一种高性能环氧树脂基碳纤维复合材料制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种碳纤维复合材料及其成型工艺，碳纤维复合材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002] 树脂基碳纤维复合材料在自然条件下使用时，树脂基体及纤维与树脂的界面受到 环境因素的影响，将导致界面破坏，性能下降、状态改变，以至报废。聚合物基复合材料的老 化分为大气自然老化和人工加速老化，由于自然老化耗时长，经过十几年的老化试验后，将 跟不上材料的更新换代，因此，人工加速老化日益受研究者青睐。
[0003] 湿热环境条件对聚合物基复合材料的基体产生重要影响，高温下纤维与树脂基本 热膨胀系数的差异，导致界面产生内应力，在水分的作用下，使界面产生微裂纹，破坏界面 结构，降低界面之间的结合力。基于此认识，根据不同湿热环境下的吸湿扩散速率或不同湿 热环境下的湿热效应试验给出加速吸湿（老化）的经验工程公式来计算加速因子。
[0004] 本发明是通过在缩水甘油醚型环氧树脂（E-54)中加入一定比例的邻甲酚醛环氧 树脂（PGCN-700-3S)，使用L-固化剂，加入热塑性树脂聚芳醚酮（PEK-C)，制备成环氧树脂 体系。通过配方的调试，实现了两步热熔法制备环氧树脂基碳纤维预浸料；通过工艺参数的 摸索试验，确定了最佳的成型工艺参数。制备的先进环氧树脂基碳纤维复合材料在自然条 件下放15年之久，各项性能指标几乎没有发生变化。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种耐久性的高性能树脂体系，用于制备航空主承力件的 复合材料制件。
[0006] 本发明通过适当的配比，把缩水甘油醚型环氧树脂、邻甲酚醛环氧树脂、L-固化 剂、丙酮稀释剂、聚芳醚酮增韧剂配置成NY9200GB树脂体系，经热熔法制备成碳纤维或玻 璃布预浸料，通过工艺参数研究试验，确定碳纤维预浸料的成型工艺参数，采用热压罐法或 模压法制备成复合材料制件。
[0007] -种高性能环氧树脂，其特征在于：按以下步骤进行配制：
[0008] 1)按缩水甘油醚型环氧树脂与邻甲酚醛环氧树脂以（75~85):(25~15)的质 量比将两种树脂混合，溶解得到组分A;
[0009] 2)按组分A与PEK-C以85 :12的质量比混合均勾，升温至40°C~45°C时开启搅拌 器保持8min~12min，继续升温至135°C~155°C，保温lh~2h至清澈透明，称为组分B;
[0010] 3)按组分A与L-固化剂以15 "6~10)的质量比预混合，放入三辊碾磨机进行 碾磨，辊距由0. 1mm逐次减少至两棍相互接触，称为组分C;
[0011] 4)按组分B与组分C以97 :23的要求称取所需的重量，放入70°C~75°C的双星 形挂壁式混合机或捏合机中进行0. 5h~lh的混合，使之均匀即得到NY9200GB树脂体系。
[0012] -种高性能环氧树脂基碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：以 T700SC-12000-50C碳纤维为增强材料和NY9200GB树脂体系为基体材料制备NY9200GB/ T700SC碳纤维复合材料，将NY9200GB/T700SC碳纤维预浸料铺贴成所需的尺寸，用真空袋 密封完整，制件铺叠时每8层预浸料进行一次抽真空，真空压力保持25分钟，视情铺放吸 胶层，预压实及排气，预制件的真空压力不低于-0. 〇95MPa进入热压罐，卸载真空压力，以 彡3°C/min的速度升温至145°C±5°C范围内，加压至0. 6MPa~0. 7MPa，保温40min~ 60min，以彡3°C/min的速度升温至175°C~180°C之间，保温2h~2. 5h后，以彡3°C/min 的速度降至室温。
[0013] 本发明的优点：NY9200GB树脂体系适用于一步热熔法和两步热熔法生产碳纤维 预浸料和玻璃布预浸料；可通过热压罐法和模压法制备碳纤维复合材料和玻璃布复合材 料。制备的碳纤维复合材料70°C和85%RH环境箱内70天加速老化相当于在库房条件下 贮存14年和在露天条件下贮存1年的自然老化。因此，该复合材料的耐环境性能较好，可 长期在室温条件下贮存。
