一种纤维网格结构层间增韧复合材料

1.本实用新型属于复合材料技术领域，尤其涉及一种纤维网格结构层间增韧复合材料。


背景技术：

2.纤维增强树脂基复合材料(frp)以其优异的力学性能在众多结构工程中得到了广泛的应用。但该复合材料通常沿厚度方向的承载能力较低，在面内压缩、弯曲、疲劳和横向冲击等荷载作用下，容易发生分层损伤。而一旦分层开始在层压板内部传播，整个结构的刚度将逐渐降低，最终导致灾难性的失效。因此，如何有效地提高层间断裂韧性是目前研发及应用frp复合材料所亟待解决的关键性问题。
3.层间增韧是一种比较有效地抑制复合材料分层的手段，该方法是在复合材料易分层的层间区域插入增韧材料，从而提高复合材料的分层阻抗。插层材料大体可分为三种类型：粉末、薄膜和纤维。其中，纤维状插层材料易于诱发“纤维桥接”机制，近年来受到了广泛的关注。
4.中国专利(cn 115195215 a)公开了一种利用碳纳米管薄膜增韧纤维复合材料的技术。该方法虽然可以提高复合材料的层间断裂韧性，但增韧效果受诸多因素的影响。一方面，随着纤维膜的致密化程度越来越高，其内部也许不能完全被树脂充分浸润，进而形成缺陷；另一方面，当裂纹遇到这样的刚性连续增韧层，有可能偏转到其他未增韧区域，进而降低整体的增韧效果。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种纤维网格结构层间增韧复合材料，本实用新型中的纤维网格结构层间增韧复合材料能够显著提升纤维复合材料的层间断裂韧性。
6.本实用新型提供一种纤维网格结构层间增韧复合材料，纤维预制体包括碳纤维布和设置所述碳纤维布之间的增韧层；
7.所述增韧层为纤维交织而成的纤维网格层，所述纤维的直径为100nm～100μm，所述纤维之间的距离为10μm～10mm。
8.优选的，所述增韧层中的纤维为横纵交织。
9.优选的，所述纤维网格层的目数为100～1000目。
10.优选的，增韧层中的纤维包括碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维和植物纤维中的一种或几种。
11.优选的，所述纤维的直径为500nm～1μm，所述纤维之间的距离为100μm～1mm。
12.本实用新型提供了一种纤维网格结构层间增韧复合材料，纤维预制体包括碳纤维布和设置所述碳纤维布之间的增韧层；所述增韧层为纤维交织而成的纤维网格，所述纤维的直径为100nm～100μm，所述纤维之间的距离为10μm～10mm。相比于纤维膜，本技术中的纤维网格的设计具有诸多优势：首先，它的孔隙率更高，更有利于树脂的充分浸润；其次，它的
用料更少，更有利于节约成本；另外，“纤维-树脂-纤维”这样的非连续层间增韧相的构筑，有利于将裂纹扩展“囚禁”于增韧层内，并触发多种增韧机制，进而显著提升纤维复合材料的层间断裂韧性。
附图说明
13.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
14.图1为本实用新型中纤维网格结构层间增韧复合材料的结构示意图，1为纤维网格布，2为纤维增强树脂基复合材料，3为层间界面；
15.图2为本实用新型中实施例1中纤维预制体的结构示意图，a为碳纤维单向布，b为ptfe膜，c为尼龙纤维网格布；
16.图3为本实用新型中实施例1制备得到的复合材料的截面抛光后的光学显微镜图；
17.图4为本实用新型中实施例1和对比例1中复合材料的双悬臂梁测试结果图；
18.图5为本实用新型中实施例1与对比例1中复合材料的r曲线(裂纹扩展阻力随裂纹扩展的曲线)；
19.图6为本实用新型中实施例1与对比例1中复合材料的端分层挠曲(enf)测试结果图。
具体实施方式
20.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
21.本实用新型提供一种纤维网格结构层间增韧复合材料，纤维预制体包括碳纤维布和设置所述碳纤维布之间的增韧层；
22.所述增韧层为纤维交织而成的纤维网格，所述纤维的直径为100nm～100μm，所述纤维之间的距离为10μm～10mm。
23.在本实用新型中，所述纤维网格结构层间增韧复合材料由纤维预制体浸渍树脂后固化得到，所述纤维预制体包括碳纤维布和设置所述碳纤维布之间的增韧层。
24.本实用新型对于所述碳纤维布没有特殊的限制，采用本领域常用的碳纤维布即可，在本实用新型中，可每隔多层碳纤维布设置增韧层。
