编号29701.docx

编号29701.docx

《编号29701.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《编号29701.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

编号29701

姓名：

林泽隆

专业班级：

高分子材料应用技术

论文题目：

预浸料的制备及性能检测

指导老师：

罗大为

目录

摘要1

1前言1

1.1国内外预浸料的发展现状概述1

1.2预浸料的主要类型2

1.3预浸料的主要制备方法2

1.4预浸料的应用3

2预浸料的制备及性能检测4

2.1预浸料的制备及检测4

2.1.1预浸料制备的原料4

2.1.2预浸料的制备过程4

2.1.3预浸料的质量结果检测5

2.2实验结果6

3结论8

参考文献9

致谢10

摘要

预浸料是一类增强纤维浸渍树脂的低成本制造的复合材料。

这一类纤维增强的复合材料主要制备方式与其性能依赖于预浸料此类复合材料的质量。

本文中主要介绍了国内外预浸料的发展状况、预浸料的主要类型、预浸料的主要制备方法、预浸料的主要物理性能及其在相关领域的广泛应用前景。

预浸料相关性能的好坏主要取决于预浸料的原始加工材料的性能及其加工工艺手段的不同，预浸料此类物质的研究与开发已经越来越受到广大机械工程领域公司的重视和亲睐！

关键词：

预浸料；复合材料；物理性能；应用前景

1.前言

1.1国内外预浸料的发展现状概述

预浸料这类新型复合材料在西方国家早在上个世纪70年代就开始就应用在航空航天方面,加快了航空航天的发展,但是在21世纪之前的很长一段时间内,我国还没有这种材料及设备,航空航天所需要的预浸料还需要从国外引进,但是受西方国家“巴统”的限制,发达国家故意习难,把碳纤维预浸料的生产技术列为禁运之列,对我国实施严格地控制封锁,严重的制约了我国碳纤维工业的快速大力发展,特别是使得我国国内飞机制造业、运营业处于极其被动的地位,常常受制于其他发达的西方国家,使得我国军、民用飞机、航天事业等尖端科技的大力生产进度减慢[1]。

我国航空及纳米复合材料的专家组曾多次赴国外相关国家的相关领域单位进行实地考察,想引进国外复合材料的生产设备,但是西方国家对我国的预浸料设备的输出是进行着严格地封锁,我国相关领域的专家只能是通过一些科研文献和相关的设备来进行自组装设计，逐渐建立了碳纤维生产的雏形,但是我国的预浸料的生产仍处于初级阶段,由于PAN原丝的材料质量不过关和生产技术及设备不够完善,在产量和质量等方面还不能大力满足社会经济、科技发展的需求[2],[3]。

随着科技的发展,碳纤维应用得到了不断的发展,市场需求很旺盛,但是许多用途还有待开发,相信在不久的将来,碳纤维预浸料的市场前景更广阔,潜力也将会是相当巨大。

在20世纪90年代末期,我国准备组建陆航的大优势条件下,北京航空材料研究院与有关领域的专家和公司共同合作研究出一套生产玻璃纤维的窄带预浸机。

这也我国第一台较完全依靠本国力量的预浸料设备,与此同时我国在航空航天领域方面也同样取得了不小的突破,填补了这么多年来我国在这领域方面的空白,在预浸料的生产研制方面我国逐渐走出受国外其他国家限制的局面,本国自主研发设计生产出来的预浸料也完全能够符合航空航天所使用到的材料标准,甚至在材料中的某些指标还大大地超过了从外国进口来的的预浸料的标准！

1.2预浸料的主要类型

预浸料的类型很多，

（1）按相应的物理形态来进行区分的话可以大体上分为单向预浸料和织物预浸料这两大类;

（2）如果按照宽度来进行分类则可以分为宽带、窄带预浸料;（3）按增强体原始材料的种类的不同可以大致分为碳纤维增强预浸料、玻璃纤维增强预浸料及芳纶纤维增强预浸料等;（4）如果按照基体的品种不同来进行分类则可以分为热塑性预浸料和热固性预浸料这两大类型;（5）按其生产过程中固化温度来进行区分可大致分为低温、中温、高温固化预浸料这三大类[1]。

上述的这五种分类方式中，热塑性预浸料和热固性预浸料则是其中最为常用的分类方式，两者的性能特点就其力学性能来讲，单向预浸料属于一类没有纬纱，完全靠着树脂基体将纤维粘成片状的材料，承载纤维可按受力分析情况设计结构铺层，因此其纱线的力学性能利用率是最高的。

