碳纤维预浸料挥发分测试方法改进

左洋，谢玉萍，孔静，杨耀东，杨春晟

(1.北京卫星制造厂，北京 100094； 2.国家蛋白质科学中心，北京 102206； 3.北京航空材料研究院，北京 100095)

碳纤维预浸料挥发分测试方法改进

左洋1，谢玉萍2，孔静1，杨耀东1，杨春晟3

(1.北京卫星制造厂，北京 100094； 2.国家蛋白质科学中心，北京 102206； 3.北京航空材料研究院，北京 100095)

碳纤维预浸料挥发分的测试对于复合材料的工艺成型和制品的使用性能至关重要。为了解决碳纤维预浸料挥发分测试数据偏离理论值的问题，根据基体类型的差异，对挥发分测试方法进行了改进。对烘焙温度和烘焙时间进行考察试验。通过试验确定4211体系预浸料烘焙温度为160℃，烘焙时间为20 min，；氰酸酯体系预浸料烘焙温度为180℃，烘焙时间为60 min，并且需在金属网的下面加入恒重的收集皿。测试方法改进后，测试结果与理论值接近，且测定结果的标准偏差从0.75下降至0.12，提高了挥发分测试结果的精密度和准确度。

碳纤维；预浸料；复合材料；挥发分；测试方法

预浸料是制造复合材料及其制件的中间材料，是组成复合材料的基本单元。预浸料可储存，使用方便，其均匀性和稳定性是保证复合材料及其制件质量和可靠性的重要性能指标。航天领域对材料的密度、刚度、质量、疲劳特性等都有严格要求，碳纤维复合材料在这些方面颇具优势。随着型号任务量的增大，卫星、飞船等空间飞行器上碳纤维复合材料的使用量逐年增加，尤其是碳纤维预浸料复合材料已广泛应用于卫星的中心承力筒、基板、连接架等主体结构中，满足了航天器的多项功能性需求［1–10］。

目前主要采用溶液浸渍法制备无维布，会有一定量的溶剂存在。少量的溶剂会对成形工艺有益，可使基体材料具有一定的粘性和流动性，便于铺叠，降低复合材料的空隙含量；但溶剂过多，在升温固化过程中溶剂会大量挥发，使复合材料内部形成空隙。因此挥发分含量是评定无维布质量的一项重要指标，应严格控制，一般要求低于2%［2］。由此可见碳纤维预浸料的挥发分测试至关重要，GB 6056–1985《 预浸料挥发分含量试验方法》中规定了不同类别预浸料的挥发分试验通则和推荐试验条件。北京卫星制造厂生产过程中选用了不同基体的预浸料，挥发分测试时出现了数据偏离理论值较大的问题，并且离散性较大。为此笔者针对本厂基体类型对现有的挥发分试验方法进行改进［11–14］，方法改进后挥发分测试结果的精密度和准确度都得到了提高。

1 实验部分

1.1 主要仪器与材料

高温试验箱：HT4023P型，重庆特思特试验设备有限公司；

分析天平：AL104型，瑞士梅特勒公司；

4211体系碳纤维预浸料：北京卫星制造厂；

氰酸酯体系碳纤维预浸料：北京卫星制造厂。

1.2 样品处理方法

从冷藏箱中取出预浸料，于室温下放置。待温度升至室温后方可开封，弃去最外层后进行取样。取样尺寸为100 mm×100 mm；取样部位：在布幅的宽度方向按左、中、右3个部位各取1片(距边缘至少20 mm)。取样时应在温度为(23±2)℃，相对湿度为(50±10)%的试验间进行，试样数量不少于3个［2］。

1.3 原实验方法

(1)取样后，将碳纤维预浸料试样放入己知质量的金属网上立即称量，精确至0.000 1 g，记作m1。

(2)将试样和金属网放入已恒温在(160±2)℃的干燥箱中，按预浸料技术规定的条件进行试验。恒温结束，取出试样，放入干燥器中，冷却至室温。

(3)迅速称量，精确至0.000 1 g，记作m［

22］。

1.4 原实验方法结果计算

碳纤维预浸料挥发物含量按式(1)计算：

式中：Vc——挥发分含量，%；

m0——金属网质量，g；

m1——干燥前试样和金属网质量，g；

m2——干燥后试样和金属网质量，g。

2 结果与讨论

2.1 原实验方法存在的问题

北京卫星厂生产中选择与碳纤维匹配的基体，主要包括由648酚醛环氧树脂与三氟化硼单乙胺络合物固化剂组成的4211体系和氰酸酯体系两种类型。4211体系的成型加工性能好，但力学性能不及氰酸酯体系；氰酸酯体系力学性能好，但高温下流动性强，不易成型。GB 6056–1985方法能够准确测试出4211体系碳纤维预浸料的挥发分，但在测试氰酸酯体系碳纤维预浸料的挥发分时，测试结果与理论值(2%)偏差很大。表1列出了某牌号某批次氰酸酯体系碳纤维预浸料挥发分的分析数据，可明显看出挥发分测试结果在理论值的2倍以上，5组数据的标准偏差为0.75。经分析可能是因为挥发分试验过程中由于氰酸酯的流动性太好，当试样放入高温烘箱后，预浸料中树脂类物质随着氰酸酯开始游动，试样的一部分成分透过金属网损失掉，从而造成测试结果较大地偏离理论值。

