[发明专利]一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料的制备方法

说明书

本发明属于预浸料及其复合材料制造技术领域，涉及一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料的制备方法。预浸料真空袋压工艺是一种低成本的复合材料成型技术，对设备场地要求较低，便于推广应用，但真空袋压工艺制备的复合材料普遍存在韧性较差的问题。本发明提出了一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料，树脂采用特定结构尺寸的增韧剂进行改性，所制备的预浸料采用半浸透的浸渍结构，经树脂定向流动后，增韧剂会富集到复合材料纤维层间区域，形成增韧层。该复合材料结构能够抑制冲击载荷下裂纹的产生及沿层间的扩展，减小损伤面积，大幅提高复合材料的韧性性能。

技术领域

本发明属于预浸料及其复合材料制备技术领域，涉及一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料的制备方法。

背景技术

热压罐成型工艺制备的复合材料性能优异、质量稳定可靠，目前是最为重要的复合材料成型方法，但其高昂的工艺成本一直被人诟病。真空袋压成型工艺(VBO)无需热压罐罐压，只需通过真空压力即可，由于热压罐设备成本远高于相同容积的烘箱，因此，将预浸料采用真空袋压工艺成型复合材料是一种重要的低成本复合材料技术。

与热压罐工艺相比，真空袋压成型工艺的优势是制造成本明显降低，但也存在着两个问题：一是复合材料内部质量较差。由于真空袋压工艺的成型压力远低于热压罐工艺，不利于抑制复合材料内部孔隙的生成，造成成型后复合材料内部的孔隙率较高。为降低真空袋压成型复合材料中的孔隙率，可以通过优化树脂体系的黏度与反应活性、预浸料的结构形式(最重要的方法是采用半透性浸渍结构)等方法进行控制，从而提高复合材料的内部质量。

另一个问题是复合材料的韧性性能较低。真空袋压工艺成型的复合材料内部质量良好时，其拉伸、压缩、弯曲、短梁剪切等基本力学性能与热压罐成型复合材料是相当的，但韧性性能一般要低得多。这是因为预浸料用树脂基体一般需要添加增韧剂进行改性，增韧剂的添加会明显增加树脂体系的黏度。采用热压罐成型时，较高的压力能够促进树脂流动，并压缩未被排出的气体、挥发分等形成的空隙，保障成型后的复合材料内部质量较好，而真空袋压成型工艺压力低得多，为保障复合材料内部质量，树脂基体中只能不添加或添加少量的增韧剂，因而造成复合材料的韧性较差。

对于复合材料的增韧手段，目前最为有效的方法是层间增韧。层间增韧不同于传统的树脂基体整体增韧，而是将复合材料的增韧区主要限定到复合材料的纤维层间。层间增韧的复合材料在纤维层间区域具有一定的厚度，这使得层间区的面积显著增大，有利于裂纹尖端塑性区的形成，裂纹在层间区的扩展也会耗散更大的能量，从而降低复合材料层间的损伤面积，提高复合材料的韧性性能。特别是，将增韧层控制到复合材料层间时，对树脂体系而言所需要的增韧剂含量并不大。

因此，如何将增韧层控制到复合材料的层间区域，采用真空袋压成型工艺制备出高韧性的复合材料极为重要。

发明内容

本发明的目的是提出了一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料制备方法，其中，树脂基体采用特定结构尺寸的增韧剂进行改性，所制备的预浸料采用半浸透的浸渍结构，选择树脂黏度在5～15Pa·s对应的温度区间，设置保温平台，树脂向预浸料未浸渍区流动，从而使增韧剂富集到纤维层间区域，大幅提高复合材料的韧性性能。

本发明技术方案如下：一种真空袋压成型高韧性预浸料及其复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用增韧剂对树脂基体进行改性；

2)将增强纤维与步骤1)中的改性树脂基体复合为半浸透结构的预浸料；

3)将步骤2中的半浸透结构的预浸料采用真空袋压工艺成型，通过树脂定向流动，在增强纤维的过滤效应下，使增韧剂富集到复合材料纤维层间区域，形成增韧层。

优选地，步骤1)中所述的增韧剂为聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚氨酯、聚苯醚中的一种或两种及以上的组合。