一种用于修补的中低温固化真空袋成型预浸料及制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别是涉及一种用于修补的中低温固化真空袋成型预浸料及制备方法。

背景技术

复合材料由于其高比强度、高比刚度、良好的耐疲劳、耐腐蚀等性能，在航空航天领域、电子船舶领域均得到了广泛的应用。随着复合材料结构使用年限的增加，其修理问题逐渐引起人们的重视。相比金属材料，复合材料偏脆性，且对于异物掉落、冰雹、鸟撞、跑道碎石等面外冲击具有较低的损伤阻抗，产生面内纤维断裂、分层、长桁/蒙皮脱粘等不同于金属的损伤模式，从而带来新的修理问题。

复合材料结构的修理手段主要包括补片机械连接修理、胶接修理两种。对于复合材料补片机械修理，是将金属或复合材料补片放置于处理后的损伤结构区域，采用多个紧固件将补片与原结构连接，使损伤结构恢复至原承载能力。这种方法具有较高的可靠性，且多排多列螺栓连接提高了修理结构的损伤容限性能，缺点是补片和螺栓较重，易导致原结构显著增重。对于复合材料胶接修理，是将复合材料补片放置于处理后的损伤区域并加温固化，将补片与原结构胶接连接。相比于补片机械修理，复合材料胶接修理具有显著的重量优势，且修理后结构可恢复至较高的承载能力，具备较高的可靠性，因此在航空、航天复合材料结构中被广泛采用。

复合材料胶接修理中需要将补片和原结构固化在一起，通常通过电热毯、修补仪等设备加温至所需的温度，并保持该温度直至固化结束。在实际复合材料结构的胶接修理中，易遇到较为恶劣的外场环境和简陋的设备条件，若胶接修理固化所需的温度较高、时间较长，在某些维修条件下可能无法实现，且较长的固化时间亦对修理效率产生影响，且固化后制品内部存在一定热应力，会影响修补材料的性能。为了解决以上问题，需要一种低温固化、较短固化时间的复合材料修理用预浸料，且该预浸料需在室温下具有较长时间的粘性，从而实现外场复合材料结构的快速、高效维修。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种用于修补的中低温固化真空袋成型预浸料及制备方法，解决目前修补用复合材料固化温度高且固化时间长而导致的外场修补条件无法满足及影响复合材料修补效率的技术问题。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种用于修补的中低温固化真空袋成型预浸料，所述预浸料的环氧树脂体系包括：环氧树脂混合物、固化剂混合物以及添加剂，其中所述环氧树脂混合物为80～100份，所述固化剂混合物为40～60份，所述添加剂为0.1～1份。

进一步的，所述环氧树脂混合物为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、酚醛环氧树脂、缩水甘油胺类多官能环氧树脂中的一种或几种的混合物。

进一步的，所述固化剂混合物包括改性双氰胺类或双氰胺类潜伏性固化剂和促进剂。

进一步的，所述添加剂为碳纳米管、气相二氧化硅。

第二方面，提供了一种用于修补的中低温固化真空袋成型预浸料制备方法，包括步骤：制备环氧树脂体系；将环氧树脂体系在涂膜机上制备成胶膜；用热熔预浸机将制备好的胶膜以上下两层的方式覆盖在增强纤维上，控制热熔预浸机的加热辊温度和车速，制备预浸料。

进一步的，所述制备环氧树脂体系包括步骤：将环氧树脂单体混合加热至90℃～100℃；搅拌至透明状态；使体系降温至60℃以下；加入固化剂混合物，搅拌10min～15min；加入添加剂，搅拌2min～5min；得到环氧树脂体系，所述环氧树脂体系在60℃～70℃之间的粘度为5Pa.s～15Pa.s，在70℃～120℃的粘度为0.1Pa.s～5Pa.s。

进一步的，所述热熔预浸机的加热辊温度为65℃～75℃，所述热熔预浸机的车速为3m/min～8m/min。

进一步的，所述增强纤维为玻璃纤维或玻璃纤维织物、碳纤维或碳纤维机织物、玄武岩纤维中的一种或多种。

进一步的，将制备好的预浸料按设计尺寸裁剪、铺贴、组合并封装于真空袋内进行真空成型，制备成复合材料层合板。

进一步的，所述真空成型的工艺为真空度不小于0.085MPa，以1℃/min～2℃/min的升温速率升温至60℃，保温30min，继续升温至100℃～120℃保温1h～3h固化成型

(3)有益效果

综上，本发明的预浸料由环氧树脂体系及增强纤维组成，在60℃～70℃之间的粘度为5Pa.s～15Pa.s，适合热熔法胶膜法制备预浸料；在70℃～120℃的粘度较低，粘度为0.1Pa.s～5Pa.s，适合在真空袋成型时树脂中的气孔容易排出。通过制备环氧树脂体系；将环氧树脂体系在涂膜机上制备成胶膜；用热熔预浸机将制备好的胶膜以上下两层的方式覆盖在增强纤维上，控制热熔预浸机的加热辊温度和车速，制备预浸料；把预浸料按设计尺寸裁剪、铺贴、组合并封装于真空袋内；对真空袋内的预浸料进行真空成型。该预浸料具有室温贮存期长，性能优异，成型周期快等特点，可用于外场修补用复合材料、风电叶片等主次承力结构的高效低成本制造。用于外场修补用预浸料时，解决了目前修补用复合材料固化温度高且固化时间长而导致的外场修补条件无法满足及影响复合材料修补效率的技术问题。用于风电叶片复合材料结构时，可同时满足热压罐成型及真空袋成型两种方式，且固化温度低，固化后玻璃化转变温度高，其复合材料耐热性、韧性及力学性能优异。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了任何显而易见的修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照实施例来详细说明本申请。

