复合材料用预浸料5

第二十五卷第三期
高科技纤维与应用
Vol.25,No.3
2000年6月
Hi 2Tech Fiber &A pp lication
J un.,2000
文章编号:1007-9815(2000)03-0035-04
技术讲座
(续4)
中图分类号:V 258
文献标识码:A
复合材料用预浸料
张凤翻
(北京航空材料研究院,北京100095)
3预浸料的质量控制
预浸料的一些性能将直接带入复合材料,复合材料的性能取决于预浸料的性能。

对于热固性树脂预浸料而言,在制造过程中,运输、储存期间均会发生化学变化。

热塑性树脂预浸料在上述情况下虽不发生化学变化,但聚合物分子量、分子量分布、纯度、结晶形态等对预浸料和复合材料性能及成型工艺均有很大影响,如树脂体系组成的微小变化、工艺过程控制不当或偶然失误,都会对复合材料带来无法挽回的损害,因此,对预浸料必须进行严格的质量控制。

国外已形成一整套严密地质量控制程序和方法,建立了保证预浸料制备过程各阶段性能的试验方法和标准,可以确保预浸料质量。

通常预浸料的研究开发和质量控制过程如图3-1。

3.1生产线上的质量控制
生产线上的质量控制主要是控制预浸料的树脂含量,使其均匀、稳定和偏差尽可能小。

对于溶液预浸工艺一般树脂含量的偏差为±3%,热融预浸工艺通常树脂含量的偏差为±2%,直接热熔工艺制备窄带预浸料树脂含量控制精度可达±1%。

可以采用多种控制方法:
俄罗斯航空工业用的预浸料用溶液浸渍法制备,预浸机上装有软χ射线仪,用以测定和控制树脂含量。

利用浸胶前后增强材料和预浸料对χ射线能量吸收的差异,反映预浸料树脂
含量的多寡。

通过调节挤胶辊的位置或距离,改变预浸料在挤胶辊上的包角,控制预浸料的树脂含量。

美国、欧洲各国大都采用热熔预浸工艺,在预浸机上装有β射线仪,在制膜阶段沿胶膜宽度方向反复扫描,利用胶膜厚度不同对β射线穿透能力的差异,表征其树脂含量。

根据能量衰减的程度,反映树脂含量的变化,并进行控制。

美国NDC 系统公司开发了一种γ探头和传感器,可以测量纸、玻璃纤维、碳纤维及各种纱上涂覆树脂的含量,也可以测得涂覆树脂的厚度或面密度。

探头可以固定,也可以扫描。

测量厚度范围为6μm ～25μm ,精度可达
0.005μm ,面密度为6g /m 2～250g /m 2。

日本平野公司也有类似控制系统,其结构见图3-2。

3.2原材料的质量控制
制备预浸料用原材料如纤维、树脂、固化剂、改性剂、离型纸等都必需按技术标准进行检验,符合要求后才可使用。

这是保证预浸料质量的基础。

对各种纤维和织物,通常检验其拉伸强度和模量、线密度、与树脂制成复合材料后的层间剪切强度。

上述性能的稳定性尤其重要。

对树脂一般检验其粘度、熔点、氯含量、挥发分含量、环氧树脂的环氧值等,为了保证树脂化学和结构的稳定性,对每种树脂应作出红外光谱(IR )和高压液相色谱(HPL C )的标准谱图,作为指纹和验收材料的依据。

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第三期张凤翻:
复合材料用预浸料3.3环境控制
预浸料的环境控制包括工作环境、贮存环境和使用环境的控制。

控制因素主要是温度、湿度和介质。

制备和使用预浸料的环境温度应在20℃左右。

温度过高,将促进树脂固化,缩短其贮存期和工作寿命;温度太低,虽然可延长工作寿命,但粘性变差,不便于铺层。

预浸料的贮存温度一般在-18℃,这样可以保证预浸料有较长的贮存寿命。

湿度对预浸料性能的影响尤为严重,一方面树脂吸水后,水分将起到增塑作用,使树脂玻璃化温度降低。

另一方面预浸料中含水,往往导致复合材料中空隙含量增大,因此,对于预浸料制造、裁剪和铺层工作区湿度有严格要求。

道格拉斯飞机公司规定军用飞机制件只能在相对湿度40%～60%条件下生产,法国宇航公司直升机厂和旋翼厂复合材料车间相对湿度都控制在45%～55%范围内。

国内在制备和使用预浸料时,一般环境湿度控制在65%以下。

由于芳纶吸湿能力较强,在制备和使用芳纶预浸料时,湿度还应更低,通常控制在50%以下。

制备和使用预浸料的环境还应无腐蚀和使树脂溶解性的介质,空气中的尘埃也应有所限制。

美国道格拉斯公司规定复合材料车间每m 3大气中,>5μm 的悬浮尘埃不能超过90000粒。

3.4预浸料成品的质量控制
预浸料成品的质量控制主要检查其化学组成、物理性能、工艺性能及制成复合材料的部分力学性能。

详见图3-3。

通常预浸料质量变化首先表现在物理性能的改变,随之影响预浸料的工艺性能。

试验表明,只要预浸料的工艺性能满足使用要求,制成的复合材料力学性能一般无显著变化。

通常预浸料主要检查以下项目:
树脂含量:用以表征预浸料中树脂含量。

作为选择复合材料成型方法和工艺参数,确定吸胶材料用量,采用的试验方法有溶剂萃取法、根据预浸料面密度计算法、灼烧法、强酸氧化法等。

常用的热固性树脂预浸料普遍采用溶剂萃
取法,是将一定质量的预浸料,用合适的低沸点溶剂完全溶解掉,以试验前后试样质量的变化计算出预浸料的树脂含量。

一些高性能热塑性树脂预浸料,因其没有合适的低沸点溶剂可溶,通常采用灼烧法,是将预浸料试样放入坩埚中,在马弗炉中烧尽预浸料中的树脂,根据试验前后试样质量的变化,计算预浸料的树脂含量。

