碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料的熱固化工藝研究

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1、48碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料的熱固化工藝研究2011年1月碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料的熱固化工藝研究宋偉,齊俊偉,肖軍,羅鵬(南京航空航天大學(xué),南京210016)[1]摘要:以先進(jìn)拉擠(AdvancedPultrution)ADP成型技術(shù)為研究背景,借助差示掃描量熱法(DSC)對USN12500碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料固化所涉及的溫度和時間進(jìn)行了研究與分析。以彎曲強(qiáng)度作為考察指標(biāo)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),優(yōu)選了模擬的拉擠成型固化工藝參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,后固化溫度下的保溫時間對制品的力學(xué)性能影響最大,預(yù)處理溫度下的保溫時間影響最小;預(yù)處理溫度80!下處理25min、熱壓溫度130!下保溫保壓25

2、min以及后固化溫度150!下保溫1.5h為本組試驗(yàn)的優(yōu)方案。關(guān)鍵詞:ADP;預(yù)浸料;DSC;正交試驗(yàn)設(shè)計(jì);固化工藝中圖分類號:TB332文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1003-0999(2011)01-0048-04典型的層合板構(gòu)件固化方法有熱壓罐法和模壓表1USN12500的物理性質(zhì)法,預(yù)浸料固化工藝的制定也多針對上述兩種成型Table1PrepregphysicalpropertiesofUSN12500方法。隨著自動化制造技術(shù)的發(fā)展,復(fù)合材料制造單位面積樹脂單位面積預(yù)型號厚度揮發(fā)分纖維質(zhì)量含量浸料質(zhì)量行業(yè)相繼出現(xiàn)了一批先進(jìn)的成型技術(shù),大大提高了USN12500

3、125(g/m2)40(%)187(g/m2)0.13mm≦1.0%復(fù)合材料的生產(chǎn)效率。ADP技術(shù)就是近年來發(fā)展起來的復(fù)合材料自動化成型新方法,它由日本的JAMCO公司提出。區(qū)別于傳統(tǒng)的以單向纖維為主的濕法拉擠,ADP以預(yù)浸料為原材料,實(shí)現(xiàn)了拉擠型材力學(xué)性能的可設(shè)計(jì)性。根據(jù)鋪層設(shè)計(jì),預(yù)先裁剪的預(yù)浸料按疊層順序進(jìn)入預(yù)成型裝置完成層疊和預(yù)成型,隨后進(jìn)入敞開的熱壓模具中。熱壓模具閉合,層合材料在熱壓階段固化并達(dá)到一定的固化度,模具打開、牽引裝置牽引制件步進(jìn)一段行程,離開熱圖1USN12500典型的固化工藝曲線壓模具后的制件經(jīng)過后固化處理完成固化。在熱壓Fig.1Typ

4、icalcurvesofUSN12500curingprocess過程中,預(yù)浸料直接進(jìn)入到預(yù)定溫度的模具中,制品12試驗(yàn)設(shè)備[2]升溫速度較傳統(tǒng)工藝快,勢必影響材料的性能。差示掃描量熱儀,型號:TA20000;平板硫化機(jī),本工作針對USN12500碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料,并參考型號:XLB50Z;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,型號:DHG其典型的固化工藝,以預(yù)成型、熱壓成型以及后固化9246;SANS電子萬能試驗(yàn)機(jī),型號:CMT5105。所涉及的溫度和時間為研究對象設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方13DSC測試案,考察固化工藝對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)浸料典型固化工藝是經(jīng)過長期探索而制定的

5、的影響,為制定與ADP相適應(yīng)的固化制度提供適合預(yù)浸料固化的工藝,為此我們將圖1中的兩個參考。平臺溫度分別確定為ADP的預(yù)成型溫度(80!)和1試驗(yàn)過程熱壓溫度(130!);后固化溫度的大小需要通過對11原材料預(yù)浸料進(jìn)行動態(tài)DSC掃描來確定。由于拉擠過程試驗(yàn)所用原材料為USN12500單向碳纖維/環(huán)強(qiáng)調(diào)效率因素,要求盡量縮短試件在各溫度下的保氧預(yù)浸料,威海光威復(fù)合材料公司生產(chǎn)。溫時間,同時制品經(jīng)熱壓階段后需要達(dá)到必要的固化度以保證其在后固化過程中具有一定的保持原有收稿日期:20100727作者簡介:宋偉(1983),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)閺?fù)合材料自動化制造

6、工藝。FRP/CM2011No12011年第1期玻璃鋼/復(fù)合材料49形狀的能力,通過兩個平臺溫度下的等溫DSC測試,估算制品在熱壓階段固化度達(dá)到(60%~[3]80%)所需要的時間。試驗(yàn)采用美國TA公司制造的TA20000型差示掃描量熱儀對預(yù)浸料樣品分別進(jìn)行等溫和動態(tài)DSC測試,等溫DSC測試的溫度分別為80!和130!,動態(tài)DSC測試的升溫速率分別為2!/min、5!/min、7!/min以及10!/min,所有試驗(yàn)均采用N2保護(hù)。等溫測試過程中,在樣品放入爐體之后采用快速升溫的方式快速升到指定溫度,以此減小升溫過程對樹脂固化放熱的影響。14試驗(yàn)樣品的制備及力

7、學(xué)性能測試鋪層設(shè)計(jì):[0]16,嚴(yán)格按照表2設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行樣品的制備。為了盡可能模擬實(shí)際的生產(chǎn)過程,樣品制備過程中的預(yù)處理以及后固化階段都在烘箱中完成。而熱壓階段則在平板硫化機(jī)上完成。試驗(yàn)過程中所有的加熱設(shè)備都預(yù)先加熱到設(shè)定溫度,然后放入制品保溫相應(yīng)的時間,最后將后固化完的制品切割成跨厚比為32瘍1,尺寸為80#13mm的試樣。本次試驗(yàn)主要針對溫度制度對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,而壓力作為次要因素考慮,所以在確保充分壓實(shí)的情況下,我們將板材在熱壓階段受到的相對固化度的計(jì)算:根據(jù)上述DSC測試結(jié)果,壓力設(shè)定為1MPa。對130!等溫DSC曲線(見圖2)的放熱峰進(jìn)

8、行分段對照組的設(shè)置:壓力