高强高模超薄单向预浸料与 低克重平纹织物的制备工艺及性能研究

杨薇薇，方天明，季 兵

（天津昂林贸烽高新材料有限公司 天津 300308）

0 引言

碳纤维作为先进复合材料产业中最常见的增强体之一，已广泛应用于汽车、航海和风力涡轮机等领域。碳纤维/环氧树脂层压复合材料由于轻质、高强、高刚度/质量比，而且具有优异的抗腐蚀性能，一直受到极大的关注[1]。

预浸料[2]是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物制成树脂基体与增强体的组合物，是制造复合材料的中间材料。预浸料的优劣关系到复合材料的质量，因此预浸料对复合材料的应用和发展具有重要意义。

目前国内对于高强高模超薄单向预浸料和低克重平纹织物的研究数据较少，国外也仅对高强超薄单向预浸料和T700平纹织物预浸料进行了相关研究。

J Cugnoni等[3]对面密度为30～150g/m2的单向预浸料制备的层合板进行了拉伸性能对比试验，在准备同性薄层的无缺口拉伸试验中，复合材料层合板所用薄层预浸料的单层厚度小于134μm时可达到的强度接近纤维最终的应力和应变，开始破坏应力达到最终破坏应力的92%。相比较，复合材料层合板所用厚层预浸料在纤维应变范围为41%～66%的破坏，破坏开始发展的应变范围为25%～50%。试验表明在拉伸性能试验中薄层预浸料具有良好的尺寸效应。最优的体系采用了T800级碳纤维，单层厚度为67μm，抗拉强度达到了1090MPa，破坏开始时接近900MPa。

Hassan等[4]探讨了基于展宽丝束技术获得超轻热塑性复合材料的方法。将传统的12K碳纤维展宽，由5mm展成25mm，单位面积纤维质量仅为原来的1/5。用此种展宽丝束技术可以生产单向预浸料和织物。作者采用聚苯硫醚（PPS）薄膜浸渍展宽丝束，最终制备成织物预浸料，树脂质量含量45%，且织物预浸料制备成层合板。与传统的3K碳纤维织 物/聚苯硫醚（PPS）复合材料进行比较，展宽丝束制备的复合材料显示具有更好的纤维填充、蠕变性和低孔隙率，并显著提高了力学性能。

Yang等[5]对比了由T700-12K展成的单根宽度为8、14和20mm机织而成的平纹织物的相关性能。结果表明，在热压成型中，较宽丝束浸入聚碳酸酯基体中的速度较快，浸润性较好。20mm展宽丝束制备的复合材料比8mm和14mm展宽丝束制备的材料具有较好的弹性、浸渍力、浸渍能和较大的抗拉强度、抗剪强度，表明丝束展宽之后碳纤维与基体的界面粘结能力加强了，并且展宽丝束可补偿由纤维含量等降低而引起的一些性能的下降。

林强等[6]对超薄预浸料制备的复合材料在不同环境条件下，如室温干态、低温干态、高温湿态，进行了拉伸、压缩、剪切和短梁弯曲力学性能试验研究，并与常规预浸料制备的复合材料进行了对比分析。研究表明，超薄预浸料制备的复合材料综合力学性能略低于常规预浸料制备的复合材料，主要是由于其分散性较高，制备工艺待改进，但在铺层数较少时其综合力学性能更优，飞行器较小厚度区应用前景广阔。

本文对比研究了高强高模T700、T800和M40超薄单向预浸料的性能，同时比较了T700和T800展宽丝束制备的80g/m2平纹织物的物理性能和拉伸断裂强力力学性能。

T700、T800和M40单向预浸料采用“超声波法”展宽，树脂用涂胶机涂膜，最后利用预浸机将纤维和胶膜复合制备出30g/m2的单向预浸料。预浸料通过模压工艺复合成层合板，层合板经过贴加强片、切割、贴应变片制成拉伸、压缩标准试件，弯曲和剪切试件直接切割成标准尺寸即可，进而比较了这3种不同增强体预浸料制备层合板的拉、压、弯、剪基本力学性能。

80g/m2展宽丝束平纹织物的制备是将T700和T800的丝束分别展宽，并利用二维织机将其加工 成型。

1 试验部分

1.1 原材料

30G树脂自主开发，T700、T800和M40纤维为日本东丽公司产品。

1.2 预浸料及平纹织物的制备

采用展宽丝束设备将T700、T800和M40纤维展开，树脂利用涂胶机涂出胶膜，最后利用预浸设备将纤维束与胶膜在一定温度和压力下复合成30g/m2的单向预浸料，树脂含量为（40±3）%。预浸料如图1所示。

