RTM工艺优化及制备碳纤维复合材料的力学性能

徐乾倬，时 卓，鲁振宏，李 刚，谭忠阳，张 罡

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.辽宁省轻工科学研究院有限公司，沈阳 110036)

树脂传递模塑(Resin Transfer Molding，RTM)技术属于复合材料液体成型(Liquid Composite Molding)技术的范畴。RTM工艺起源于20世纪40年代末[1]，由于具有产品质量好、生产效率高、制造成本低﹑易于生产整体复合材料构件等突出特点得到了迅速发展。目前，RTM工艺已经广泛应用于航空航天、建筑、通讯、交通、卫生、体育器材等领域[2-6]。近年来，随着树脂基复合材料向耐高温方向的发展，在飞行器中的应用越来越广泛[7]，特别是在载人航天、登月与深空探测、超高速飞行器、重复使用运载器等领域，耐高温树脂基复合材料应用潜力巨大。

本文采用RTM工艺制备碳纤维环氧树脂复合材料，通过对碳纤维和树脂的选择，优化RTM工艺，研究碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能并进行分析。

1 实验

1.1 实验材料

3312A环氧树脂和3312B固化剂，上海华谊树脂有限公司；3K-T300、12K-T300、24K-T300平纹碳纤维布，天津昂林贸烽高新材料有限公司。

1.2 实验仪器

RTM-EP高温精密环氧树脂注射设备，北京恒吉星科技有限公司；UTM4304微机控制电子万能试验机，深圳三思纵横有限公司；WZY-240万能制样机，承德衡通试验检测有限公司。

1.3 RTM制件实验操作

将碳纤维布按照模腔尺寸裁剪好大小，同向逐层铺在涂有脱模剂的模腔中，将模具密封好并在设计温度下预热模具。在RTM操作系统处设置环氧树脂与固化剂的混合比例、注射压力和注射速度。选择伺服运行按钮，将树脂和固化剂按比例通入注射枪的静态混合器中，充分混合后从模具中间注射口注入，直至四周的溢料管有料溢出且无气泡。注射完毕后，按照固化要求进行固化，降至室温脱模，取出并得到制件。

1.4 力学性能试验

根据GB/T1447-2005和GB/T1449-2005，用万能制样机来制备拉伸和弯曲试样。拉伸试样尺寸为250mm×25mm×2.5mm，加载载荷为30kN，加载速率为2mm/min；弯曲试样尺寸为80mm×15mm×2.5mm，加载载荷为10kN，加载速率为2mm/min。

2 结果分析与讨论

2.1 RTM工艺参数的确定

在正式制备成品环氧树脂碳纤维复合材料前，要先确定合适的RTM工艺参数。在预实验中，通过12K-T300型碳纤维铺一层制备单层环氧树脂碳纤维复合层压板；成型后对其进行拉伸试验，对比不同注射速度和注射压力下所得样件的力学性能，选择出最佳的注射速度和注射压力。由于RTM工艺属于低压注塑工艺，在使用RTM工艺制备碳纤维复合材料时，注射压力一般选择2～3MPa之间，所以本试验选用注射压力分别为3MPa、2.5MPa和2MPa。对所制备的复合层压板进行拉伸试验，所得结果如表1所示。

表1 不同注射压力下单层复合板拉伸试验数据MPa

由表1可以看出，随着注射压力的增大，试样的拉伸强度随之升高。但注射压力在3.0MPa时样件的拉伸强度比2.5MPa时仅提高了2.8%；实验表明，当注射压力为2.0MPa时，环氧树脂注入碳纤维编织体中很困难，得到的复合板材性能差，所以后期制备环氧树脂碳纤维复合材料时，确定RTM工艺注射压力为2.5MPa。

