(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010455668.0
(22)申请日 2020.05.26
(71)申请人 南京工业大学
地址 211816 江苏省南京市浦口区浦珠南
路30号
(72)发明人 胡军峰 陈舟 张旭彤 于苏东
王一帆 郭文康
(74)专利代理机构 江苏吾索律师事务所 32337
代理人 曾昭昱
(51)Int.Cl.
D04H 1/4242(2012.01)
D04H 1/74(2012.01)
D04H 1/4382(2012.01)
B32B 9/00(2006.01)
B32B 9/04(2006.01)
B32B 5/12(2006.01)B32B 37/06(2006.01)B32B 38/00(2006.01)B29C 70/34(2006.01)
(54)发明名称一种基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板及其制备方法(57)摘要本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板及其制备方法。所述碳纤维层合板包括在与长度方向呈夹角θ的两个方向上铺设的碳纤维，还包括在长度方向上、与长度方向垂直的方向上，或者与长度方向呈夹角θ的两个方向相垂直的两个方向上铺设的碳纤维。本发明通过设计新型铺设结构，提出[±θm/0n]s、[±θm/0n/90n]s、[θm/(90+θ)n/-θm/(90-θ)n]s等新型铺设结构，使碳纤维层合板 发生平稳的渐进损伤过程，并增强其在其他方向的承载能力，增强材料的各向承载力及其伪延性；可以通过调整θ的大小，获得在不同方向上具有不同的拉伸强度和伪延性的碳纤维层合板，满足不同的需求；所述碳纤维层合板的制备方法操作简单，
便于工业生产。权利要求书1页 说明书8页 附图6页CN 111648027 A 2020.09.11
C N 111648027
A
1.一种基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板，其特征在于，所述碳纤维层合板包括在与长度方向呈夹角θ的两个方向上铺设的碳纤维，还包括在长度方向上、与长度方向垂直的方向上，或者与长度方向呈夹角θ的两个方向相垂直的两个方向上铺设的碳纤维。
2.根据权利要求1所述的所述基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板，其特征在于，碳纤维层合板选用的超薄层碳纤维预浸料的厚度仅为0.02mm -0.06mm。
3.根据权利要求1所述的所述基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板，其特征在于，所述碳纤维层合板具有高模量碳纤维和低模量碳纤维混杂结构，其混杂组合方式为层间混合铺设或层内混合编织。
4.根据权利要求1所述的所述基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板，其特征在于，所述碳纤维层合板选用的超薄层碳纤维预浸料通过机械切割得到非连续纤维结构，切割时的切口方向与纤维方向之间的夹角为α，α＝11.3°。
5.根据权利要求4所述的所述基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板，其特征在于，部分切口与纤维方向向左偏转α角，另一部分切口与纤维方向向右偏转α角，且方向相同的切口间交错分布，呈双向交错分布结构。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
第一步，将碳纤维预浸料在25℃±2℃中放置10小时以上做软化调节，并清洁模具；第二步，按照设计的铺设结构在下模具面上铺设碳纤维预浸料；
第三步，覆盖上模具，对模具进行密封，并对模具抽真空；
第四步，按照设计的成型工艺完成高温成型，打开模具，取出复合材料，得到基于超薄碳纤维预浸料的高性能碳纤维层合板。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一步中，根据设计要求，将切割设计图纸导入计
算机，通过数控裁床裁切碳纤维预浸料。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第二步中需要在铺设碳纤维预浸料时去除预浸料两侧表面的隔离塑料膜和离型纸。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第二步中，在铺设碳纤维预浸料时，根据设计的高模量碳纤维-低模量碳纤维混杂组合结构，先后铺设高模量碳纤维预浸料和低模量碳纤维预浸料，或铺设高模量碳纤维预浸料与低模量碳纤维预浸料编织后的编织产物。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第三步中，对模具密封前要将吸胶毡铺设在上模具表面；密封模具的操作包括：沿着模具边缘粘贴密封胶条；将真空袋膜铺设在吸胶毡上，逐步揭去密封胶条的隔离纸，将真空袋膜紧密地贴合在密封胶条上。
