含浸工藝對熱壓罐成型層壓板力學性能的影響

燕春云，王怡敏，梁群群，呂凱明

(江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽 212300)

0 前言

碳纖維復合材料“強度高于鋼、質量輕于鋁”，具有耐高溫、耐腐蝕等優越性能，不僅應用于戰斗機、直升機、無人機、艦艇、導彈、核武器等軍事領域，而且在軌道交通、汽車、海洋工程、建筑、節能減排等民用領域具有廣泛應用[1-2]。而預浸料作為高性能復合材料的中間材料，是復合材料最主要的一種半成品形式[3]。預浸料是用熱塑性或熱固性樹脂基體在嚴格控制的條件下浸漬連續纖維或織物，制成的樹脂基體與增強材料的組合物[6]。基體目前使用較多的為熱固性樹脂，主要包括環氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂、雙馬樹脂等，增強材料按其形式的不同，可分為單向和織物兩大類。預浸料的生產使用熱熔兩步法：涂膜和含浸，該方法具有制備效率高、產品質量穩定、缺陷率低等特點[4-7]，含浸是指將基體樹脂形成的膠膜覆在增強體纖維或織物表面，在嚴格控制的溫度和間隙下，樹脂融化并進入纖維或織物中，形成一個整體材料，再剝離掉上表面的離型紙，覆上PE膜，形成一面紙、一面膜的成品預浸料[8]。其基本工藝流程如圖1所示。

圖1 含浸工藝流程圖

目前預浸料在軍用和民用領域所占比重越來越大，需要大規模、批量化生產熱固性預浸料。由此在批產過程中對預浸料的質量要求極為苛刻，而預浸料制備工藝參數的控制對預浸料質量以及復合材料層合板質量的影響具有關鍵性作用。韓成智[9]研究了碳纖維/環氧樹脂單向預浸料在預浸溫度100～105 ℃，平壓輥間隙在380～400 μm之間、預浸速度為4～5 m/min時預浸料浸漬更加充分；于倩倩[10]對比研究了熱熔法和溶液法制備的預浸料的物理性能和力學性能，發現熱熔法制備的預浸料質量一致性好，揮發分含量低，而且在預浸料力學性能方面也優于溶液法；劉寶鋒[11]對比研究了溶液法和熱熔膠膜法工藝所制備玻璃布預浸料的物理性能、工藝性能、力學性能和滾筒剝離性能，結果表明熱熔法樹脂精度以及復合材料力學性能高于溶液法。李樹茂[12]通過研究輥面溫度和壓力對纖維浸透性的影響及樹脂的性能開發出一種T700級碳纖維單向預浸料熱熔法制備工藝。基于此，本文采用碳纖維緞紋織物作為增強體，環氧樹脂為基體，采用熱熔兩步法制備預浸料，探究了預浸料制備工藝中的含浸溫度、含浸間隙和含浸速度對織物預浸料熱壓罐成型復合材料板材力學性能的影響。

1 實驗

1.1 試驗材料

本試驗的主要材料為江蘇恒神股份有限公司生產的HFW380S織物和高溫固化環氧樹脂TF1966。HFW380S織物使用HF10-6K碳纖維編織而成。HF10-6K碳纖維的主要性能參數見表1，增強體織物的主要性能參數見表2，基體樹脂TF1966的主要性能參數見表3。

表1 碳纖維的主要性能參數

表2 織物物理性能參數

表3 樹脂的主要性能參數

1.2 含浸工藝設計

本試驗通過控制加熱輥的溫度和間隙、加熱板的溫度、生產的速度，從而控制預浸料的狀態，試驗設計方案見表4。具體工藝參數設定見表5～表7。

表4 試驗方案

表5 溫度設計

表6 間隙設計

表7 速度設計

1.3 樣品制備

1.3.1 預浸料的制備

設備采用瑞士Cavitec 熱熔預浸機，使用同一卷膠膜，按照設計的工藝參數進行9次含浸生產試驗。9種工藝的成品預浸料黏性存在差異，工藝3最大，工藝7最小，其他工藝介于兩者之間。

1.3.2 層壓板制備

采用熱壓罐成型制作層壓板，固化制度為：全真空，施加0.6 MPa(6 bar)壓力，再以1～3 ℃/min的升溫速率加熱至180 ℃，恒溫2h，再降溫至60 ℃。

