含浸工艺对热压罐成型层压板力学性能的影响

燕春云，王怡敏，梁群群，吕凯明

(江苏恒神股份有限公司，江苏 丹阳 212300)

0 前言

碳纤维复合材料“强度高于钢、质量轻于铝”，具有耐高温、耐腐蚀等优越性能，不仅应用于战斗机、直升机、无人机、舰艇、导弹、核武器等军事领域，而且在轨道交通、汽车、海洋工程、建筑、节能减排等民用领域具有广泛应用[1-2]。而预浸料作为高性能复合材料的中间材料，是复合材料最主要的一种半成品形式[3]。预浸料是用热塑性或热固性树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物，制成的树脂基体与增强材料的组合物[6]。基体目前使用较多的为热固性树脂，主要包括环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、双马树脂等，增强材料按其形式的不同，可分为单向和织物两大类。预浸料的生产使用热熔两步法：涂膜和含浸，该方法具有制备效率高、产品质量稳定、缺陷率低等特点[4-7]，含浸是指将基体树脂形成的胶膜覆在增强体纤维或织物表面，在严格控制的温度和间隙下，树脂融化并进入纤维或织物中，形成一个整体材料，再剥离掉上表面的离型纸，覆上PE膜，形成一面纸、一面膜的成品预浸料[8]。其基本工艺流程如图1所示。

图1 含浸工艺流程图

目前预浸料在军用和民用领域所占比重越来越大，需要大规模、批量化生产热固性预浸料。由此在批产过程中对预浸料的质量要求极为苛刻，而预浸料制备工艺参数的控制对预浸料质量以及复合材料层合板质量的影响具有关键性作用。韩成智[9]研究了碳纤维/环氧树脂单向预浸料在预浸温度100～105 ℃，平压辊间隙在380～400 μm之间、预浸速度为4～5 m/min时预浸料浸渍更加充分；于倩倩[10]对比研究了热熔法和溶液法制备的预浸料的物理性能和力学性能，发现热熔法制备的预浸料质量一致性好，挥发分含量低，而且在预浸料力学性能方面也优于溶液法；刘宝锋[11]对比研究了溶液法和热熔胶膜法工艺所制备玻璃布预浸料的物理性能、工艺性能、力学性能和滚筒剥离性能，结果表明热熔法树脂精度以及复合材料力学性能高于溶液法。李树茂[12]通过研究辊面温度和压力对纤维浸透性的影响及树脂的性能开发出一种T700级碳纤维单向预浸料热熔法制备工艺。基于此，本文采用碳纤维缎纹织物作为增强体，环氧树脂为基体，采用热熔两步法制备预浸料，探究了预浸料制备工艺中的含浸温度、含浸间隙和含浸速度对织物预浸料热压罐成型复合材料板材力学性能的影响。

1 实验

1.1 试验材料

本试验的主要材料为江苏恒神股份有限公司生产的HFW380S织物和高温固化环氧树脂TF1966。HFW380S织物使用HF10-6K碳纤维编织而成。HF10-6K碳纤维的主要性能参数见表1，增强体织物的主要性能参数见表2，基体树脂TF1966的主要性能参数见表3。

表1 碳纤维的主要性能参数

表2 织物物理性能参数

表3 树脂的主要性能参数

1.2 含浸工艺设计

本试验通过控制加热辊的温度和间隙、加热板的温度、生产的速度，从而控制预浸料的状态，试验设计方案见表4。具体工艺参数设定见表5～表7。

表4 试验方案

表5 温度设计

表6 间隙设计

表7 速度设计

1.3 样品制备

1.3.1 预浸料的制备

设备采用瑞士Cavitec 热熔预浸机，使用同一卷胶膜，按照设计的工艺参数进行9次含浸生产试验。9种工艺的成品预浸料黏性存在差异，工艺3最大，工艺7最小，其他工艺介于两者之间。

1.3.2 层压板制备

采用热压罐成型制作层压板，固化制度为：全真空，施加0.6 MPa(6 bar)压力，再以1～3 ℃/min的升温速率加热至180 ℃，恒温2h，再降温至60 ℃。