25.在本实用新型中，所述增韧层为纤维交织而成的纤维网格层，所述纤维优选为碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维和植物纤维中的一种或几种纤维的混合；具体的，所述金属纤维优选为钢纤维和/或铜纤维。在本实用新型中，所述纤维优选为表面处理的纤维，经表面处理的纤维表面接枝了官能团，如羧基、氨基、羟基；或包覆了纳米粒子，如碳纳米管、石墨烯、纳米二氧化硅、氮化硼纳米管/片、纳米粘土、碳纳米纤维等。
26.在所述纤维网格层中，所述纤维的直径优选为100nm～100μm，更优选为500nm～1μm，如100nm，200nm，300nm，400nm，500nm，600nm，700nm，800nm，900nm，1μm，10μm，20μm，30μm，40μm，50μm，60μm，70μm，80μm，90μm，100μm，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值；所述纤维之间的距离优选为10μm～10mm，更优选为100μm～1mm，如10μm，50μm，100μm，200μm，300μm，400μm，500μm，600μm，700μm，800μm，900μm，1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。
27.在本实用新型中，所述纤维网格层中网格的目数优选为100～1000目，更优选为200～600目，如100目，200目，300目，400目，500目，600目，700目，800目，900目，1000目，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。
28.在本实用新型中，所述纤维的交织方式可以是单向的，双向的或者是三维结构，优选的，本实用新型采用纵横交织的双向结构。
29.在本实用新型中，用于制备所述复合材料的树脂具有良好的界面相容性，可以是热固性树脂或者热塑性树脂，所述热固性树脂优选为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂、双马来酰亚胺树脂和聚酰亚胺树脂中的一种或几种；所述热塑性树脂优选为尼龙6、尼龙66、聚醚醚酮和聚醚酮中的一种或几种。
30.本实用新型还提供了一种纤维网格结构层间增韧复合材料的制备方法，包括以下步骤：
31.a)将碳纤维布和纤维网格层叠放排布，制备得到纤维预制体；
32.b)将树脂基浆料灌注到所述纤维预制体中，成型后得到纤维网格结构层间增韧复合材料。
33.在本实用新型中，所述碳纤维布和纤维网格层的种类和结构与上文所述的碳纤维布和纤维网格层的种类和结构一致，本实用新型不再赘述。
34.在本实用新型中，所述树脂基浆料包括树脂和固化剂，在本实用新型中，所述树脂可以是热固性树脂或者热塑性树脂，所述热固性树脂优选为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂、双马来酰亚胺树脂和聚酰亚胺树脂中的一种或几种；所述热塑性树脂优选为尼龙6、尼龙66、聚醚醚酮和聚醚酮中的一种或几种；所述固化剂优选为聚醚胺和双氰胺类固化剂。所述树脂与固化剂的质量比优选为(1～10)：1，更优选为(2～8)∶1，如1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1，6∶1，7∶1，8∶1，9∶1，10∶1，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。
35.本实用新型优选将树脂和固化剂混合后，真空除气，得到树脂基浆料。
36.所述真空除气的温度优选为20～30℃，更优选为25～28℃；所述真空除气的时间优选为5～15min，更优选为10～12min。
37.在本实用新型中，所述成型的方法优选为真空辅助树脂传递模塑(vartm)、树脂传递模塑(rtm)、手糊成型、热压罐成型、湿法模压或片状模塑成型(smc)，具体的，在本实用新型的实施例中，可采用真空辅助树脂传递模塑(vartm)。
38.本实用新型优选在真空负压的条件下，将所述树脂基浆料灌注引入纤维预制体中，待树脂基浆料完全灌注到碳纤维布中后，采用真空辅助树脂传递模塑成型，固化后得到纤维网格结构层间增韧复合材料。
