碳纤维环氧树脂复合预浸料层合板的应用研究

司诚 张亮 余晶晶 肖光明

摘要：采用层间涂层法+模压工艺制备了航空零部件用预浸料层合板，研究了BN 含量对预浸料层合板物相组成、显微组织、导热和力学性能的影响。结果表明，预浸料层间涂层有良好结晶性，C、O、N 和B 元素都在层间树脂中均匀分布，未见明显偏聚现象。添加BN的预浸料层合板的导热系数都高于未添加BN 的预浸料层合板，且温度越高，相同BN 含量下预浸料层合板的导热系数越大。添加BN的预浸料层合板的固化反应起始温度、峰值温度和结束温度都高于未添加BN 的预浸料层合板，且添加7%BN时预浸料层合板的峰值温度和结束温度最高。随着BN 含量增加，预浸料层合板的弯曲强度和冲击强度先增加后减小，在BN 质量分数为7%时取得最大值。

关键词：碳纤维复合材料；预浸料层合板；BN含量；导热性能；力学性能

中图分类号：V250.3；TQ342+.742     文献标志码：A          文章编号：1001-5922（2023）03-0086-04

Application of carbon fiber composite prepreg in aviation parts

SI Cheng，ZHANG Liang，YU Jingjing，XIAO Guangming

（AVIC Xi an Aircraft Industry Group Co.，Ltd.，Xi an 710089，China）

Abstract： Prepreg laminates with different BN contents were prepared by interlayer coating method and molding  process. The effects of BN content on the phase composition，microstructure，thermal conductivity and mechanical  properties of prepreg laminates were studied. The results showed that the interlayer coating of prepreg hadgoodcrys- tallinity，and the elements C，O，N and Bwereuniformly distributed in the interlayer resin，without obvious segrega- tion. The thermal conductivity of prepreg laminates with BN was higher than that of prepreg laminates without BN， and the higher the temperature was，the greater the thermal conductivity of prepreg laminates with the same BN con- tent was.The starting temperature，peak temperature and end temperature of curing reaction of prepreg laminates  with BN addition were higher than those of prepreg laminates without BN addition，and the peak temperature and  end temperature of prepreg laminates with 7% BN addition were the highest. With the increase of BN content，the  flexural strength and impact strength of prepreg laminates first increased and then decreased，and reached the maxi- mum when the BN content was 7%.

Keywords： carbon fiber composite；prepreg laminates；BN content；thermal conductivity；mechanical property

碳纖维/环氧树脂（CF/EP）复合材料预浸料在航空航天领域一直都有着广泛应用，这主要是因为碳纤维复合材料预浸料层合板有着质量轻、比强度高、弹性模量高等优点[1]，尤其是随着近年来航空航天事业的快速发展和对复合材料应用需求的提高，越来越多的零部件逐渐向碳纤维复合材料预浸料演变，由此也给碳纤维复合材料预浸料的质量提出了更高的要求[2-3]。对于航空零件用碳纤维复合材料预浸料，由于服役过程中需要经历高温、辐射等异常复杂环境[4]，因此，碳纤维复合材料预浸料需要具有良好的导热性能、力学性能等，而传统的碳纤维复合材料预浸料虽然在一定程度上能够满足使用要求，但是由于导热系数相对较低等仍然限制了其应用，需要对预浸料层合板进行改性处理[5-9]。通过在航空零部件用预浸料层间涂抹导热系数较高的导热材料，采用模压成形工艺制备了航空零部件用碳纤维复合材料预浸料层间板，并考察了氮化硼（BN）含量对层合板导热性能、力学性能的影响，结果有助于航空零部件用高性能碳纤维复合材料预浸料层间板的开发与应用。

1 材料与方法

试验原料包括 USN20000型碳纤维/环氧树脂（厚度0.2 mm、纤维单位面积150 g/m2、拉伸强度113 MPa、弹性模量219 GPa）、纯度99%BN、KH550型硅烷偶联剂、自制去离子水。

以体积比1∶4∶35的比例将硅烷偶联剂、酒精和去离子水混合均匀后，加入到磁力搅拌机中进行38℃、30 min搅拌处理，然后加入一定含量的BN粉末，升温至58℃搅拌30 min制成悬浊液。将带有BN 粉末的悬浊液用软毛刷涂抹在预浸料表面，采用模压工艺制作航空零部件用预浸料层合板[10]，固化工艺为128℃/1 h+155℃/0.5 h、压力为5 MPa。

物相分析采用德国D8 ADVANCE X射线衍射仪进行分析，铜靶 Kα辐射，扫描速度2°/min；采用 JSM-6800型扫描电镜观察显微形貌、断口形貌，并用附带能谱仪进行元素成分测试[11]；采用NETZSCH激光法导热分析仪LFA 427进行热扩散系数和导热系数测试；采用 DSC-750L差示扫描量热仪进行热重分析-差热分析测试[12]；采用Olymplus GX51型光学显微镜进行组织观察；采用MTS-809型万能材料试验机进行弯曲强度测试[13]，结果为5组试样平均值；采用XJJ-5型冲击试验机测试无缺口室温冲击强度，结果为5组试样平均值。