织物预浸料由于织物在织造过程中经、纬的交织屈曲，不可避免造成纤维损伤，从而降低力学性能。

但从易于手工铺层操作和遇有拐角的复合材料结构来看，织物预浸料又有其独特的优点;在某些偏轴织物功用方面，其力学性能也较为稳定[3]。

1.3预浸料的主要制备方法

预浸料的主要制备方法可以大体上分为湿法、干法这两种大的类型

（一）湿法

最开始，预浸料的生产工艺大体是在玻璃板上将一束一束纤维平行地进行靠拢,随后设法倾注树脂基体,一段时间后即成预浸料。

连续高性能纤维的工业化的生产中得到应用,湿法制造的预浸料业的发展已经成为了机械化产业,其中主要有滚筒法和连续制带法这两大类型,这两种湿法制样的工作原理大体上是一致的:

都是将纤维束倾注于树脂基体溶液的槽中,并且在槽中停留一定的时间从而使得树脂基体完全碾平地浸渍到纤维束上,经碾平后进行再次收集[4]。

应用湿法来制备的预浸料材料具有设备筒单、操作方便、通用性大等多方面的优势。

其主要不足则表现为在树脂基体与增强纤维的混合比例上很难达到准确的控制,树脂基体材料也很难准确地平铺到预浸料材料上。

因而，不管是国内还是在国外，进行工业化生产的过程中一般不会选择应用湿法进行生产预浸料设备，而选择的是干法来进行预浸料的制备。

（二）干法

干法大体上可以分为熔融树脂法和胶膜嵌人法这两种类型。

前者是直接将纤维束基体与展平的熔融树脂相互融合于一体;而后者则是将纤维束基体在另外一台机器上与事先制备好的胶膜进行融合制备而成。

纤维束基体与展平的熔融树脂融合以后的以后几道生产工序大体上基本相同[2]。

干法制造的预浸料是不含任何溶剂的,有利于制备低空隙含盘的高性能复合材料;与此同时制成的预浸料的胶膜厚度也是可以进行调控的,因而预浸料中树脂含量也可得到较为准确地控制;最为重要的是在树脂基体材料配制成的糊状体或胶膜的过程中，可随时检查到它们的凝胶时间、粘性等技术指标,从而使得预浸料的质量能够得到很好的把握控制。

例如，热固性的预浸料的生产制备流程图如下：

图1连续浸渍法制备预浸料工艺

1.4预浸料的应用

自从预浸料在工业化进行了大量的生产以来,不仅仅是在我国，目前世界各国都特别重视预浸料的大力地开发利用。

目前,预浸料的市场需求已经在北美、欧洲和亚洲占有一席重要的位置[3]。

由于碳纤维预浸料的性能优越,具有很高的附加值,国内外相关权威机构曾经预测过复合材料的发展前景不仅仅局限在诸如航空航天和军工这两个方面,必将随着科技、经济的发展和大力完善,它将更会被更广泛的应用于新的一些领域中如:

体育用品中的高尔夫球杆、自行车三角架和摩托车头盗等;医疗器械中的医用CT床、假肢;机械制造工业的玻璃钢叶片、纺织机部件、消声设备和煤矿机械部件等[6]。

由此而见,当前世界碳纤维预浸料的发展趋势是:

产品性能高端化、价格低廉化,航空航天领域用量稳定增长、民用领域用量大幅度增长。

不用怀疑的是,预浸料的经济市场和生产工艺手段将会随着科技进行的快速发展必然会有更好地发展应用前景。

2.预浸料的制备及性能检测

2.1预浸料的制备及检测

2.1.1预浸料制备的原料

树脂及固化剂、增强玻璃纤维、乙醇、丙酮、金属托盘、电子天平、烘箱、马福炉、坩埚、表面皿、脱模剂、硬度计。

2.1.2预浸料的制备过程

（1）配置不饱和聚酯树脂胶液（含胶量60%～65%），取一定量的玻璃长纤维将其剪成20mm~40mm的短纤维（如是玻璃布可剪成20mm×20mm的碎布片）在托盘内混合，又称捏合。

（2）戴上乳胶手套在托盘内揉搓，使玻璃纤维充分浸润，然后将纤维捞出晾干。

（3）将已疏松的浸上树脂的乱纤维摊在钢盘中于80℃温度烘30min，即可达到不发粘。

（4）将预浸料装塑料口袋封严待用。

（5）也可以做成SMC：

注意在胶液中加入适量增稠剂，然后在两层脱模纸中压成片状。

再进行处理。

2.1.3预浸料的质量结果检测

预浸料挥发分含量、预浸料不可溶树脂含量及预浸料固化后的树脂固化度的比较测定时影响预浸料的关键因素：

1）预浸料挥发分含量测定

（1）取出预浸料。

弃去最外层部分进行取样;