图1 碳纤维超薄单向预浸料Fig.1 Carbon fiber ultra-thin UD prepregs

采用展宽丝束设备将T700、T800的丝束展开，利用二维织机织成80g/m2的平纹织物。展宽丝束如图2所示，平纹织物如图3所示。

图2 碳纤维展宽丝束Fig.2 CF spread tows

图3 碳纤维展宽丝束平纹织物Fig.3 CF spread tow plain fabrics

1.3 复合材料成型工艺

利用平板硫化机将预浸料模压成型，具体的工艺及步骤为：80℃下将含有铺层的模具放入硫化机并加压3.5MPa，升到150℃保温1h。然后在室温下冷却到60℃以下脱模。

1.4 性能测试与表征

预浸料的外观质量主要采用目视法，树脂含量的测定按照HB7736.5—2004[7]进行，纤维面密度的测定按照HB7736.3—2004[8]进行，层合板基本力学性能的测试标准见表1。

表1 层合板力学性能测试标准Tab.1 Test standard of lamina mechanical properties

平纹织物的宽度和长度按照GB/T 7689.3—2013[9]进行测定，经纬密度按照GB/T 7689.2—2013[10]进行测定，拉伸断裂强力参照GB/T 7689.5—2013[11]进行测定。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维丝束及树脂的基本性能

展宽后的丝束外观无明显开缝，不松散；收丝整齐、平整；单层丝束无翻转重叠、无边缘挤压、无缠绕丝束、无起皱、无毛刺。碳纤维丝束性能见表2，树脂性能见表3。

表2 T700、T800和M40纤维性能Tab.2 Properties of T700, T800 and M40 carbon fiber tows

表3 30G树脂性能Tab.3 Properties of resin 30G

2.2 单向预浸料的基本性能

通过展宽、涂胶、复合工艺最终制成的30g/m2的单向预浸料外观无缝隙，无纤维毛团，无杂质，浸渍均匀，无树脂堆积；无变形起皱，纤维无损伤。单向预浸料的单位面积质量为（30±2）g/m2，树脂含量为（40±3）%。预浸料的基本性能见表4。

表4 30 g/m2单向预浸料的基本性能Tab.4 Basic properties of 30 g/m2 UD prepregs

2.3 层合板的力学性能

研究了由中温固化环氧树脂30G制备的层合板的基本力学性能，结果见表5。试验结果表明：层合板的抗拉强度主要取决于纤维的抗拉强度，T800丝束制备的层合板抗拉强度比T700丝束制备的高出13%；抗压强度[12-13]是最难确定的一个性能参数，稍稍偏心的载荷将过早地发生失稳而测试不到真正的压缩强度。由于载荷易偏心、试件易失稳及端部易破坏，所以压缩强度的规律性稍差些；弯曲试验是一种质量控制和材料鉴定试验，是一种综合力学性能的体现，T700丝束制备的层合板抗弯强度比T800丝束制备的高出15%，比M40丝束制备的高出5%；层间剪切性能既受基体材料的影响，更受界面性能的影响，试验结果表明M40丝束与该款树脂的界面结合性能较好。

表5 层合板基本力学性能Tab.5 Basic mechanical properties of laminates

层合板的拉伸模量、压缩模量和弯曲模量与纤维模量成正比，M40丝束制备的层合板比T700丝束制备的层合板模量高出50%～60%。

2.4 低克重平纹织物基本性能

通过展宽、机织而成的80g/m2的平纹织物外观平整，纤维无折叠和褶皱，边缘裁切整齐，收卷平整，经纬纱间隙≤2mm，单位面积纤维质量为（80±3）g/m2。T700和T800低克重平纹织物的物理和力学性能具体见表6，拉伸断裂强力破坏后试样见图4。

图4 平纹织物拉伸断裂强力后破坏试样Fig.4 Fracture samples of fabrics after tensile breaking force tests

表6 低克重平纹织物基本性能Tab.6 Basic properties of low-gram-weight plain fabrics

试验结果表明，由于T800丝束的拉伸强度高出T700丝束20%，故拉伸断裂强力也较高，高出30%左右。试验结果很好地吻合了汪黎明[14]的结论，即织物结构因素基本相同时，纤维的品种决定织物拉伸性能，织物拉伸断裂强力与纤维抗拉强度成正比。

3 结论

①T700、T800和M40展宽后丝束的外观良好，无毛团等外观缺陷。

②涂胶-复合设备制备成3种中温固化环氧超薄单向预浸料，制备后的预浸料外观无缺陷，树脂含量在公差允许范围内。

③预浸料通过模压工艺制备了层合板，层合板力学性能数据表明，利用30G树脂与M40丝束的界面结合较好，层间剪切性能高；层合板的抗拉强度和模量与纤维的抗拉强度和模量成正比。

④低克重同面密度的平纹织物的拉伸断裂强力与纤维的抗拉强度成正比。