中温固化高性能环氧树脂碳纤维复合材料性能研究

乌云其其格

（中航复合材料有限责任公司，北京 100095）

中温固化高性能环氧树脂碳纤维复合材料性能研究

乌云其其格

（中航复合材料有限责任公司，北京 100095）

对制备的中温固化高温使用环氧树脂体系的工艺性能及其碳纤维复合材料力学性能进行了测试和分析。研究结果表明，该树脂具有良好的韧性，其预浸料可与蜂窝直接共固化，夹层结构抗滚筒剥离强度高。其碳纤维复合材料力学性能满足指标要求，并具有较好的耐湿热性能，玻璃化转变温度高，耐热性能较好。

环氧树脂；中温固化；碳纤维复合材料；力学性能；测试研究

0 引言

树脂基复合材料具有现代飞机所需的重要特性，如高的比强度、比模量和尺寸稳定性，优异的耐腐蚀性能、耐磨性、介电性能、电绝缘性能和综合力学性能以及性能的可设计、成型工艺多样性等，因而在航空工业上获得了广泛的应用。热固性树脂基复合材料是最早应用在航空工业，目前在航空工业应用量最大的复合材料。其突出的高的比强度和比模量特点使其成为当今最重要的飞机材料之一。热固性树脂基复合材料按树脂体系的不同，有环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂等。当前航空用复合材料中环氧树脂占统治地位。环氧树脂基复合材料是技术比较成熟，应用比较广泛的一类复合材料。环氧树脂体系的固化温度不同可分为高温固化、中温固化、室温固化等体系。先进复合材料用环氧树脂大部分是高温固化和中温固化环氧树脂体系[1～3]。

中温固化高温使用环氧树脂复合材料减少了能耗，降低了对模具的要求，缩短了固化时间，减少了复合材料的制造成本。中温固化环氧树脂碳纤维复合材料具有较好的力学性能及耐环境性能，成型工艺性能好，综合性能优良，可在-55～80 ℃下长期使用，是航空工业中应用较为广泛的复合材料之一[4～6]。广泛用于运输机、通用飞机和直升机的蒙皮、隔板、肋、整流罩等结构件。由于其良好的综合性能、成熟的使用经验以及相对低廉的材料和制造成本，结合低成本的成型工艺（如非热压罐）制备低成本中温固化高温使用环氧树脂复合材料也将是民用复合材料的优先选择。

利用现有的低成本原材料研制一种中温固化高温使用的树脂基预浸料，树脂命名为ACTECH1202中温固化环氧树脂。实验主要对ACTECH1202中温固化高性能环氧碳纤维复合材料的性能进行研究。

1 实验

1.1 原料

ACTECH1202中温固化环氧树脂，自制；CCF300碳纤维，威海拓展纤维有限公司。

1.2 分析测试

差示扫描量热（DSC）分析采用TA公司的Q10型仪器测试，升温速率为10 ℃/min。玻璃化转变温度（Tg）的测试采用TA公司的Q800型动态力学热（DMA）分析仪测试，升温速率为5 ℃/min，测试频率为1 Hz，在氮气保护下进行测试。预浸料物理性能采用分析天平秤质量，烘干挥发份采用101A-4B型电热鼓风干燥箱。复合材料层合板和夹层板的力学性能在Instron 5582万能试验机上进行。制备预浸料采用幅宽为1 200 mm的两步法热熔预浸机（含胶膜机）。流变性能采用TA仪器公司的AR2000型流变仪测试，升温速率为2 ℃/min。

1.3 试验方法

在性能测试中所采用的试验方法见表1。

1.4 层合板和夹层板的制备

按表2所示的层合板铺层要求将预浸料裁剪和铺贴，铺层层数（名义单层厚度为0.125 mm）见表2。采用热压罐成型。固化工艺见表3。夹层板的制备用芯材为NH-1-1.83-48-δ12. 芳纶纸蜂窝，组装好的真空袋放入烘箱内，升温速率、固化温度和时间同表3。

2 结果与讨论

2.1 ACTECH1202中温固化环氧树脂体系

2.1.1 流变性能

表1 力学性能试验方法

表2 预浸料成型复合材料层合板的铺层

表3 ACTECH1202中温固化环氧碳纤维预浸料成型基本工艺参数

图1 ACTECH1202中温固化环氧树脂粘度-温度曲线

图1是ACTECH1202中温固化环氧树脂体系流变性能的结果。由图1可以看出，该树脂体系的粘度随温度变化的曲线拐点约在112 ℃，具有中温固化树脂的特点，固化温度135 ℃已经开始固化。100 ℃以下粘度随温度提高而下降，说明树脂体系具有较好的潜伏性。