（2）预浸料按不同位置各取取祥4g~5g。

（3）准确称其质量W1，精确到0.0005g;

（4）将试样放于涂有脱模剂的钢盘中，置于烘箱中在135℃下处理15分钟。

（5）取出在干燥器中冷却至室温，称其质量W2,精确到0.0005g；

（6）挥发分V按下式计算:

计算算术平均值，取三位有效数字。

2）预浸料不可溶树脂含量测定

（1）按本实验中测定预浸料挥发分含量的取样方法取样。

（2）迅速称量试样质量w1。

（3）按乙醇：

丙酮-1:

1配混合溶剂600g，分成三杯。

（4）取试样放入第一杯中浸泡溶解3min，并可轻轻摇动帮助溶解。

（5）用干净不锈钢镊子将样品移入第二杯中浸泡溶解3min。

（6）用上述方法将试样移入第三杯中漂洗4min，取出放入干净表面皿中，在180℃下烘15min，除去表面附着的溶剂和渗入不可溶树脂中的溶剂。

（7）取出放入干燥器中冷却至室温，迅速称量残余试样W2。

（8）将它放入650℃已恒重的坩埚W。

中，再移入650℃马福炉中灼烧30min，取出放入干燥器中冷却至室温，连坩埚一起称量w3。

（9）不可溶树脂含量C按下式计算:

3）预浸料固化后的树脂固化度比较

取不同预浸料试样进行热处理固化，冷却后分别用硬度计测试复合材料硬度，通过硬度值的比较可以反应固化度的不同。

对比较结果进行分析。

2.2实验结果

图2碳纤维预浸料的示意图

预浸料的主要物理性能是通过增强纤维的单位面积重量,主要是通过g/m2来进行表示，它可以表示预浸料的基本物理特性,它可使得相关领域的相关预浸料材料设计师或工作人员能够明确地知道进行纤维素基体固化以后其单层的物理性能。

例如，UF3325树脂体系的性能如下表：

表1UF3325树脂体系的性能

（一）固化后预浸料的层压板湿热性能测试

可以通过参考GB2574-89《玻璃纤维增强塑料湿热试验方法》测试标准将待测试样放置于烘箱中干燥至恒重后，浸入去离子水中,水温为65士2℃,相对湿度保持在90士3%范围内,浸水时间一周左右（按170h算）,每隔24h取出试样,用滤纸迅速擦去预浸料表面残留去离子水分以后并称重（所）,按下式计算其吸湿率:

；式中[4]:

W0为吸湿前预浸料的原始质量（g）,Wt为t时刻时预浸料的质量（g）,Mt为预浸料的吸湿率（%）。

例如：

不同类型树脂基体基本性能对比如下表：

表2不同类型树脂基体基本性能

（二）预浸料扫描电镜分析

可以采用相应型号的扫描电子显微镜观察分析，将样品铺平展开,粘于金属样品盘上,经喷金处理后,用SEM分析预浸料此类复合材料的断面形貌特征。

图3预浸料复合材料受拉断面的SEM照片

由图3可知,单向预浸料复合材料层压板的破坏断面不规整,碳纤维均有不同程度的断裂拔出,断面呈现粘结较好的碳纤维团簇，这种粘接紧密而又不平滑的断面在断裂后出现的新生表面积要比平整断面大得多,因而在断裂过程中吸收能量较多,从而提高了复合材料的强度；另外,从断面可以看到,环氧树脂粘附在被拔出的碳纤维表面上,并且基体中还存在着孔洞,这说明碳纤维与自制的低温固化长效环氧树脂体系的界面属于中等界面粘结,但是界面并没有完全破坏,纤维与树脂之间的界面结合良好,破坏是发生在纤维之间和树脂之间,因此复合材料的层间剪切强度较高。

（3）加压大小对预浸料力学性能的影响测试

研究了初步低温固化85e/3Omin施加不同压力后复合材料的基本力学性能,结果见下表：

表3加压大小对预浸料力学性能的影响

由表3结果表明，当施加压力0.5MPa时,复合材料的层间剪切强度明显较低,主要是由于此时挥发份没有完全移除,而压力施加后进一步阻碍挥发份的移除,而同时由于压力太小又无法使挥发分全部溶于树脂中,从而形成较多的孔隙,因而压力越大,将有更多的挥发分溶解于树脂中;因而当压力增大到1.0MPa以上后,更多的挥发