39.在本实用新型中，所述固化优选在75～85℃、0.5～1.5mpa下固化1～3小时，然后再在110～130℃下固化1～3小时，冷却脱模，优选的，所述固化先在80℃、1mpa下固化2小
时，然后再在120～125℃下固化2小时，冷却脱模。
40.本实用新型提供了一种纤维网格结构层间增韧复合材料，纤维预制体包括碳纤维布和设置所述碳纤维布之间的增韧层；所述增韧层为纤维交织而成的纤维网格，所述纤维的直径为100nm～100μm，所述纤维之间的距离为10μm～10mm。相比于纤维膜，本技术中的纤维网格的设计具有诸多优势：首先，它的孔隙率更高，更有利于树脂的充分浸润；其次，它的用料更少，更有利于节约成本；另外，“纤维-树脂-纤维”这样的非连续层间增韧相的构筑，有利于将裂纹扩展“囚禁”于增韧层内，并触发多种增韧机制，进而显著提升纤维复合材料的层间断裂韧性。
41.为了进一步说明本实用新型，以下结合实施例对本实用新型提供的一种纤维网格结构层间增韧复合材料进行详细描述，但不能将其理解为对本实用新型保护范围的限定。
42.实施例1
43.本实施示例为一种尼龙纤维网格布层间增韧碳纤维复合材料的制备过程，具体如下所示：
44.s1、将尼龙纤维编织成布，网孔目数为200；然后将其裁剪成20
×
25cm2的布块。
45.s2、制备纤维预制体
46.取碳纤维单向布(东丽t300-3000，密度为1.76g/cm3)，裁剪成25
×
25cm2的布块，然后用手工叠层方式铺设纤维预制体。具体而言，将16层碳布按[0
°
]
16
的序列堆叠排布，其中第8层与第9层纤维布之间插入步骤s1所得的尼龙纤维网格布，并紧靠网格布铺入50mm长、30μm厚的ptfe(聚四氟乙烯)薄膜作为预裂纹(如图2所示)。
[0047]
备注：上述制备过程中，铺设ptfe薄膜只是为了制备双悬臂梁试样以便进行后续性能测试，实际生产复合材料的过程中，不铺设ptfe薄膜，即实际复合材料产品是不含ptfe薄膜的。
[0048]
s3、制备复合材料板
[0049]
通过vartm方法制备复合材料板。具体而言，在s2所制备的纤维预制体两面铺设导流网，导流网和纤维预制体之间用脱模布分隔开来，最后用真空袋密封。
[0050]
配制环氧树脂基浆料，取含有300g双酚f环氧树脂epon862倒入烧杯中，然后加入105.6g固化剂d-230，使用玻璃棒充分搅拌，然后在25℃真空烘箱中除气10min，得到约405.6g树脂基浆料。
[0051]
通过真空泵的负压作用将树脂基浆料均匀引入到纤维预制体中。待树脂基浆料完全灌注到碳纤维布中后，将vartm平台整体移入平板硫化机中，先在80℃、1mpa压力条件下固化2h，再在120℃固化2h。之后，冷却脱模，得到复合材料板。
[0052]
对比例1
[0053]
本对比例的中间层未插入纤维网格布，其余步骤和参数与实施例1均相同。
[0054]
对比测试
[0055]
对上述实施例1以及对比例1中提供的纤维复合材料进行如下的测试：
[0056]
1)参照astm d5528，进行了i型层间断裂韧性的评估。结果如图4和图5所示，图4为实施例1和对比例1样品的双悬臂梁测试结果图，图5为实施例1和对比例1样品的r曲线(裂纹扩展阻力随裂纹扩展的曲线)图。可以看出，插入200目的尼龙纤维网格布后，复合材料板的i型层间断裂韧性从675j/m2提高到2666j/m2，增幅达到295％。
[0057]
2)参照astm d7905，进行了ii型层间断裂韧性的评估。图6为实施例1和对比例1样品的端分层挠曲(enf)测试结果，经计算可得实施例1的ii型层间断裂韧性为1285j/m2，较对比例1的551j/m2，提高了近133％。
[0058]
实施例2
[0059]
s1、将尼龙纤维编织成布，网孔目数为400；然后将其裁剪成20
×
25cm2的布块。
[0060]
s2、制备纤维预制体
[0061]
取碳纤维单向布(东丽t300-3000，密度为1.76g/cm3)，裁剪成25
×
25cm2的布块，然后用手工叠层方式铺设纤维预制体。具体而言，将16层碳布按[0
°
]
16
的序列堆叠排布，其中第8层与第9层纤维布之间插入步骤s1所得的尼龙纤维网格布，并紧靠网格布铺入50mm长、30μm厚的ptfe(聚四氟乙烯)薄膜作为预裂纹。
[0062]
s3、制备复合材料板
[0063]