2 结果与分析

图1为航空零部件用预浸料层间涂层的X射线衍射图谱。

从图1可以看出，预浸料层间涂层XRD图谱中可见较为尖锐的衍射峰，分别位于（002）、（100）、（101）、（102）和（004）晶面，未见非晶馒头峰出现，表明预浸料层间涂层有良好结晶性[14]。

图2为航空零部件用预浸料层间涂层的能谱分析和元素面扫描。

从图2可以看出，预浸料层间涂层主要含有 C、 O、N和B元素，质量分数分别为50.94%、7.8%、25.96%和15.3%；从元素面扫描分析结果看，C、O、N和B元素都在层间树脂中均匀分布，未见明显偏聚现象。

图3为航空零部件用预浸料层合板的显微形貌，分别列出了平行纤维方向和垂直纤维方向层合板的显微形貌。

从图3（a）、（b）对比分析可知，无论是平行纤维方向，还是垂直纤维方向，BN颗粒都呈现均匀分布在预浸料里的特征，且整个预浸料层合板较为致密，未见异常气孔、裂纹等缺陷存在。选取20个BN涂层进行厚度测量[15-16]，结果表明其平均厚度为35μm。

图4为航空零部件用预浸料层合板的热扩散率和导热系数。

从图4（a）、（b）热扩散率测试结果看，随着BN质量分数增加，預浸料层合板的热扩散率先增加后减小，在BN质量分数为7%时取得最大值，继续增加BN 质量分数预浸料层合板的热扩散率反而减小；此外，添加BN的预浸料层合板的热扩散率都高于未添加 BN的预浸料层合板，且温度越高，相同BN质量分数下预浸料层合板的热扩散率越小。从导热系数测试结果看，随着BN质量分数增加，预浸料层合板的导热系数先增加后减小，在BN质量分数为7%时取得最大值，继续增加BN质量分数预浸料层合板的导热系数反而减小；此外，添加BN的预浸料层合板的导热系数都高于未添加BN的预浸料层合板，且温度越高，相同BN质量分数下预浸料层合板的导热系数越大。整体而言，随着BN质量分数增加，预浸料层合板的热扩散率和导热系数随着BN质量分数的变化趋势基本相同。

表1为航空零部件用预浸料层合板的热重分析-差热分析结果。从热降解角度看，未添加BN的预浸料层合板的起始温度、峰值温度和结束温度分别为371、431和804℃ ， 当添加7%BN时预浸料层合板的起始温度、峰值温度和结束温度分别为376、431和801℃;当添加10%BN时预浸料层合板的起始温度、峰值温度和结束温度分别为381、430和803℃;从固化反应角度看，未添加BN的预浸料层合板的起始温度、峰值温度和结束温度分别为156、173和185℃ ， 当添加7%BN时，预浸料层合板的起始温度、峰值温度和结束温度分别为166、181和191℃ ， 当添加10% BN时预浸料层合板的起始温度、峰值温度和结束温度分别为169、179和189℃。对比分析可知，添加BN 的预浸料层合板的热降解起始温度高于未添加BN 的预浸料层合板，而峰值温度和结束温度低于未添加BN的预浸料层合板；添加BN的预浸料层合板的固化反应起始温度、峰值温度和结束温度都高于未添加BN的预浸料层合板，且添加7%BN时预浸料层合板的峰值温度和结束温度最高。

表2为航空零部件用预浸料层合板的弯曲强度和冲击强度测试结果。当 BN质量分数分别为0%、3%、5%、7%和10%时，预浸料层合板的弯曲强度分别为1378、1210、1323、1346和1283 MPa，冲击强度分别为195、215、220、225和180 MPa。可见，添加 BN的预浸料层合板的弯曲强度都低于未添加BN的预浸料层合板的弯曲强度，且随着 BN 质量分数增加，预浸料层合板的弯曲强度先增加后减小，在BN 质量分数为7%时取得最大值；添加BN的预浸料层合板的冲击强度都低于未添加 BN 的预浸料层合板，且随着BN质量分数增加，预浸料层合板的冲击强度先增加后减小，在BN质量分数为7%时取得最大值。

图5为航空零部件用预浸料层合板的裂纹扩展形貌。对于未添加BN的预浸料层合板，冲击断口较为平整，呈现脆性断裂的特征；而添加7%BN的预浸料层合板，在层合板截面可以观察到裂纹斜向扩展的特征，这主要是因为 BN颗粒均匀分散在层合板中，可以起到抑制裂纹扩展的作用，在冲击过程中有助于吸收更多的能力而提高冲击强度[17-19]。航空零部件用预浸料层合板的冲击断口中裂纹形貌观察结果与表2的测试结果相吻合。