也可用强酸使树脂氧化分解,从预浸料中分离出来,从而计算出预浸料树脂含量。

挥发分含量:用以评定预浸料中挥发性低分子化合物的含量以考虑其工艺措施。

挥发分含量过高,在成型过程复合材料内部容易形成较多空隙,降低复合材料的力学性能和湿热性能。

测定方法是将一定尺寸的预浸料试样置于规定温度的恒温烘箱中,经过规定的时间,通过试验前后预浸料的质量变化计算挥发分含量。

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树脂流动度:表示预浸料在一定温度和压力下成型过程中树脂流动或迁移的能力,它与树脂的粘度和预浸料中树脂含量有关,预浸料中树脂含量越高,粘度越小,树脂流动度越大。

预浸料中挥发分含量高也对流动度带来影响。

流动度小,在固化过程中树脂难以向纤维中渗透,树脂往往分布不均匀,制品空隙含量会高。

流动度大,在固化时会严重流胶,树脂含量减少,制品贫胶;同时流动度大,树脂流动太快,还可能影响纤维方向,降低复合材料性能,适当的流动度在成型中可驱除层与层之间的空气,降低孔隙率,保证复合材料树脂均匀分布,提高其性能。

测定预浸料树脂流动度的方法主要有两种;一是将正方形的两片预浸料正交铺层,于规定的温度和压力下保持一定时间,以挤出树脂的质量百分数作为预浸料树脂流动度。

一是将正方形的预浸料按[0°/90°]交替铺层,使厚度达到1mm,于规定温度和压力下保持一定时间,以固化后试样对角线方向增加的长度(mm)作为树脂流动度。

后一种方法预浸料耗量大,一般需6～10层,另外用长度表示流动度不太直观,前一种方法设备简单,操作方便,现在广泛采用。

凝胶时间:一般是指树脂发生线型聚合,生成长链分子并交联的过程,用于确定预浸料固化时的加压时间。

测定凝胶时间的方法主要有两种:一是直接法,是将预浸料放在两块盖玻片之间,置于加热到规定温度的专用电热板上,用探针给盖玻片施以压力,树脂即从玻璃片之间流出,以探针拨动树脂,到不形成丝状的时间作为预浸料树脂凝胶时间。

二是间接法,是用溶剂抽提出预浸料中的树脂,蒸发掉溶剂,将树脂置于电热板上,再按第一种方法进行测定。

间接法需在一定温度下除去溶剂,往往会使树脂部分固化,随之影响试验结果。

因此,普遍采用直接法。

粘性:是预浸料的主要工艺性能之一,在贮存过程中预浸料性能变化的第一个征兆往往是粘性减低,通常粘性不合格就认为预浸料超过了使用期,所以是预浸料质量控制的关键指标。

预浸料的粘性是指一定温度下自身相互粘贴的能力,同一片预浸料,温度低可能失去粘性,温度高又有粘性,温度相差大约5℃,粘性即有明显变化,因此粘性试验温度一般确定为20～25℃,同时温度定为40%～70%。

粘性失去时间不长的预浸料,稍许提高温度,粘性得以改善,只要能实现部件的铺贴工艺,试验表明对其力学性能没有太大影响。

预浸料的粘性和其制备方法也有关系。

溶液法制备的预浸料常含有一定量的溶剂,有助于提高粘性;热熔法制备预浸料时,可以使预浸料上下表面的树脂含量不同,树脂含量高的一面较低的一面具有更好的粘性。

预浸料的粘性不能太大,也不能太小,理想的粘性状态是能彼此粘贴铺层和贴模,一旦铺层有误时,可以剥离开来而不影响重新铺贴和继续使用。

测定预浸料粘性方法有以下三种:滚球法是将预浸料铺放在基板上,使粘贴预浸料的一面向上,成45°倾斜角,把规定尺寸和质量的塑料小球放在贴有预浸料基板的上部,向下自然滚动,如顺利滚下并脱离预浸料,认为粘性不合格,否则算合格;撕裂法是将两片预浸料粘贴在一起,并施加规定压力,然后撕裂,以规定负荷下两片预浸料完全撕裂分离的时间作为粘性时间;粘贴分离法也是常采用的方法,是把两片规定尺寸的预浸料试片,依次粘贴到基板上,于规定温度和湿度下,将贴有预浸料的基板垂直放置30min,如果两片预浸料不彼此分离,即认为粘性合格。

铺覆性:是指预浸料铺层时,使适合于复杂形状模具铺层的能力。

就预浸料而言,铺覆法比粘性要求更高,失去粘性的预浸料铺覆性肯定不合格。

测定方法是将预浸料粘贴在直径3mm的金属棒上,使成半圆形,从棒上取下预浸料,如保持原状且纤维没有损伤,即认为预浸料铺覆性合格。

(未完待续)。