T700/PEEK预浸纱制备的浸渍机理及工艺优化

摘要

高性能热塑性树脂基复合材料在航空航天领域发展前景广阔,然而,其原材料热塑性预浸料制备工艺难度大、成本高,是限制高性能热塑性复合材料发展的重要因素.本文以T700碳纤维、PEEK粉末作为原料,基于粉末悬浮法制备工艺,自主开发了热塑性预浸纱制备平台,并成功制备了质量稳定的T700/PEEK连续预浸纱.论文重点研究了T700/PEEK预浸纱的浸渍机理、含胶量控制工艺及浸渍工艺参数优化,并利用T700/PEEK预浸纱制备了复合材料层合板,通过力学性能测试验证了本文提出的热塑性预浸纱制备方法的有效性. (1)研制了基于粉末悬浮法的热塑性预浸纱制备平台,突破了T700/PEEK制备的关键技术,实现了T700/PEEK预浸料的连续制备.预浸纱制备平台包括放纱、丝束浸胶、分散剂去除、预浸渍、辊压成型及后浸渍和收卷等部分,制备工艺的关键技术包括:①乙醇作为PEEK粉末的分散剂;②应用超声辅助丝束浸胶;③将浸渍过程分为预浸渍和辊压成型两个阶段. (2)针对机械搅拌辅助丝束浸胶工艺的局限性,提出了采用胶液循环及浓度在线监测方式,达到了丝束均匀、稳定浸胶的目的,进一步研究了不同工艺参数对T700/PEEK预浸纱含胶量的影响,结果表明,预浸纱含胶量随浸胶长度的延长及超声功率的增大而提高,并与胶液浓度线性正相关;含胶量35±2.5%的T700/PEEK预浸纱浸胶工艺参数为:浸胶长度18cm,超声功率360W,悬浊液浓度范围39.3~43.7g/L. (3)进行了大量实验研究不同工艺参数对预浸纱孔隙率及尺寸的影响,得到较优浸渍工艺参数为:牵引速率15~20mm/s,张力值7N,预浸渍温度360~370℃,辊压温度330℃,压辊间隙0.1mm,最终制得孔隙率低于5%的T700/PEEK预浸纱. (4)利用微观形貌观察及力学试验手段评价了所制备T700/PEEK预浸纱的质量,研究表明:预浸纱表面平整有光泽,但微观形貌显示表面纤维平行度不甚理想,少数区域存在浸渍不完全的问题.预浸纱内部纤维与树脂分布均匀,界面结合良好.厚度稳定在0.21mm,宽度约6mm,在较短尺寸范围内稳定性良好,但在较长的尺寸范围内波动幅度较大.力学性能试验表明:预浸纱复丝拉伸强度1.45GPa;单向层合板拉伸强度1.71GPa,层间剪切强度66.89MPa,冲击强度145.78kJ/m2.预浸纱质量评价及力学性能测试结果证明,粉末悬浮法制备热塑性预浸纱工艺可行,具备一定工程应用价值.

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