【附图说明】
[0014] 图1是NY9200GB树脂体系的粘温曲线。
[0015] 图2是树脂与预浸料的凝胶时间。
[0016] 图3是NY9200GB树脂固化时间的DSC分析。
[0017] 图4是成型工艺参数图。
【具体实施方式】
[0018] 实施例1
[0019] 一、NY9200GB树脂体系的的配制
[0020]NY9200GB树脂体系按以下步骤进行配制：
[0021] 1)按缩水甘油醚型环氧树脂（E-54)与邻甲酚醛环氧树脂（PGCN-700-3S)以80: 20的配比（质量比）将两种树脂混合，升温至125°C~130°C时，开启搅拌器，直至两种树脂 完全溶解。称为组分A。
[0022] 2)按组分A与PEK-C以85 :12的配比将两种材料混合均勾，升温至40°C~45°C时 开启搅拌器保持8min~12min，继续升温至135°C~155°C，保温lh~2h至清澈透明（视 量而定），称为组分B。
[0023] 3)按组分A与L-固化剂以15 :8的配比预混合，放入三辊碾磨机（辊温不超过 40°C为宜）进行不少于三次的碾磨，辊距由0. 1mm逐次减少至两棍相互接触，称为组分C。
[0024] 4)按组分B与组分C以97 :23的要求称取所需的重量，放入70°C~75°C的双星 形挂壁式混合机或捏合机中进行0. 5h~lh的混合，使之均匀（可在硅玻璃上薄薄涂一层 后肉眼观察）即得到NY9200GB树脂体系。
[0025]NY9200GB树脂体系的物理性能及典型力学性能见表1。
[0026] 表1NY9200GB树脂体系的物理性能及典型力学性能
[0027]
[0028] 二、粘温曲线及凝胶时间
[0029] 用两步热熔法制备树脂基预浸料需先进行胶膜的制备，再进行预浸料的制备，相 比与一步热熔法，含胶量的精度控制更高，可减少树脂和纤维的浪费，有利于提高复合材料 制件合格率。在进行两步热熔法制备时，制膜温度和树脂粘度是十分重要的工艺参数，直 接影响后续复合材料制件的纤维体积含量，纤维体积含量的多少直接影响着复合材料的强 度和模量大小。根据MIL-HDBK-17K《复合材料手册》中规定，复合材料的纤维体积含量在 45%~65%之间最合适，结合型号设计强度的需求，我们规定纤维体积含量在60%，根据 T700SC-12000-50C纤维密度和NY9200GB树脂体系的密度，计算出复合材料制件的含胶量 质量分数在30% ±3%最佳。
[0030] 由图1可知，在温度升至90°C后，粘度随温度的增加趋于平缓，降至低点，结合树 脂的凝胶时间（见图2)及碳纤维预浸料的产业化需求（在90°C时凝胶时间较长，有利于胶 膜和预浸料的生产。），最终选定在90°C进行制膜。
[0031] 三、成型工艺
[0032] 根据凝胶时间（见图2)和DSC曲线（见图3)的结果，我们选择了在130°C和145°C 下进行了不同保温时间的试验，结果表明，在145°C保温30~60min，层压板的厚度在理论 范围内，且性能较好。结果见表2。
[0033] 表2不同的保温时间对层压板性能的影响
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[0035] 为了确定不同压力下对层压板性能的影响，我们进行了不同压力下压制层压板性 能的测试，结果表明，在0. 5MPa~0. 6MPa压制的层压板综合性能较好，见表3和表4。
[0036] 表3不同固化压力对层压板性能的影响
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[0038] 表4不同固化时间对层压板性能的影响
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[0041] 综上所述，第一个保温阶段在145°C±5°C范围内，保温40min~60min，这一阶 段树脂的粘度较低，流动性较好，纤维充分浸