通过vartm方法制备复合材料板。具体而言，在s2所制备的纤维预制体两面铺设导流网，导流网和纤维预制体之间用脱模布分隔开来，最后用真空袋密封。配制环氧树脂基浆料，取含有300g双酚f环氧树脂epon862倒入烧杯中，然后加入105.6g固化剂d-230，使用玻璃棒充分搅拌，然后在25℃真空烘箱中除气10min，得到约405.6g树脂基浆料。通过真空泵的负压作用将树脂基浆料均匀引入到纤维预制体中。待树脂基浆料完全灌注到碳纤维布中后，将vartm平台整体移入平板硫化机中，先在80℃、1mpa压力条件下固化2h，再在120℃固化2h。之后，冷却脱模，得到复合材料板。
[0064]
将板材切割成21mm宽的板条，分别进行合页式双悬臂梁(dcb)测试和端分层挠曲(enf)测试，可测得i型层间断裂韧性(g
ic
)为796j/m2，ii型层间断裂韧性(g
iic
)为1391j/m2。
[0065]
实施例3
[0066]
s1、将钢纤维编织成布，网孔目数为200；然后将其裁剪成20
×
25cm2的布块。
[0067]
s2、制备纤维预制体
[0068]
取碳纤维单向布(东丽t300-3000，密度为1.76g/cm3)，裁剪成25
×
25cm2的布块，然后用手工叠层方式铺设纤维预制体。具体而言，将16层碳布按[0
°
]
16
的序列堆叠排布，其中第8层与第9层纤维布之间插入步骤s1所得的尼龙纤维网格布，并紧靠网格布铺入50mm长、30μm厚的ptfe(聚四氟乙烯)薄膜作为预裂纹。
[0069]
s3、制备复合材料板
[0070]
通过vartm方法制备复合材料板。具体而言，在s2所制备的纤维预制体两面铺设导流网，导流网和纤维预制体之间用脱模布分隔开来，最后用真空袋密封。配制环氧树脂基浆料，取含有300g双酚f环氧树脂epon862倒入烧杯中，然后加入105.6g固化剂d-230，使用玻璃棒充分搅拌，然后在25℃真空烘箱中除气10min，得到约405.6g树脂基浆料。通过真空泵的负压作用将树脂基浆料均匀引入到纤维预制体中。待树脂基浆料完全灌注到碳纤维布中后，将vartm平台整体移入平板硫化机中，先在80℃、1mpa压力条件下固化2h，再在120℃固化2h。之后，冷却脱模，得到复合材料板。
[0071]
将板材切割成21mm宽的板条，分别进行合页式双悬臂梁(dcb)测试和端分层挠曲(enf)测试，可测得i型层间断裂韧性(g
ic
)为2633j/m2，ii型层间断裂韧性(g
iic
)为1422j/m2。
[0072]
实施例4
[0073]
s1、将钢纤维编织成布，网孔目数为400；然后将其裁剪成20
×
25cm2的布块。
[0074]
s2、制备纤维预制体
[0075]
取碳纤维单向布(东丽t300-3000，密度为1.76g/cm3)，裁剪成25
×
25cm2的布块，然后用手工叠层方式铺设纤维预制体。具体而言，将16层碳布按[0
°
]
16
的序列堆叠排布，其中第8层与第9层纤维布之间插入步骤s1所得的尼龙纤维网格布，并紧靠网格布铺入50mm长、30μm厚的ptfe(聚四氟乙烯)薄膜作为预裂纹。
[0076]
s3、制备复合材料板
[0077]
通过vartm方法制备复合材料板。具体而言，在s2所制备的纤维预制体两面铺设导流网，导流网和纤维预制体之间用脱模布分隔开来，最后用真空袋密封。配制环氧树脂基浆料，取含有300g双酚f环氧树脂epon862倒入烧杯中，然后加入105.6g固化剂d-230，使用玻璃棒充分搅拌，然后在25℃真空烘箱中除气10min，得到约405.6g树脂基浆料。通过真空泵的负压作用将树脂基浆料均匀引入到纤维预制体中。待树脂基浆料完全灌注到碳纤维布中后，将vartm平台整体移入平板硫化机中，先在80℃、1mpa压力条件下固化2h，再在120℃固化2h。之后，冷却脱模，得到复合材料板。
[0078]
将板材切割成21mm宽的板条，分别进行合页式双悬臂梁(dcb)测试和端分层挠曲(enf)测试，可测得i型层间断裂韧性(g
ic
)为2145j/m2，ii型层间断裂韧性(g
iic
)为1234j/m2。
[0079]
实施例5
[0080]
s1、将铜纤维编织成布，网孔目数为200；然后将其裁剪成20
×
25cm2的布块。
[0081]
s2、制备纤维预制体
[0082]
取碳纤维单向布(东丽t300-3000，密度为1.76g/cm3)，裁剪成25
×
25cm2的布块，然后用手工叠层方式铺设纤维预制体。具体而言，将16层碳布按[0