权 利 要 求 书1/1页CN 111648027 A
一种基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板及其制备
方法
技术领域
[0001]本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤 维层合板及其制备方法。
背景技术
[0002]正所谓“一代材料、一代装备”，因此新材料产业是国家战略性新兴产业之一， 决定着一个国家的装备发展水平。欧美等发达国家十分重视新材料技术发展，提出了 明确的发展计划，如德国工业4.0、美国的国家纳米技术计划和材料基因组计划等。其 中碳纤维复合材料(CFRP)作为新型军民两用材料，是实现航空航天装备轻量化，加 速建筑、能源、交通等行业发展的重要保障。
[0003]然而，传统碳纤维复合材料强度和韧性的互斥性是长期以来困扰其设计领域的重 要问题之一。虽然CFRP具有重量轻、强度大、模量高等优点，但其脆性本质以及较 弱的剩余强度在一定程度上限制了其应用扩展。例如，由于轻击造成CFRP内部 局部的结构损伤，此时虽然外观完好，但容易在未出现明显损伤预警且远低于设计载 荷的负载作用下发生脆性断裂，如CFRP风力机叶片和自行车结构的断裂现象。为了 确保安全，相比于其他韧性较好的材料，CFRP的最大许用应力往往采用更大的安全系 数。这一设计局限性不仅使CFRP的性能优势不能得以充分发挥，同时使其不适合应 用于一些载荷条件不易预测的场合。
[0004]因此，能够同时增强增韧的材料设计理念是研究高性能CFRP长期以来的一个悬 而未决的挑战，
即如何使CFRP具有类似于金属材料的非线性渐进失效过程令其在最 终破坏前具有明显的失效预警现象，即，使CFRP从脆性失效模式转变为伪延性失效 模式，在CFRP失效断裂前产生伪延性应变，实现增韧，如图1所示。实际应用中大 多数复合材料结构会设计成[±45]ns或[45/0/-45/90]ns的准各向同性层合板，以承受不 同方向的载荷。但是这类准各向同性层合板由于纤维铺设角度较大，导致其弹性模量 和失效应力相对较低。因此，有学者提出通过减少纤维与载荷方向的夹角来改善这一 问题。鉴于超薄碳纤维预浸料在抑制层合板损伤扩展方面的优良性能，有人通过拉伸 实验研究了不同角度的小角度铺设超薄碳纤维预浸料层合板([±θ]5s)，发现由于基体材 料的塑性变形，纤维相对于载荷方向发生旋转，如图2所示，得到了明显的非线性应 力应变响应。其中[±25]5s和[±30] 5s两种层合板的伪延性应变分别达到了1.2％和 2.88％，同时保证了较高的纵向拉伸强度。(Pseudo-ductility and damage suppression in thin ply CFRP angle-ply laminates.J.D.Fuller,M.R.Wisnom.Composites:Part A 69(2015) 64–71.)
[0005]然而，这种小角度铺设结构虽然提高了纵向的强度和模量，且由于纤维方向重构 实现了其非线性力学性能，但是由于没有纤维的多重断裂，并未出现平稳的渐进损伤 过程(如图3c和3d)。而且由于角度较小，造成材料在其他方向承载能力较弱，且无 伪延展性。因此，如何改善铺设结构以及优化设计纤维角度，使角铺设结构材料在不 同方向都具备呈平
稳渐进损伤过程的非线性力学响应，以及提高碳纤维混合铺设结构 的伪延展性，这些都是亟需解决的问题。
[0006]增加碳纤维增强复合材料的延展性的一种快捷且直接的方法就是采用其他延性较 好的纤维与碳纤维混杂构成混杂复合材料。也就是基体中含有两种或两种以上的增强 纤维，即低延伸率纤维(LE)和高延伸率纤维(HE)。其中LE纤维通常先断裂，HE 纤维在前者断裂的情况下能继续承载。最常见混杂组合结构的有三种形式，即层间混 合铺设、层内混合编织、层内纤维混合，如图4所示。一般来说，碳纤维属于LE。碳 纤维与其他HE混杂制成纤维混杂复合材料后，当材料拉伸失效时，碳纤维先断裂， HE在碳纤维断裂后继续承载外力直至其断裂，即出现了纤维多重断裂现象。以碳纤维 -玻璃纤维混杂复合材料为例，不同的混杂组合结构对材料的力学性能有明显影响，当 材料失效时出现的破坏模式也不同，如图3所示。近年来由于超薄碳纤维预浸料工艺 的不断发展，关于其优越力学性能多有报道，由于其较低的能量释放率，使其能够通 过抑制分层破坏和整体断裂，延迟复合材料的最终失效，从而具有更高的许用设计应 变。但是，目前的超薄碳纤维预浸料仍然不能满足某些领域，如航空航天、汽车及能 源等行业，对材料强度和韧性的综合要求。
[0007]另一方面，非连续性碳纤维增强复合材料，是将传统的连续纤维预浸料通过机械 高频切割的方法制成取向非连续碳纤维预浸料，并固化得到取向非连续复合材料。非 连续纤维结构在提高材料成型流动性的同时，也改善了复合材料的失效特征和吸能特 性。但是，目前的非连续纤维结构都是通过在预浸料中引入与纤维方向垂直的切口， 削弱了材料的强度，容易在较低载荷水平下出现切口破坏，未能充分发挥碳纤维的高 强度特性。[0008]本发明将针对CFRP强度和韧性的互斥性问题，提出新型纤维小角度铺