表1 方法改进前氰酸酯体系碳纤维预浸料挥发分测试结果

2.2 方法改进

基于氰酸酯高温下的流动性能，需要对测试过程做一些调整和改进，在金属网的下面加入一个恒重后的收集皿，要求尺寸略大于金属网，这样在试样烘焙过程中，部分损失的溶质会回落到收集皿上，不影响测试结果。改进后挥发分测试结果按式(2)计算：

式中：Vc——挥发分含量，%；

M0——金属网和收集皿的质量，g；

M1——干燥前试样、金属网和收集皿的质量，g；

M2——干燥后试样、金属网和收集皿的质量，g。

标准中提供了不同类型预浸料的推荐烘焙时间，结合本厂两种体系碳纤维预浸料的特点，分别对4211体系预浸料和氰酸酯体系预浸料的烘焙时间进行了试验。

2.2.1 4211体系烘焙时间

在对碳纤维预浸料进行烘焙时，GB 6056–1985标准中只规定了推荐的实验条件，结合4211体系预浸料的特点和测试经验，设定烘焙温度为160℃，比较烘焙时间为10，20，30，60 min时的挥发分，测试结果见表2、表3。挥发分与烘焙时间的关系曲线见图1。

表2 不同烘焙时间4211体系碳纤维预浸料的质量 g

表3 不同烘焙时间时4211体系碳纤维预浸料的挥发分 %

图1 4211体系碳纤维预浸料挥发分随烘焙时间的变化曲线

由图1可以看出，碳纤维预浸料的挥发分随着烘焙时间的延长先逐渐增加，达到峰值后趋于稳定。烘焙时间为20 min时，4211体系碳纤维预浸料的挥发分达到峰值，过了此点后挥发分变化不大。说明烘焙温度为160℃，烘焙时间为20 min时，碳纤维预浸料中的溶剂已基本挥发，此时的挥发分数值可以代表实际挥发分的量。

2.2.2 氰酸酯体系烘焙时间

结合氰酸酯体系预浸料的特点和测试经验，设定烘焙温度为180℃，比较烘焙时间为20，30，60，70，90 min时的挥发分，测试结果见表4、表5。挥发分与烘焙时间的关系曲线见图2。

表4 不同烘焙时间氰酸酯体系碳纤维预浸料的质量 g

表5 不同烘焙时间时氰酸酯体系碳纤维预浸料的挥发分 %

图2 氰酸酯体系碳纤维预浸料的挥发分随烘焙时间的变化图

从图2可以看出，氰酸酯体系碳纤维预浸料的挥发分随着烘焙时间的延长先逐渐增加，达到峰值后趋于稳定。烘焙时间为60 min时，挥发分达到峰值，之后变化不大。说明烘焙温度为180℃，烘焙时间为60 min时，碳纤维预浸料中的溶剂已基本挥发，此时挥发分的数值可以代表碳纤维预浸料的实际挥发分。因为氰酸酯的流动性强，在烘焙时碳纤维预浸料呈现出流动性的湿态，故溶剂挥发的时间较长。

2.3 方法改进后的评价

采用改进后的方法对牌号为BHM3–3K的某批次氰酸酯体系碳纤维预浸料进行挥发分测试，结果见表6。图3为方法改进前后，根据表1、表6数据绘制的氰酸酯体系碳纤维预浸料挥发分数据折线图。由表6和图3可知，方法改进后，碳纤维预浸料挥发分数测试结果的平均值为1.91%，接近理论值（2%），且数据分布较均匀。方法改进前碳纤维预浸料挥发分测试结果的平均值为4.55%，偏离理论值较大。方法改进后测试结果的标准偏差由0.75降低到0.12，精密度较高。

表6 方法改进后氰酸酯体系碳纤维预浸料挥发分测试结果 %

图3 方法改进前后氰酸酯体系碳纤维预浸料挥发分数据折线图

结合北京卫星制造厂选用的不同树脂基体类型生产的碳纤维预浸料，应选择不同的试验条件，以提高测试结果的精密度和准确度。测定4211体系的碳纤维预浸料挥发分时，烘焙温度为160℃时，适宜的烘焙时间为20 min；测定氰酸酯体系的碳纤维预浸料挥发分时，烘焙温度为180℃时，适宜的烘焙时间为60 min。

3 结语

碳纤维预浸料挥发分测试方法改进后，适用于北京卫星制造厂选用树脂基体的碳纤维预浸料的挥发分测试。测试结果的精密度和准确度较高，并且测试结果的稳定性较好。挥发分的准确测试，不仅能够监测碳纤维预浸料的质量，而且控制着复合材料的成型工艺，使基体材料具有一定的粘性和流动性，便于铺叠，以降低复合材料的孔隙含量。

［1］ 高慎斌.卫星制造技术(上)［M］.北京：宇航出版社，1998: 10–25.