分可以被溶于树脂中,因而孔隙减少,复合材料性能有所提高。

3.结论

通过预浸料复合材料受拉断面的SEM照片，可以观察到单向预浸料复合材料层压板的破坏断面不规整,碳纤维均有不同程度的断裂拔出,断面呈现粘结较好的碳纤维团簇，这种粘接紧密而又不平滑的断面在断裂后出现的新生表面积要比平整断面大得多,因而在断裂过程中吸收能量较多,从而提高了复合材料的强度；另外,从断面可以看到,环氧树脂粘附在被拔出的碳纤维表面上,并且基体中还存在着孔洞,这说明碳纤维与自制的低温固化长效环氧树脂体系的界面属于中等界面粘结,但是界面并没有完全破坏,纤维与树脂之间的界面结合良好,破坏是发生在纤维之间和树脂之间,因此复合材料的层间剪切强度较高。

同时，由加压大小对预浸料力学性能的影响表格数据可以看出，当施加压力0.5MPa时,复合材料的层间剪切强度明显较低,主要是由于此时挥发份没有完全移除,而压力施加后进一步阻碍挥发份的移除,而同时由于压力太小又无法使挥发分全部溶于树脂中,从而形成较多的孔隙,因而压力越大,将有更多的挥发分溶解于树脂中;因而当压力增大到1.0MPa以上后,更多的挥发分可以被溶于树脂中,因而孔隙减少,复合材料性能有所提高。

预浸料是纤维增强复合材料设计与制造工艺的一类中间材料。

也是复合材料半成品的一种重要类型，主要被广泛地应用于航天航空领域[5]。

特别是近些年来预浸料的发展甚为迅速,不仅仅要满足当今复合材料的工业生产需求，而且对于预浸料的生产工艺的要求也是越来越严格，预浸料的“质量”对最终复合材料制品的质量有极大影响。

因此，预浸料的质量检测就是测量预浸料中树脂的状态。

特别是在今后对预浸料的厚度尺寸的控制,纤维含量和树脂含量之间相互最佳配合的比例上而言,目前很多相关领域的科研人员正采用一些专用的装置仪器设备,在确保预浸料树脂基体的均匀性等方面进行大量的数据分析和大力地改进,使现有的人工进行操作、半自动化生产逐渐向自动化生产转型,使得预浸料的制造工艺流程也是较为稳定和质量控制等方面也可以得到可靠保证,特别是在宇航航空航天工程领域中将会得到更为广泛的应用[7]。

参考文献

[1]吴祥.热熔膜法长效低温碳纤维/环氧树脂预浸料的制备及性能研究[D].2012．

[2]叶鼎栓.值得关注的预浸料市场[J].环境科学,2008,27（8）:

1565-1569.

[3]MaderEdith,RotheChristina,Shang-LinGao.Commingledyarnsofsurfacenano

structuredglassandpolypropylenefilamentsforeffectivecompositeproperties[J].

J.MaterSci,2007,42（19）:

8062-8070.

[4]刘宝锋,李佩兰,廖子龙.两种预浸工艺对玻璃布预浸料性能的影响[J].热固性树

脂,2006,4（21）:

18-20.

[5]王冰山.纤维缠绕中纤维含胶量控制系统的设计与研究[D].武汉：

武汉理工大

学，2007

[6]梅文.纤维缠绕含胶量的激光传感器测呈系统研究与设计[D].武汉：

武汉理工大

学，2011

[7]王强.从碳纤维到碳纤维增强热塑性塑料[J].玻璃钢,2012

（2）:

46-49.

[8]黄家康.复合材料成型技术及应用[M].北京:

化学工业出版社,2011:

1-2.

致谢

本论文在罗大为导师的悉心指导下完成的。

导师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无法、平易近人的人格魅力对本人影响深远。

不仅使本人树立了远大的学习目标、掌握了基本的研究方法，还使本人明白了许多为人处事的道理。

所以在此，再次对老师道一声：

老师，您辛苦了！

谢谢您！

三年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。

很庆幸这三年来我遇到了如此多的良师益友，无论在学习上、生活上，还是工作上，都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在一个充满温馨的环境中度过三年的大学生活。

感恩之情难以用言语量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。

　“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。

”就用这话作为这篇论文的一个结尾，也是一段生活的结束。

希望自己能够继续少年时的梦想，永不放弃。

林泽隆

2015年5月24日