高強高模超薄單向預浸料與 低克重平紋織物的制備工藝及性能研究

楊薇薇，方天明，季 兵

（天津昂林貿(mào)烽高新材料有限公司 天津 300308）

0 引言

碳纖維作為先進復合材料產(chǎn)業(yè)中最常見的增強體之一，已廣泛應用于汽車、航海和風力渦輪機等領(lǐng)域。碳纖維/環(huán)氧樹脂層壓復合材料由于輕質(zhì)、高強、高剛度/質(zhì)量比，而且具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，一直受到極大的關(guān)注[1]。

預浸料[2]是用樹脂基體在嚴格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物制成樹脂基體與增強體的組合物，是制造復合材料的中間材料。預浸料的優(yōu)劣關(guān)系到復合材料的質(zhì)量，因此預浸料對復合材料的應用和發(fā)展具有重要意義。

目前國內(nèi)對于高強高模超薄單向預浸料和低克重平紋織物的研究數(shù)據(jù)較少，國外也僅對高強超薄單向預浸料和T700平紋織物預浸料進行了相關(guān)研究。

J Cugnoni等[3]對面密度為30～150g/m2的單向預浸料制備的層合板進行了拉伸性能對比試驗，在準備同性薄層的無缺口拉伸試驗中，復合材料層合板所用薄層預浸料的單層厚度小于134μm時可達到的強度接近纖維最終的應力和應變，開始破壞應力達到最終破壞應力的92%。相比較，復合材料層合板所用厚層預浸料在纖維應變范圍為41%～66%的破壞，破壞開始發(fā)展的應變范圍為25%～50%。試驗表明在拉伸性能試驗中薄層預浸料具有良好的尺寸效應。最優(yōu)的體系采用了T800級碳纖維，單層厚度為67μm，抗拉強度達到了1090MPa，破壞開始時接近900MPa。

Hassan等[4]探討了基于展寬絲束技術(shù)獲得超輕熱塑性復合材料的方法。將傳統(tǒng)的12K碳纖維展寬，由5mm展成25mm，單位面積纖維質(zhì)量僅為原來的1/5。用此種展寬絲束技術(shù)可以生產(chǎn)單向預浸料和織物。作者采用聚苯硫醚（PPS）薄膜浸漬展寬絲束，最終制備成織物預浸料，樹脂質(zhì)量含量45%，且織物預浸料制備成層合板。與傳統(tǒng)的3K碳纖維織 物/聚苯硫醚（PPS）復合材料進行比較，展寬絲束制備的復合材料顯示具有更好的纖維填充、蠕變性和低孔隙率，并顯著提高了力學性能。

Yang等[5]對比了由T700-12K展成的單根寬度為8、14和20mm機織而成的平紋織物的相關(guān)性能。結(jié)果表明，在熱壓成型中，較寬絲束浸入聚碳酸酯基體中的速度較快，浸潤性較好。20mm展寬絲束制備的復合材料比8mm和14mm展寬絲束制備的材料具有較好的彈性、浸漬力、浸漬能和較大的抗拉強度、抗剪強度，表明絲束展寬之后碳纖維與基體的界面粘結(jié)能力加強了，并且展寬絲束可補償由纖維含量等降低而引起的一些性能的下降。

林強等[6]對超薄預浸料制備的復合材料在不同環(huán)境條件下，如室溫干態(tài)、低溫干態(tài)、高溫濕態(tài)，進行了拉伸、壓縮、剪切和短梁彎曲力學性能試驗研究，并與常規(guī)預浸料制備的復合材料進行了對比分析。研究表明，超薄預浸料制備的復合材料綜合力學性能略低于常規(guī)預浸料制備的復合材料，主要是由于其分散性較高，制備工藝待改進，但在鋪層數(shù)較少時其綜合力學性能更優(yōu)，飛行器較小厚度區(qū)應用前景廣闊。

本文對比研究了高強高模T700、T800和M40超薄單向預浸料的性能，同時比較了T700和T800展寬絲束制備的80g/m2平紋織物的物理性能和拉伸斷裂強力力學性能。

T700、T800和M40單向預浸料采用“超聲波法”展寬，樹脂用涂膠機涂膜，最后利用預浸機將纖維和膠膜復合制備出30g/m2的單向預浸料。預浸料通過模壓工藝復合成層合板，層合板經(jīng)過貼加強片、切割、貼應變片制成拉伸、壓縮標準試件，彎曲和剪切試件直接切割成標準尺寸即可，進而比較了這3種不同增強體預浸料制備層合板的拉、壓、彎、剪基本力學性能。

80g/m2展寬絲束平紋織物的制備是將T700和T800的絲束分別展寬，并利用二維織機將其加工 成型。

1 試驗部分

1.1 原材料

30G樹脂自主開發(fā)，T700、T800和M40纖維為日本東麗公司產(chǎn)品。

1.2 預浸料及平紋織物的制備

采用展寬絲束設備將T700、T800和M40纖維展開，樹脂利用涂膠機涂出膠膜，最后利用預浸設備將纖維束與膠膜在一定溫度和壓力下復合成30g/m2的單向預浸料，樹脂含量為（40±3）%。預浸料如圖1所示。