2 性能测试与表征

2.1 预浸料物理性能测试

根据HB7736测试标准要求在等同的原材料上测试了预浸料的纤维面密度、树脂含量、挥发分。

2.2 微观浸渍形貌观察

采用S-4000扫描电子显微镜观察预浸料表面树脂和纤维的结合状态，表征预浸料的含浸程度。

2.3 C扫测试

使用日本奥林巴斯超声相控阵探伤仪，型号为Omni Scan MX2，探头信号5L64-A2，对复合材料板材进行截面C扫检测。

2.4 力学性能测试

使用INSTRON 3382电子万能材料试验机，根据ASTM D 3039—14《聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法》、ASTM D 790—15《未增强与增强塑料及电绝缘材料弯曲性能试验方法》、ASTM D 5766/D 5766M—11《聚合物基体复合层压材料的开孔抗拉强度的标准试验方法》进行纬向拉伸、纬向弯曲测试，每种试样测试有效数据不少于五个，取其平均值为最终结果。

3 试验结果与分析

3.1 预浸料物理性能

9种预浸料物理性能测试结果如图2所示。预浸料面密度目标值为603 g/m2，由图2可知，预浸料面密度的实测值在603～614 g/m2之间，偏差在±1.5%左右，满足GB/T 28461中预浸料面密度偏差在±5%以内的要求；纤维面密度目标值为380 g/m2，由图2可知，预浸料纤维面密度的实测值在378～381 g/m2之间，偏差在±0.5%左右，满足GB/T 28461中纤维面密度偏差在±5%以内的要求；树脂含量目标值37%，实测值在37.4%～38.4%之间，满足GB/T 28461中树脂含量偏差在±3%以内的要求；预浸料的挥发分在0.5%以下，满足GB/T 28461中挥发分<1%的要求。

图2 预浸料物理性能测试数据

3.2 微观浸渍形貌

根据预浸料的黏性，选取采用工艺3、工艺5、工艺7制备的预浸料分别进行扫描电镜观测，结果如图3所示。如图3(a)中工艺3的预浸料，树脂多留在预浸料的表面，进入织物内部的较少，预浸料的内部比较松散，预浸料的含浸程度最差；如图3(b)中工艺5的预浸料，树脂有部分进入织物内部，但大部分仍留在织物的表面；如图3(c)中工艺7预浸料，从图中可看出树脂进入织物内部的较多，与纤维的结合明显优于工艺3和工艺5，含浸程度最好。

图3 预浸料SEM图像

3.3 C扫检测图分析

C扫是利用超声波与不同密度材料的反射速率及能量不同的特性进行分析，回波强度因为材料密度的不同会有所差异，可利用此种特性对材料内部的缺陷进行分析。从图4中可以看出，从工艺1至工艺9的板材图像相似，都呈现为淡蓝色(图中间浅色部分)，且没有明显的颜色差异，说明板材的质量都较好。

图4 不同板材的C扫图

3.4 力学性能

3.4.1 拉伸性能

图5为采用9种预浸料在热压罐工艺条件下制备的复合材料的纬向拉伸性能测试结果，所有材料拉伸强度均在600～632 MPa之间，波动范围在±3.23%，差异较小；纬向拉伸模量在62.3～64.7 GPa之间，波动范围在±2.32%。纬向拉伸强度和模量的实测值波动都远小于±5%的测试误差，即可认为在热压罐成型工艺下，预浸料制备中的含浸工艺对复合材料板材的纬向拉伸强度和模量没有影响。

图5 不同材料的纬向拉伸性能

3.4.2 弯曲性能

由图6可知，9种材料的纬向弯曲强度均在842～892 MPa之间，波动范围为±3.01%；纬向弯曲模量在60.0～63.4 GPa之间，波动范围为±2.93%。纬向弯曲强度和模量的实测值波动都远小于±5%的测试误差，即可认为在热压罐成型工艺下，预浸料制备中的含浸工艺对复合材料板材的纬向弯曲性能没有影响。这主要是由于虽然不同含浸工艺对预浸料的黏性和含浸程度有直接的影响，但热压罐成型可以使树脂在成型的过程中充分流动，纤维得到充分浸渍，弥补了含浸工艺不同造成的预浸料含浸程度不同对板材成型质量的影响，使层压板的质量一致且正常。

4 结论

(1)在一定范围内，含浸温度、速度、辊轮间隙对预浸料的含浸程度和黏性会有明显的影响。温度越高、速度越慢、压力越大，预浸料的含浸程度越好、黏性越小；反之，预浸料的含浸程度越差，黏性越大。

图6 不同材料的纬向弯曲性能

(2)不同预浸料含浸工艺不影响最终板材的成型质量，即板材C扫图谱一致，且无异常。

(3)在热压罐成型下，含浸工艺对复合材料板材的纬向拉伸性能和弯曲性能均无影响。