合材料层合板，包括至少一层碳纤维增强的基体树脂层和至少一层增韧树脂层，其中增韧树脂层包括至少一种下列成分：聚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚酰胺等热塑性树脂，或环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂等热固性树脂与上述至少一种热塑性树脂的混合树脂体系。本发明专利技术还涉及所述复合材料层合板的制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种增韧的树脂基复合材料层合板及其制备方法。
技术介绍
纤维增强树脂基复合材料层合板的应用范围日益广泛，尤其是在航空工业中，各种飞行器都大量采用碳纤维复合材料结构。此类材料的普遍缺陷是韧性较低，表现为抗低速冲击损伤性能不佳，制约了其应用范围的进一步拓展。为解决此问题，已提出了多种改进措施，诸如开发新型高韧性基体、对现有材料体系进行增韧改性等，并且，由此已经产生了一些高韧性的复合材料层合板。但是，开发新的树脂体系不仅投入巨大、风险较高，而且说服工业界放弃现有的成熟的材料而改用新型的材料体系，既不经济又有相当的难度。因此，立足现有体系进行增韧就成为最现实的选择。传统的增韧技术是在低韧性基体(绝大多数为热固性树脂)中较多地引入橡胶、热塑性树脂等高韧性成分，形成两相或多相结构，以提升树脂整体的韧性。就组分的选择而言，用橡胶相增韧会影响多相体系的耐温性，故高性能的基体树脂通常选用热塑性树脂来增韧。大量研究结果表明，如果提高热塑性增韧树脂的体积分数比例，并通过热力学“分相”形成以热塑相包裹热固相的双连续、相反转的颗粒状“粗化”结构，则增韧效果会有显著提高。因此，传统的增韧技术是一种在空间位置上“整体性”的增韧技术，其技术基础是利用两组分材料体系在热力学和动力学基础上的“分相”和“粗化”机制，并且“分相”和“粗化”都均匀地发生在体系的任意空间位置，因此，这种增韧技术是“原位”的。但是这样做会带来两个问题第一，引入大量热塑性成分后，增韧基体的工艺性明显劣化，给复合材料的施工带来很多困难；第二，化学成分的改变以及固化后相结构的改变，使得新结构的控制非常复杂，无异于开发一种新材料。而且，这两方面的问题都不可避免地增加了材料成本和工艺成本。
技术实现思路
研究表明，低韧性碳纤维复合材料层合板发生冲击损伤的主要原因是层间树脂韧性不足，在遭受冲击事件时容易发生失效引起层间分层，使层合板结构的刚度大大降低，最终在低压缩应力下破坏，而且不同尺度、不同层次的复合结构对复合材料层合板的宏观性能起着不同的作用，因此，针对层间这样的薄弱环节进行增韧，即可望大幅度提高复合材料层合板的抗分层损伤能力。基于这一思路，并针对传统增韧技术存在的问题，提出下列解决方案第一，功能组分分离将增韧剂组分与树脂基体组分分离，但充分发挥各自组分的功能性质潜力，使增韧剂组分充分增韧而树脂基体组分保持其高强度、高模量性质不变，不使两者之间因直接混合(传统增韧技术的必要环节)而产生中间性质。第二，层结构功能分离充分利用整体层合板材料在厚度方向的周期性质，在组分材料的种类和性质的选择上，使决定比刚度和比强度的层内材料结构与决定韧性的层间材料功能分离，各自结构对应最适合的树脂组分材料。第三，“周期性”或“非周期性”结构优化将被分离的组分和层结构在功能优化设计的基础上，进行层材料和层结构的“周期性”或“非周期性”地重新整合。这里的“周期性”体现在由碳纤维增强体、树脂基体组分与增韧剂组分组成的叠层材料体系具有厚度方向的周期性。其中，如果由增韧组分与基体组分组成的叠层材料体系在厚度方向的周期性具有非常数的“频率”，则定义它为“非周期”的叠层材料体系。这就是“结构优化”。第四，预制一体化取消传统多组分树脂基体的配制和制备，而将增韧改性整合成为复合材料层合工艺中的一个预制环节。换句话说，事先并不存在一个增韧的基体树脂体系(传统的整体增韧技术)，然后用它去浸润碳纤维层并复合，而是先获得“周期”或“非周期”的预制铺层，然后复合制备成复合材料层合板。也就是说，事先并不需要像传统增韧技术那样，有一个两组分材料在相图上的均相窗口，然后通过两组分材料在热力学和动力学上的“分相”和“粗化”机制实现增韧，而是在制备复合材料的过程中，从并存的两组分、两相材料开始，以并存的两组分、两相材料状态结束；可能的“均相”只是其中一个非常短暂的过程，并且对最终的相结构没有影响。