圖1 碳纖維超薄單向預浸料Fig.1 Carbon fiber ultra-thin UD prepregs

采用展寬絲束設備將T700、T800的絲束展開，利用二維織機織成80g/m2的平紋織物。展寬絲束如圖2所示，平紋織物如圖3所示。

圖2 碳纖維展寬絲束Fig.2 CF spread tows

圖3 碳纖維展寬絲束平紋織物Fig.3 CF spread tow plain fabrics

1.3 復合材料成型工藝

利用平板硫化機將預浸料模壓成型，具體的工藝及步驟為：80℃下將含有鋪層的模具放入硫化機并加壓3.5MPa，升到150℃保溫1h。然后在室溫下冷卻到60℃以下脫模。

1.4 性能測試與表征

預浸料的外觀質(zhì)量主要采用目視法，樹脂含量的測定按照HB7736.5—2004[7]進行，纖維面密度的測定按照HB7736.3—2004[8]進行，層合板基本力學性能的測試標準見表1。

表1 層合板力學性能測試標準Tab.1 Test standard of lamina mechanical properties

平紋織物的寬度和長度按照GB/T 7689.3—2013[9]進行測定，經(jīng)緯密度按照GB/T 7689.2—2013[10]進行測定，拉伸斷裂強力參照GB/T 7689.5—2013[11]進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維絲束及樹脂的基本性能

展寬后的絲束外觀無明顯開縫，不松散；收絲整齊、平整；單層絲束無翻轉(zhuǎn)重疊、無邊緣擠壓、無纏繞絲束、無起皺、無毛刺。碳纖維絲束性能見表2，樹脂性能見表3。

表2 T700、T800和M40纖維性能Tab.2 Properties of T700, T800 and M40 carbon fiber tows

表3 30G樹脂性能Tab.3 Properties of resin 30G

2.2 單向預浸料的基本性能

通過展寬、涂膠、復合工藝最終制成的30g/m2的單向預浸料外觀無縫隙，無纖維毛團，無雜質(zhì)，浸漬均勻，無樹脂堆積；無變形起皺，纖維無損傷。單向預浸料的單位面積質(zhì)量為（30±2）g/m2，樹脂含量為（40±3）%。預浸料的基本性能見表4。

表4 30 g/m2單向預浸料的基本性能Tab.4 Basic properties of 30 g/m2 UD prepregs

2.3 層合板的力學性能

研究了由中溫固化環(huán)氧樹脂30G制備的層合板的基本力學性能，結(jié)果見表5。試驗結(jié)果表明：層合板的抗拉強度主要取決于纖維的抗拉強度，T800絲束制備的層合板抗拉強度比T700絲束制備的高出13%；抗壓強度[12-13]是最難確定的一個性能參數(shù)，稍稍偏心的載荷將過早地發(fā)生失穩(wěn)而測試不到真正的壓縮強度。由于載荷易偏心、試件易失穩(wěn)及端部易破壞，所以壓縮強度的規(guī)律性稍差些；彎曲試驗是一種質(zhì)量控制和材料鑒定試驗，是一種綜合力學性能的體現(xiàn)，T700絲束制備的層合板抗彎強度比T800絲束制備的高出15%，比M40絲束制備的高出5%；層間剪切性能既受基體材料的影響，更受界面性能的影響，試驗結(jié)果表明M40絲束與該款樹脂的界面結(jié)合性能較好。

表5 層合板基本力學性能Tab.5 Basic mechanical properties of laminates

層合板的拉伸模量、壓縮模量和彎曲模量與纖維模量成正比，M40絲束制備的層合板比T700絲束制備的層合板模量高出50%～60%。

2.4 低克重平紋織物基本性能

通過展寬、機織而成的80g/m2的平紋織物外觀平整，纖維無折疊和褶皺，邊緣裁切整齊，收卷平整，經(jīng)緯紗間隙≤2mm，單位面積纖維質(zhì)量為（80±3）g/m2。T700和T800低克重平紋織物的物理和力學性能具體見表6，拉伸斷裂強力破壞后試樣見圖4。

圖4 平紋織物拉伸斷裂強力后破壞試樣Fig.4 Fracture samples of fabrics after tensile breaking force tests

表6 低克重平紋織物基本性能Tab.6 Basic properties of low-gram-weight plain fabrics

試驗結(jié)果表明，由于T800絲束的拉伸強度高出T700絲束20%，故拉伸斷裂強力也較高，高出30%左右。試驗結(jié)果很好地吻合了汪黎明[14]的結(jié)論，即織物結(jié)構(gòu)因素基本相同時，纖維的品種決定織物拉伸性能，織物拉伸斷裂強力與纖維抗拉強度成正比。

3 結(jié)論

①T700、T800和M40展寬后絲束的外觀良好，無毛團等外觀缺陷。

②涂膠-復合設備制備成3種中溫固化環(huán)氧超薄單向預浸料，制備后的預浸料外觀無缺陷，樹脂含量在公差允許范圍內(nèi)。

③預浸料通過模壓工藝制備了層合板，層合板力學性能數(shù)據(jù)表明，利用30G樹脂與M40絲束的界面結(jié)合較好，層間剪切性能高；層合板的抗拉強度和模量與纖維的抗拉強度和模量成正比。

④低克重同面密度的平紋織物的拉伸斷裂強力與纖維的抗拉強度成正比。