3 结语

（1）随着BN质量分数增加，航空零部件用预浸料层合板的热扩散率先增加后减小，在BN质量分数为7%时取得最大值，继续增加BN质量分数预浸料层合板的热扩散率反而减小；添加BN的预浸料层合板的热扩散率都高于未添加BN的预浸料层合板，且温度越高，相同BN质量分数下预浸料层合板的热扩散率越小。随着BN质量分数增加，预浸料层合板的导热系数先增加后减小，在BN质量分数为7%时取得最大值，继续增加 BN质量分数预浸料层合板的导热系数反而减小；添加 BN的预浸料层合板的导热系数都高于未添加 BN的预浸料层合板，且温度越高，相同 BN质量分数下预浸料层合板的导热系数越大；

（2）添加BN的预浸料层合板的热降解起始温度高于未添加BN的预浸料层合板，而峰值温度和结束温度低于未添加 BN 的预浸料层合板；添加 BN 的预浸料层合板的固化反应起始温度、峰值温度和结束温度都高于未添加 BN的预浸料层合板，且添加7%BN 时预浸料层合板的峰值温度和结束温度最高；

（3）当 BN 质量分数分别为0%、3%、5%、7%和10%时，航空零部件用预浸料层合板的弯曲强度分别为1378、1210、1323、1346和1283 MPa，冲击强度分别为195、215、220、225和180 MPa。

【参考文献】

[1]张淦，刘建超，张承双.纤维增强树脂基预浸料的制备技术及应用进展[J].炭素，2022（1）：27-32.

[2] 邱超，马心旗，王亚震，等.薄层碳纤维增强树脂基复合材料研究与应用进展[J].航空制造技术，2021，64（14）：22-31.

[3] 杨学萍. CCF/PEEK 复合材料制备及应用研究进展[J].合成纤维，2021，50（5）：41-51.

[4] 马全胜，李俊含，田思戗.热塑性复合材料的成型工艺及其在航空器中的应用[J].化工新型材料，2022，50（6）：263-266.

[5] 刘延宽，顾子琛，王志平.连续纤维增强热塑性预浸料制备工艺与发展趋势[J].中国塑料，2022，36（2）：172-181.

[6] 李世超，张正，巴文兰，等.超薄预浸料对碳纤维/环氧树脂复合材料导电性能的影响[J].复合材料学报，2020，37（3）：539-545.

[7] 李易红.复合材料模具用苯并噁嗪预浸料制备工艺研究[J].高科技纤维与应用，2022，47（3）：47-51.

[8] 孙坤，赵文忠，张晨晖，等.用于雷达天线的国产碳纤维预浸料成型工艺优化及配套材料优选[J].复合材料科学与工程，2021（12）：66-72.

[9] 林强，王玖，党万腾，等.超薄碳纤维预浸料制备复合材料力学性能研究[J].成都大学学报（自然科学版），2018，37（3）：236-241.

[10] 刘燕峰，刘青曼，陈旭.中温固化松香基环氧树脂碳纤维增强复合材料性能[J].航空材料学报，2022，42（3）：63-69.

[11] 刘燕峰，刘青曼，陈旭.高温固化松香基环氧树脂碳纤维增强复合材料性能研究[J].复合材料科学与工程，2022（4）：40-44.

[12] 赵伟超，刘文韬.中温固化薄型环氧预浸料的综合性能研究[J].热固性树脂，2021，36（6）：20-23.

[13] 刘成龙.一种碳纤维/石墨烯/碳纳米管/环氧树脂预浸料及碳纤维复合材料的制备[J].橡塑技术与装备，2018，44（7）：62-63.

[14] 李孝进.碳纤维预浸料性能与固化工艺研究[J].新型工业化，2021，11（12）：41-42.

[15] 叶国方，杨小兵，廖国峰，等.一种耐高温环氧树脂及其预浸料的制备与性能研究[J].化工新型材料，2022，50（2）：119-123.

[16]  JANICKI J C，EGLOFF M C，AMENDOLA R，et al. Form- ability Characterization of fiber reinforced polymer com- posites using a novel test method[J]. Journal of Testing and Evaluation：A  Multidisciplinary  Forum for Applied Sciences and Engineering，2022（2）：50-59.

[17]  SUN Y M，HUANG P M，MEI K H，et al. Vehicle-In- duced  response  of  long-span  suspension  bridges  with  steel and carbon fiber-reinforced polymer（CFRP）cables  and suspenders[J]. Science of Advanced Materials，2018，10（6）：913-922.

[18] 郭聰，陈福龙，李红，等.单向碳纤维预浸料模压热固化工艺及其对力学性能的影响规律[J].航空科学技术，2022，33（1）：107-118.

[19] 张毅，杨瑞瑞，郭万涛，等.碳纤维/乙烯基树脂预浸料双真空袋成型工艺研究[J].复合材料科学与工程，2021（10）：96-100.