2 性能測試與表征

2.1 預浸料物理性能測試

根據HB7736測試標準要求在等同的原材料上測試了預浸料的纖維面密度、樹脂含量、揮發分。

2.2 微觀浸漬形貌觀察

采用S-4000掃描電子顯微鏡觀察預浸料表面樹脂和纖維的結合狀態，表征預浸料的含浸程度。

2.3 C掃測試

使用日本奧林巴斯超聲相控陣探傷儀，型號為Omni Scan MX2，探頭信號5L64-A2，對復合材料板材進行截面C掃檢測。

2.4 力學性能測試

使用INSTRON 3382電子萬能材料試驗機，根據ASTM D 3039—14《聚合物基復合材料拉伸性能標準試驗方法》、ASTM D 790—15《未增強與增強塑料及電絕緣材料彎曲性能試驗方法》、ASTM D 5766/D 5766M—11《聚合物基體復合層壓材料的開孔抗拉強度的標準試驗方法》進行緯向拉伸、緯向彎曲測試，每種試樣測試有效數據不少于五個，取其平均值為最終結果。

3 試驗結果與分析

3.1 預浸料物理性能

9種預浸料物理性能測試結果如圖2所示。預浸料面密度目標值為603 g/m2，由圖2可知，預浸料面密度的實測值在603～614 g/m2之間，偏差在±1.5%左右，滿足GB/T 28461中預浸料面密度偏差在±5%以內的要求；纖維面密度目標值為380 g/m2，由圖2可知，預浸料纖維面密度的實測值在378～381 g/m2之間，偏差在±0.5%左右，滿足GB/T 28461中纖維面密度偏差在±5%以內的要求；樹脂含量目標值37%，實測值在37.4%～38.4%之間，滿足GB/T 28461中樹脂含量偏差在±3%以內的要求；預浸料的揮發分在0.5%以下，滿足GB/T 28461中揮發分<1%的要求。

圖2 預浸料物理性能測試數據

3.2 微觀浸漬形貌

根據預浸料的黏性，選取采用工藝3、工藝5、工藝7制備的預浸料分別進行掃描電鏡觀測，結果如圖3所示。如圖3(a)中工藝3的預浸料，樹脂多留在預浸料的表面，進入織物內部的較少，預浸料的內部比較松散，預浸料的含浸程度最差；如圖3(b)中工藝5的預浸料，樹脂有部分進入織物內部，但大部分仍留在織物的表面；如圖3(c)中工藝7預浸料，從圖中可看出樹脂進入織物內部的較多，與纖維的結合明顯優于工藝3和工藝5，含浸程度最好。

圖3 預浸料SEM圖像

3.3 C掃檢測圖分析

C掃是利用超聲波與不同密度材料的反射速率及能量不同的特性進行分析，回波強度因為材料密度的不同會有所差異，可利用此種特性對材料內部的缺陷進行分析。從圖4中可以看出，從工藝1至工藝9的板材圖像相似，都呈現為淡藍色(圖中間淺色部分)，且沒有明顯的顏色差異，說明板材的質量都較好。

圖4 不同板材的C掃圖

3.4 力學性能

3.4.1 拉伸性能

圖5為采用9種預浸料在熱壓罐工藝條件下制備的復合材料的緯向拉伸性能測試結果，所有材料拉伸強度均在600～632 MPa之間，波動范圍在±3.23%，差異較小；緯向拉伸模量在62.3～64.7 GPa之間，波動范圍在±2.32%。緯向拉伸強度和模量的實測值波動都遠小于±5%的測試誤差，即可認為在熱壓罐成型工藝下，預浸料制備中的含浸工藝對復合材料板材的緯向拉伸強度和模量沒有影響。

圖5 不同材料的緯向拉伸性能

3.4.2 彎曲性能

由圖6可知，9種材料的緯向彎曲強度均在842～892 MPa之間，波動范圍為±3.01%；緯向彎曲模量在60.0～63.4 GPa之間，波動范圍為±2.93%。緯向彎曲強度和模量的實測值波動都遠小于±5%的測試誤差，即可認為在熱壓罐成型工藝下，預浸料制備中的含浸工藝對復合材料板材的緯向彎曲性能沒有影響。這主要是由于雖然不同含浸工藝對預浸料的黏性和含浸程度有直接的影響，但熱壓罐成型可以使樹脂在成型的過程中充分流動，纖維得到充分浸漬，彌補了含浸工藝不同造成的預浸料含浸程度不同對板材成型質量的影響，使層壓板的質量一致且正常。

4 結論

(1)在一定范圍內，含浸溫度、速度、輥輪間隙對預浸料的含浸程度和黏性會有明顯的影響。溫度越高、速度越慢、壓力越大，預浸料的含浸程度越好、黏性越小；反之，預浸料的含浸程度越差，黏性越大。

圖6 不同材料的緯向彎曲性能

(2)不同預浸料含浸工藝不影響最終板材的成型質量，即板材C掃圖譜一致，且無異常。

(3)在熱壓罐成型下，含浸工藝對復合材料板材的緯向拉伸性能和彎曲性能均無影響。