设结构， 结合非连续纤维结构在提高材料损伤容量时的优良表现，开展高性能伪延性碳纤维复 合材料的研究，为实现其设计及应用提供新的理论和技术支撑。
发明内容
[0009]本发明的目的在于克服现有技术不足，鉴于航空航天、汽车及能源等行业对碳纤 维复合材料的重大实际需求，以及现阶段关于高性能伪延性碳纤维复合材料研究中存 在的问题，设计新型铺设结构，提供一种基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板， 使碳纤维层合板发生平稳的渐进损伤过程，并增强其在其他方向的承载能力，增强材 料的各向承载力及其伪延性。
[0010]本发明的另一个目的在于，提供上述基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板 的制备方法。
[0011]本发明提供一种基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板，所述谈纤维层合板 包括在与长度方向呈夹角θ的两个方向(简称θ方向和﹣θ方向)上铺设的碳纤维，还包 括在长度方向(简称0°方向)上、与长度方向垂直的方向(简称90°方向)上，或者 与长度方向呈夹角θ的两个方向相垂直的两个方向(简称θ+90方向和﹣θ+90方向)上铺 设的碳纤维。[0012]进一步的，所述碳纤维层合板选用的超薄层碳纤维预浸料的厚度仅为 0.02mm-0.06mm。
[0013]进一步的，所述碳纤维层合板具有高模量碳纤维和低模量碳纤维混杂结构，其混 杂组合方式为层间混合铺设或层内混合编织。
[0014]进一步的，所述碳纤维层合板选用的超薄层碳纤维预浸料通过机械切割得到非连 续纤维结构，切割时的切口方向与纤维方向之间的夹角为α，α＝11.3°。
[0015]更进一步的，部分切口与纤维方向向左偏转α角，另一部分切口与纤维方向向右偏 转α角，且方向相同的切口间交错分布，呈双向交错分布结构。此时，从纤维方向上来 看切口呈现两个角度的变化，可称呼为双角切口，如图5所示。
[0016]本发明还提供上述基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板的制备方法，所述 方法包括以下步骤：
[0017]第一步，将碳纤维预浸料在25℃±2℃中放置10小时以上做软化调节，并清洁模具；
[0018]第二步，按照设计的铺设结构在下模具面上铺设碳纤维预浸料；
[0019]第三步，覆盖上模具，对模具进行密封，并对模具抽真空；
[0020]第四步，按照设计的成型工艺完成高温成型，打开模具，取出复合材料，得到基 于超薄碳纤维预浸料的高性能碳纤维层合板。
[0021]进一步的，上述第一步中，根据设计要求，将切割设计图纸导入计算机，通过数 控裁床裁切碳纤维预浸料。
[0022]进一步的，上述第二步中需要在铺设碳纤维预浸料时去除预浸料两侧表面的隔离 塑料膜和离型纸。
[0023]进一步的，上述第二步中，在铺设碳纤维预浸料时，根据设计的高模量碳纤维-低 模量碳纤维混杂组合结构，先后铺设高模量碳纤维预浸料和低模量碳纤维预浸料，或 铺设高模量碳纤维预浸料与低模量碳纤维预浸料编织后的编织产物。当先后铺设高模 量碳纤维预浸料和低模量碳纤维预浸料时，高模量碳纤维和低模量碳纤维呈层间混合 铺设；当铺设高模量碳纤维预浸料与低模量碳纤维预浸料编织的编织产物时，高模量 碳纤维和低模量碳纤维呈层内混合编织。
[0024]进一步的，上述第三步中，对模具密封前要将吸胶毡铺设在上模具表面。密封模 具的操作包括：沿着模具边缘粘贴密封胶条；将真空袋膜铺设在吸胶毡上，逐步揭去 密封胶条的隔离纸，将真空袋膜紧密地贴合在密封胶条上。
[0025]角铺设结构的碳纤维层合板，即具有[±θn]s铺设结构的碳纤维层合板，在收到拉力 时，随着拉力的增大，碳纤维会发生旋转，由±θ方向逐渐向0°方向偏转。图7显示了 具有[±30]5s铺设结构的碳纤维层合板的纤维旋转现象。碳纤维在发生旋转时，会吸收 能量，使材料显现出一定的韧性，并产生不同的应变。具有不同铺设角度θ的[±θn]s碳 纤维层合板，其应力应变特性和纤维旋转特性不同，如图8所示。碳纤维发生旋转时吸 能，体现在应力应变曲线上就是一个不太明显的弯曲。如图6所示，从具有[±20]5s、[
± 25]5s、[±40]5s结构的三种碳纤维层合板的应力应变曲线中可知，随着铺设角度θ的增 加，碳纤维层合板在拉伸时产生的形变也越大，但其拉伸强度会降低。
[0026]具有[±θm/0n]s铺设结构(以一层θ方向、一层0°方向、一层﹣θ方向的顺序共铺设 m层θ方向的碳纤维、n层0°方向的碳纤维和m层﹣θ方向的碳纤维，然后以一层﹣θ方 向、一层0°方向、一层θ方向的顺序共铺设m层﹣θ方向的碳纤维、n层0°方向的碳纤 维和m层θ方向的碳纤维)的碳纤维层合板，在受到拉力时，随着拉力的增大，首先发 生0°方向的碳纤维的断裂，然后±θ方向的碳纤维在快速旋转后断裂。这样就发生了 碳纤维的多重断裂现象，结合
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