°
]
16
的序列堆叠排布，其中第8层与第9层纤维布之间插入步骤s1所得的尼龙纤维网格布，并紧靠网格布铺入50mm长、30μm厚的ptfe(聚四氟乙烯)薄膜作为预裂纹。
[0083]
s3、制备复合材料板
[0084]
通过vartm方法制备复合材料板。具体而言，在s2所制备的纤维预制体两面铺设导流网，导流网和纤维预制体之间用脱模布分隔开来，最后用真空袋密封。配制环氧树脂基浆料，取含有300g双酚f环氧树脂epon862倒入烧杯中，然后加入105.6g固化剂d-230，使用玻璃棒充分搅拌，然后在25℃真空烘箱中除气10min，得到约405.6g树脂基浆料。通过真空泵的负压作用将树脂基浆料均匀引入到纤维预制体中。待树脂基浆料完全灌注到碳纤维布中后，将vartm平台整体移入平板硫化机中，先在80℃、1mpa压力条件下固化2h，再在120℃固化2h。之后，冷却脱模，得到复合材料板。
[0085]
将板材切割成21mm宽的板条，分别进行合页式双悬臂梁(dcb)测试和端分层挠曲(enf)测试，可测得i型层间断裂韧性(g
ic
)为1937j/m2，ii型层间断裂韧性(g
iic
)为1214j/m2。
[0086]
实施例6
[0087]
s1、将铜纤维编织成布，网孔目数为400；然后将其裁剪成20
×
25cm2的布块。
[0088]
s2、制备纤维预制体
[0089]
取碳纤维单向布(东丽t300-3000，密度为1.76g/cm3)，裁剪成25
×
25cm2的布块，然
后用手工叠层方式铺设纤维预制体。具体而言，将16层碳布按[0
°
]
16
的序列堆叠排布，其中第8层与第9层纤维布之间插入步骤s1所得的尼龙纤维网格布，并紧靠网格布铺入50mm长、30μm厚的ptfe(聚四氟乙烯)薄膜作为预裂纹。
[0090]
s3、制备复合材料板
[0091]
通过vartm方法制备复合材料板。具体而言，在s2所制备的纤维预制体两面铺设导流网，导流网和纤维预制体之间用脱模布分隔开来，最后用真空袋密封。配制环氧树脂基浆料，取含有300g双酚f环氧树脂epon862倒入烧杯中，然后加入105.6g固化剂d-230，使用玻璃棒充分搅拌，然后在25℃真空烘箱中除气10min，得到约405.6g树脂基浆料。通过真空泵的负压作用将树脂基浆料均匀引入到纤维预制体中。待树脂基浆料完全灌注到碳纤维布中后，将vartm平台整体移入平板硫化机中，先在80℃、1mpa压力条件下固化2h，再在120℃固化2h。之后，冷却脱模，得到复合材料板。
[0092]
将板材切割成21mm宽的板条，分别进行合页式双悬臂梁(dcb)测试和端分层挠曲(enf)测试，可测得i型层间断裂韧性(g
ic
)为1742j/m2，ii型层间断裂韧性(g
iic
)为1150j/m2。

技术特征：
1.一种纤维网格结构层间增韧复合材料，其特征在于，纤维预制体包括碳纤维布和设置所述碳纤维布之间的增韧层；所述增韧层为纤维横纵交织而成的纤维网格层，所述纤维的直径为100nm～100μm，所述纤维之间的距离为10μm～10mm，所述纤维网格层的目数为100～1000目；增韧层中的纤维包括碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维和植物纤维中的一种或几种。2.根据权利要求1所述的纤维网格结构层间增韧复合材料，其特征在于，所述纤维的直径为500nm～1μm，所述纤维之间的距离为100μm～1mm。

技术总结
本实用新型提供了一种纤维网格结构层间增韧复合材料，纤维预制体包括碳纤维布和设置所述碳纤维布之间的增韧层；所述增韧层为纤维交织而成的纤维网格，所述纤维的直径为100nm～100μm，所述纤维之间的距离为10μm～10mm。相比于纤维膜，本申请中的纤维网格的设计具有诸多优势：首先，它的孔隙率更高，更有利于树脂的充分浸润；其次，它的用料更少，更有利于节约成本；另外，“纤维-树脂-纤维”这样的非连续层间增韧相的构筑，有利于将裂纹扩展“囚禁”于增韧层内，并触发多种增韧机制，进而显著提升纤维复合材料的层间断裂韧性。维复合材料的层间断裂韧性。维复合材料的层间断裂韧性。


技术研发人员：欧云福 茅东升 吴龙强 付安然 翁宜婷 祝令状 王梦杰
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/9/16