第五，强化弱结构识别复合材料中不同部位的载荷情况，在需要特别增韧的地方如开孔、边缘等弱结构部位，利用更多的增韧组分进行局部增韧强化处理。因此，从复合的方式上看，相对于传统的“原位”增韧技术，上述技术方案属于一种“离位”增韧技术，为一种选择性的、在结构设计基础上充分发挥复合材料多层次、多尺度的组分和结构的功能、效果优化了的增韧技术。基于“离位”增韧的构思，本专利技术的目的在于提供一种复合材料层合板，包括至少一层碳纤维增强的基体树脂层和至少一层增韧树脂层，其中增韧树脂层包括至少一种下列成分聚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚酰胺等热塑性树脂，或环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂等热固性树脂与上述至少一种热塑性树脂的混合树脂体系。本专利技术的另一个目的是提供一种制备复合材料层合板的方法，所述复合材料层合板含有至少一层碳纤维增强的基体树脂层和至少一层增韧树脂层，所述方法包括a.将包括至少一种选自下列的成分的材料预成型，制成结构材料聚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚酰胺等热塑性树脂，或环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂等热固性树脂与上述至少一种热塑性树脂的混合树脂体系；b.将所述结构材料复合至碳纤维增强的基体树脂，并按照原有碳纤维增强的基体树脂的固化工艺进行固化。附图说明图1说明“原位”增韧与“离位”增韧基本思想的对比。图2说明“原位”增韧与“离位”增韧工艺技术对比，其中TS为热固性树脂，TP为热塑性树脂。图3显示“离位”增韧复合材料典型树脂基体相形貌分布。图4显示“离位”复合材料典型层间相形貌。具体实施例方式本专利技术提供复合材料层合板，包括至少一层碳纤维增强的基体树脂层和至少一层增韧树脂层，其中增韧树脂层包括至少一种下列成分聚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚酰胺等热塑性树脂，或环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂等热固性树脂与上述至少一种热塑性树脂的混合树脂体系。在本专利技术的一个优选实施方案中，增韧树脂层形成以热塑性成分相或富热塑性成分相(热塑性成分相占增韧树脂层重量的10％-75％之间，优选10％-50％之间，更优选为15％-35％之间)为连续相的双连续或相反转结构，并与相邻的基体树脂层形成物理上的相畴间的相互贯穿和连接(例如IPN、Semi-IPN等)，其厚度为0.1μm-25μm，优选0.5μm-20μm，更优选1μm-10μm。在本专利技术的一个优选实施方案中，碳纤维增强的基体树脂层包括至少一种选自下列的树脂环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂等，采用热塑性组分如聚醚酮、或聚砜、或聚醚砜、或热塑性聚酰亚胺、或聚醚酰亚胺、或聚碳酸酯、或聚苯醚、或聚酰胺等，甚至使用环氧树脂、或双马来酰亚胺树脂、或热固性聚酰亚胺树脂、或酚醛树脂、或氰酸酯树脂、或不饱和聚酯树脂等与上述至少一种热塑性树脂的混合树脂体系等。在本专利技术的一个优选实施方案中，增韧树脂层为由至少一种选自下列的成分构成的预成型的结构材料聚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料层合板，包括至少一层碳纤维增强的基体树脂层和至少一层增韧树脂层，其中增韧树脂层包括至少一种下列成分：聚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚酰胺等热塑性树脂，或环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂等热固性树脂与上述至少一种热塑性树脂的混合树脂体系。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：益小苏，安学锋，唐邦铭，张明，
申请(专利权)人：中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]