热塑性复合材料用混纤预浸料特征

2017-03-28 17:38:13 作者：本网整理来源：中国复合材料学会分享至：

    1.前言

    自1940年以来，连续纤维增强热固性复合材料的研究与应用在复合材料领域占主导地位。进入20世纪80年代，连续纤维增强热塑性塑料的研究成为国际上关注的热点课题。连续纤维增强热塑性复合材料兴起之后，人们借鉴纤维增强热固性复合材料的成型工艺，对其预浸料加工采用“湿法”，即溶液（或溶剂）浸渍和熔融浸渍。由于高性能热塑性基体塑料（如PEEK）具有高的熔融温度和熔融粘度，因此引起基体润湿、浸渍增强纤维以及预浸料适型性的问题。为了克服这些困难，开发了用混纤预浸料加工纤维增强热塑性复合材料的新工艺方法，其中包括增强纤维与热塑性基体纤维混合而成的混纤纱、织物混纤。这种新方法可以较好解决高分子量热塑性聚合物浸渍的问题，容易控制增强纤维和基体的比例，有良好的适型性。混纤预浸料作为热塑性复合材料的基础材料，其结构对复合材料的浸渍性能、力学性能有重要影响。

    2.混纤预浸料的结构分析

    混纤型预浸料的主要目的是解决热塑性复合材料加工中的浸渍性。如果在混纤预浸料中，增强纤维与基体纤维呈现均匀分布，且没有任何两根增强纤维紧密排列，则在复合材料成型加工中，基体纤维就可以实现基体的原位浸渍与固化，大大缩短基体的流动路径，提高加工效率。

    然而，要实现混纤预浸料的结构是困难的。按照目前纺织加工的工艺方法，还不能达到这一点，特别是有确定增强纤维取向的混纤预浸料。因此，研究适合于热塑性复合材料的的混纤预浸料结构加工是十分必要的。

    3.混纤预浸料结构型式

    3.1混纤纱

    连续增强纤维和热塑性聚合物纤维（长丝或短纤维）通过特有的加工技术形成。在DERFIII摩擦纺纱机上实现连续增强纤维纱作为芯纱，基体短纤维包缠在芯纱上的混纤包芯纱。该工艺方法加工的混纤纱是增强纤维位于纱线中心的皮芯纱。增强相中捻度为零，保证增强纤维强度最佳利用。位于芯层的增强相被基体纤维完全覆盖，保护增强纤维在织造加工中免受意外损伤。但是基体纤维与增强纤维的结合不很牢固，在后加工过程中，尤其是织造加工中，若沿着纱线方向反复摩擦，易引起“剥皮”现象，即基体纤维在增强纤维上滑移。

    同时由于增强纤维与基体纤维的区域性分布，在复合材料加工中有可能产生基体浸渍不充分或浸渍时间延长的问题。借助于科弗纺纱的原理，可以加工连续增强纤维／热塑性长丝混纤纱。这种混纤纱结构不同之处仅仅是基体纤维性状有差异。上述方法加工的混纤纱中增强纤维与热塑性纤维的混合程度差。

    利用喷气气流加工的连续增强纤维／热塑性长丝混纤纱，克服了增强纤维与基体纤维呈区域性分布的缺点，具有增强纤维和基体纤维良好的混合以及增强纤维束的适当开松的优点，较好地解决了热塑性基体浸渍增强纤维的问题。

    3.2织物混纤

    织物混纤包含增强纤维纱与热塑性纤维纱交替作经纱与纬纱进行织造加工双向织物，以及用增强纤维作经纱，热塑性纤维作纬纱进行织造加工单向织物。这种方法加工预浸料比混纤纱加工织物预浸料的加工成本低。然而，混纤纱织物的悬垂性比织物混纤好。由于混纤纱使增强纤维和热塑性基体纤维产生良好的混合，因而提高了热塑性纤维熔融后浸渍的速度和效果，可以获得力学性能良好的复合材料。通常，织物混纤加工对低分子量聚合物是较合适的。高分子量聚合物应进行混纤纱加工。

    另一种织物混纤方法是以增强纤维纱（或热塑性纤维纱）作经纱、热塑性纤维纱（或增强纤维纱）作纬纱，进行织物混纤加工。用这种方法加工的预浸料只能加工单向热塑性复合材料。对织物混纤加工复合材料用预浸料，在织造过程中要避免打纬对增强纤维造成损伤，尤其是织机钢筘摩擦对增强纤维长丝产生擦伤，使增强纤维束中的单丝断裂。同时这种预浸料加工方法的增强纤维与热塑性基体纤维的混合程度差。

    4.混纤纱浸渍分析

    假定一根纱束中熔融基体对增强纤维浸渍是固定的，即此纱束中的基体只对其中的增强纤维进行浸渍而且浸渍是自足的。同时在复合材料加工中所有混纤纱束同时进行浸渍，它们的几何形状完全相同。那么，整个复合材料的浸渍能通过单纱束浸渍来描述。

    在聚合物复合材料的加工中存在着基体通过由纤维构成介质的流动。热塑性基体有相对高的粘性，基体流动速率不可能高，因此基体流动是粘性支配。由基体浸渍的基本假设，对混纤纱复合材料中基体的浸渍可看作基体垂直增强纤维材料的一维流动则：

    即基体浸渍相同距离所用的时间增大。减小纤维体积分数可以缩短基体的浸渍时间，但是纤维体积分数显著影响复合材料的性能。因此，在增强纤维与基体体积分数不变的情况下，分割纤维体积即在增强纤维中分段插入基体。

    混纤预浸料中增强纤维与基体纤维均匀混和、分布是解决基体浸渍的良好途径。

    5.结语

    混纤预浸料的结构对基体的浸渍行为有重要影响，基体的浸渍直接与复合材料的性能、加工成本有关。实现复合材料的快速加工并降低加工成本，对混纤复合材料而言，增强纤维与热塑性基体纤维要有良好的混合，并且在预浸料加工过程中要避免对增强纤维造成强度损伤，引起复合材料的力学性能下降。因此，研究预浸料的结构对热塑性复合材料的加工具有重要意义。