2.1.2 ACTECH1202中温固化环氧树脂固化参数的摸索

通过树脂体系凝胶时间的测定、DSC分析和结合流变性能确定树脂的固化工艺。ACTECH1202中温固化环氧树脂的凝胶时间和凝胶时间-温度关系见图2。

图2结果表明，ACTECH1202中温固化环氧树脂在135 ℃的凝胶时间约8 min，140 ℃的凝胶时间约6 min。

图2 ACTECH1202中温固化环氧树脂凝胶时间随温度变化图

图3 预浸料DSC图

采用差示扫描量热（DSC）分析法研究了ACTECH1202中温固化环氧树脂固化体系在升温速率为10 ℃/min时的固化放热峰和温度的关系，结果见图3。图3结果表明，ACTECH1202中温固化环氧树脂的放热反应温度范围在125～197 ℃（升温速率为10 ℃/min时），具有中温固化树脂的放热特点，结合流变曲线和凝胶时间，固化工艺确定为（135～140）℃下保温2 h。

2.2 ACTECH1202中温固化环氧树脂/CCF300碳纤维预浸料物理指标

ACTECH1202中温固化环氧树脂/CCF300预浸料通过两步热熔工艺法制备。结合ACTECH1202中温固化环氧树脂的流变性能和凝胶时间确定制备预浸料工艺参数，工艺参数有制备胶膜的涂胶温度、涂胶速率、制备预浸料的浸渍速率、浸渍温度、各辊间距等。按确定的工艺参数调整设备可制备满足要求和外观合格的预浸料。对所制备的预浸料进行物理指标测试，其结果如表4。

由表4结果可知，采用热熔法制备的ACTECH 1202中温固化环氧树脂/ CCF300碳纤维预浸料的物理指标满足工程指标要求。

2.3 ACTECH1202中温固化环氧树脂/CCF300碳纤维复合材料指标

表4 ACTECH1202中温固化环氧树脂/CCF300碳纤维预浸料物理性能

表5 ACTECH1202中温固化环氧树脂/CCF300碳纤维复合材料层合板和夹层板力学性能

用ACTECH1202中温固化环氧树脂/CCF300碳纤维预浸料制备复合材料层合板和夹层板，测试了复合材料层合板的常温、耐高低温和湿热性能，结果见表5。ACTECH1202中温固化环氧树脂是增韧改性树脂，其预浸料具有自粘性，即预浸料可以直接粘接芯材。用滚筒剥离强度表征自粘性预浸料和芯材的粘接强度。对ACTECH1202中温固化环氧树脂/CCF300碳纤维预浸料夹层板滚筒剥离强度进行测试，结果见表5。

由表5可以看出，ACTECH1202中温固化环氧树脂/CCF300碳纤维复合材料常温、湿态100℃及-55 ℃性能均达到了指标要求。蜂窝夹层板的滚筒剥离强度高，满足工程指标要求。湿态100 ℃下的性能比较高。而一般中温固化树脂复合材料最高在湿态80 ℃下有一定的性能保持率，但在湿态100 ℃下性能很低或没法测试。因此ACTECH1202中温固化环氧树脂复合材料的耐湿热性比较好。

2.4 树脂体系复合材料的Tg

一般中温固化树脂复合材料的Tg比高温固化树脂复合材料低，一般＜165 ℃。实验用的ACTECH1202中温固化环氧树脂体系在研究配方时考虑了树脂的耐热性和韧性。对其进行了增韧改性，使其预浸料具备自粘性，直接粘接芯材，同时考虑耐热性，提高其Tg和树脂复合材料的使用温度。采用动态力学热（DMA）分析仪测试ACTECH1202中温固化环氧树脂体系复合材料层合板的Tg（tanδ），其结果见图4。从图4可见，层合板的Tg（tanδ）峰约在200 ℃，说明其复合材料的耐热性比较好。

Research on the property of a medium-temperature curing high performance epoxy resin carbon fiber composite

WUYUN Qiqige

( AVIC Composite Corporation LTD, Beijing 100095 China )

The processing property of a medium-temperature curing high-temperature epoxy resin and the mechanical properties of its carbon fiber reinforced composites were measured and analyzed. The results showed that the toughness of this epoxy is well, and the prepreg can co-cure with the honeycomb directly. The roll peel strength of the sandwich structure is high. The hydrothermal property of the carbon fiber reinforced composites is well, and the mechanical property is satisfied the requirement. The glass-transition temperature of the composites is high, and the heat resistance property is well.

epoxy resin; medium-temperature curing; carbon fiber composites; mechanical properties; test research

V258

A

1007-9815（2016）02-0048-03

定稿日期:2016-04-07

乌云其其格（1968-），女（蒙族），内蒙古赤峰人，博士，研究员，主要从事复合材料用树脂基体以及纤维增强复合材料应用的研究，(电子信箱)wuyunqiqige2006@126.com。