［2］ 肖少伯，刘志雄.卫星结构轻型化和复合材料应用［J］.宇航材料工艺，1993(4): 1–4.

［3］ 陈绍杰.复合材料设计手册［M］.北京：航空工业出版社，1990: 15–27.

［4］ 宋伟，齐俊伟，肖军，等.碳纤维／环氧树脂预浸料的热固化工艺研究［J］.玻璃钢／复合材料，2011(1): 48–52.

［5］ 刘军，朱星名，胡伯仁，等.基于超声引导法的薄层化碳纤维性能研究［J］.热加工工艺，2014(8): 108–109.

［6］ 姜波，黄玉东，刘丽.预浸料生产中智能控制系统的应用［J］.材料科学与工艺，2009，17(4): 590–594.

［7］ 王娣，徐丽萍.在线监测技术在预浸料工业化生产线中应用的分析［J］.江苏纺织，2011(5): 45–49.

［8］ 徐燕，李炜.预进料的质量控制［J］.材料导报，2013，27(8): 67–69.

［9］ 黄玉东，曹海琳，孙岩峰，等.碳／酚醛预浸布树脂含量的β射线连续监测［J］.复合材料学报，2004，21(4): 58–63.

［10］ 张凤翻，张雯婷.预浸料技术的新进展［J］.高科技纤维与应用，2002，2(27): 15–21.

［11］ 康欣然，朱淑华，张华松，等.超薄碳纤维预浸料复合材料国内外发展现状和趋势［J］.航空工程进展，2016，7(1): 7–16.

［12］ 黄凤萍，李缨.碳纤维及其复合材料的发展［J］.陶瓷，2005(2): 1–16.

［13］ 春胜利，黄榴红，李勇锋.碳纤维及其在复合材料方面的应用［J］.玻璃钢，2005(2): 5–14.

［14］ 文琼华，王显峰，何思敏.温度对预浸料铺放效果的影响［J］.航空学报，2011，32(9): 1 740–1745.

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《计测技术》2016年第36卷第6期 目次

综合评述

非接触式测振技术最新进展及应用

工业摄影测量系统校准技术研究进展综述

理论与实践

卡尔·费休库伦法测量气体水分的研究

利用数学模型实现动态测试系统目标模拟器的校准

基于颜色空间统计分析原理的金属盐雾腐蚀特征识别

基于ZigBee技术的高精度无线温度测试系统设计

海水pH标准物质生产装置的研建

新技术新仪器

微波间隙测量系统研究

基于卫星导航信号模拟仿真法的北斗接收机导航精度校准测试

微波间隙测量系统研究

邵氏硬度计试验力校准技术新方法研究

计量、测试与校准

数字示波器大触发延迟时间的校准方法

微波叶尖间隙测量传感器的计算分析

一种双温法温湿度检定箱的探讨

不同测温标准器及填充截止对消解实验仪温度测量影响的探讨

异型零件空间尺寸测量方法的探讨

Improvement on Measurement of Volatile Component of Carbon Fiber Prepreg

Zuo Yang1， Xie Yuping2， Kong Jing1， Yang Yaodong1， Yang Chunsheng3
(1. Beijing Spacecrafts， Beijing 100094； 2. National Center for Protein Sciences， Beijing 102206；3. Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095)

The measurement of volatile component of carbon fber prepreg is critical for the moulding process of composite and use of product. In order to resolve the problem of deviation between actual value and theoretical value, the method of volatile component test was improved on the basis of the difference of the matrix resin. Baking temperature and time were tested. The test results indicated that the proper baking time was 20 min, baking temperature was 160℃ for 4211 matrix resin prepreg, while the proper baking time was 60 min, baking temperature was 180℃ for cyanate ester resin prepreg, and the glass collection dish with constant weight was put under the metal net. After the method was improved, the detection result was close to the theoretical value, and the standard deviation of detection results was reduced from 0.75 to 0.12. The accuracy and precision of volatile component test results were improved.

carbon fber; prepreg; composite; volatile component; measurement method

O661

：A

：1008–6145(2017)01–0105–04

10.3969／j.issn.1008–6145.2017.01.027

联系人：左洋；E-mail: zuoyangsky@163.com

2016–11–12