第一方面，本发明的实施例提出了一种用于修补的中低温固化真空袋成型预浸料，该预浸料用环氧树脂体系包括：环氧树脂混合物、固化剂混合物以及添加剂，其中所述环氧树脂混合物为80～100份，所述固化剂混合物为40～60份，所述添加剂为0.1～1份。

在一些实施例中，所述环氧树脂混合物为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、酚醛环氧树脂、缩水甘油胺类多官能环氧树脂中的一种或几种的混合物。

在一些实施例中，所述固化剂混合物包括改性双氰胺类或双氰胺类潜伏性固化剂和促进剂。改性双氰胺类或双氰胺类潜伏性固化剂，其在低温下潜伏性优良，而较高温度下活性增加；促进剂与双氰胺类潜伏性固化剂配合使用，固化剂与环氧树脂复配后的预浸料体系在室温下的粘性保持率长达45天。

在一些实施例中，所述添加剂为碳纳米管、气相二氧化硅。添加剂使环氧树脂体系在整个流动态在母体内形成一个连续的网络，从而阻止分子或存在的任何其他微观粒子的布朗运动，因此可以使制备的修补用环氧树脂体系在外场使用时不至于发生流淌现象。

第二方面，提供了一种用于修补的中低温固化真空袋成型预浸料及其复合材料制备方法，包括步骤：

制备环氧树脂体系；

将环氧树脂体系在涂膜机上制备成胶膜；

用热熔预浸机将制备好的胶膜以上下两层的方式覆盖在增强纤维上，控制热熔预浸机的加热辊温度和车速，制备预浸料；

把预浸料按设计尺寸裁剪、铺贴、组合并封装于真空袋内；

对真空袋内的预浸料进行真空成型。

在一些实施例中，所述制备环氧树脂体系包括步骤：将环氧树脂单体混合加热至90℃～100℃；搅拌至透明状态；使体系降温至60℃以下；加入固化剂混合物，搅拌10min～15min；加入添加剂，高速搅拌2min～5min；得到环氧树脂体系。

在一些实施例中，该预浸料用环氧树脂在70℃之前粘度较高，60℃～70℃之间的粘度为5Pa.s～5Pa.s，适合热熔法制备预浸料。在70℃～120℃的粘度较低，粘度为0.1Pa.s～5Pa.s，适合在真空袋成型时树脂中的气孔容易排出。

在一些实施例中，所述热熔预浸机的加热辊温度为65℃～75℃，所述热熔预浸机的车速为3m/min～8m/min。

在一些实施例中，所述增强纤维为玻璃纤维或玻璃纤维织物、碳纤维或碳纤维机织物、玄武岩纤维等中的一种或多种。

在一些实施例中，所述真空成型的工艺为真空度不小于0.085MPa，以1℃/min～2℃/min的升温速率升温至60℃，保温30min，继续升温至100℃～120℃保温1h～3h固化成型。

实施例1：

将双酚A型环氧树脂E51—60份，缩水甘油胺类四官能环氧树脂AG-80—30份加入反应釜等带搅拌加热的混合设备中，加热搅拌至100℃，使体系混合均匀，然后降温至60℃以下，加入固化剂混合物(包括双氰胺类潜伏性固化剂20份，促进剂20份)，混合均匀，在向体系中加入SiO

通过二步法制备胶膜及预浸料。胶膜机设定温度为60℃，胶膜机生产速度10m/min，使用预浸机将制备好的胶膜与碳纤维ZT6F进行复合，复合温度为70℃，速度为5m/min。该预浸料在室温下的贮存期为大于45天，通过自动下料机对预浸料进行裁剪，然后手工铺贴，将层压胚料装入真空袋，真空度不小于0.085MPa，经烘箱100℃固化3小时，复合材料的测试结果见表1。

表1复合材料力学性能

实施例2：

将双酚A型环氧树脂E51—50份，双酚A型环氧树脂E20—50份加入反应釜等带搅拌加热的混合设备中，加热搅拌至100℃，使体系混合均匀，然后降温至60℃以下，加入固化剂混合物(包括双氰胺类潜伏性固化剂20份，促进剂20份)，混合均匀，在向体系中加入SiO

通过二步法制备胶膜及预浸料。胶膜机设定温度为60℃，胶膜机生产速度10m/min，使用预浸机将制备好的额胶膜与碳纤维机织物WU-3160进行复合，复合温度为70℃，速度为5m/min。该预浸料在室温下的贮存期为大于45天，通过自动下料机对预浸料进行裁剪，然后手工铺贴，将层压胚料装入真空袋，真空度不小于0.085MPa，经烘箱120℃固化1小时，复合材料的测试结果见表1。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述的特定步骤。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。