分别选用注射速度为100mL/min、70mL/min、40mL/min制备单层环氧树脂碳纤维复合层压板，对所制备的复合材料进行拉伸试验，所得结果如表2所示。

表2 不同注射速度下单层复合板拉伸试验数据

由表2可以看出，随着注射速度的提高，试样的拉伸强度逐渐降低，原因是注射速度太快，环氧树脂还没有完全浸润到碳纤维编织布中，就充满模具并直接随着出料口流出；另外，注射速度过高，会使得模具内空气不能充分排出。这两方面导致复合材料的内部存在许多孔隙缺陷，导致环氧树脂碳纤维复合材料的性能降低。但注射速度过低会影响效率，故最终选择的RTM工艺注射速度为40mL/min。

2.2 环氧树脂碳纤维复合板的固化工艺

按2.1确定的试验条件，分别以3K-T300、12K-T300、24K-T300及单向编织的碳纤维织布为增强体，制备不同环氧树脂碳纤维复合板。为消除环境温度的影响，在树脂注入前将树脂固化剂和模具预热至3°C，再进行后续试件的制备。除了单向纤维布为相同方向即0°铺层，其余纤维布都为0°和90°交叉铺层。实验结果表明，3K-T300、12K-T300、24K-T300、单向纤维布铺层最多为6、3、6、6。环氧树脂碳纤维复合板的成型数据如表3所示。

表3 环氧树脂碳纤维增强复合板制备及成型数据

由表3可知，单向碳纤维织布增强的复合材料中碳纤维含量为43.7%；平纹碳纤维织布增强的碳纤维复合材料中，随着碳纤维丝束的增加，其碳纤维含量随之降低。

实验中发现，24K-T300碳纤维编织布6层时，注射比较困难，溢流口仅有微量的树脂溢出。

2.3 环氧树脂碳纤维复合板拉伸性能

每种样品的拉伸性能测试结果如表4所示。

表4 环氧树脂碳纤维增强复合板拉伸性能

由表4可以看出，3K-T300平纹碳纤维布增强的复合板拉伸强度和拉伸模量在前三项中最大，达到了459.17MPa和13083.96MPa，24K-T300平纹碳纤维布增强的复合板拉伸强度最低，只有276.33MPa；说明随着碳纤维丝束的增加，其拉伸强度和拉伸模量都依次降低。单向碳纤维增强的复合板拉伸强度最高，达到了500.05MPa；这是因为碳纤维铺层都为0°方向铺层，且厚度达到了6层，所以出现其拉伸强度高于其他材料的情况。

通过表4可以看出，所有的环氧树脂碳纤维复合材料均为脆性断裂，其中单向编织增强的复合层压板的断面伸长率最小，为3.87%；24K-T300平纹碳纤维布增强的复合板的断面伸长率最大，达到了5.10%。

2.4 环氧树脂基碳纤维复合板弯曲性能

本实验碳纤维编织布均为0°和90°交叉铺层。弯曲性能测试结果如表5、表6所示。

表5 环氧树脂碳纤维增强复合板弯曲强度 MPa

表6 环氧树脂碳纤维增强复合板弯曲模量 MPa

由表5、表6可以看出，24K平纹碳纤维布增强复合板的平均弯曲强度和弯曲模量最高，分别达到了710.65MPa和67753.15MPa，12K平纹碳纤维布增强复合板的平均弯曲强度最低，为498.21MPa；3K平纹碳纤维布增强复合板的平均弯曲模量最低，为32809.25MPa。

3 结论

采用RTM工艺制备碳纤维树脂复合材料，确定RTM工艺最佳注射压力为2.5MPa，最佳注射速度为40mL/min。拉伸和弯曲力学性能试验结果表明，3K-T300为增强体的碳纤维复合板的拉伸强度和拉伸模量最大，分别达到了459.17MPa和13083.96MPa；以24K-T300为增强体的碳纤维复合板平均弯曲强度和弯曲模量最高，分别达到了710.65MPa和67753.15MPa。证明RTM工艺可制备高性能的碳纤维树脂复合材料。