真空辅助树脂灌注配套基体树脂的制备及性能

研究制作

(北京航空制造工程研究所，北京100024)


    摘要：针对真空辅助成型技术(VARl)对基体树脂的特殊要求，结合航空材料对性能的高要求，研制了BA9912中温固化环氧树脂体系。采用VARI工艺制备了C0827/BA9912复合材料，测试了BA9912树脂浇注料及其复合材料的力学性能和耐热性能，并与国内外同类树脂进行了适当的比较分析。分析测试结果表明，BA9912树脂具有良好的力学性能、耐热性能和工艺性能，能够满足VARI成型工艺要求，适合在航空航天领域中应用。

    关键词：真空辅助成型技术(VARl)；基体树脂；中温固化；环氧树脂

    中图分类号：TQ323.5；TQ330.532  文献标识码：A  文章编号：1002-7432(2006)01-0004-04

  0引言
    VARI(Vacuum Assisted Resin lnfusion，简称真空辅助成型)技术是一种新型的复合材料低成本、高性能成型技术，近年来在航空领域受到广泛的重视[1]。VARI技术是在真空下，利用树脂的流动、渗透实现对纤维及其织物浸渍，并在真空下固化的成型方法。VARI成型技术特点是成本低、产品孔隙率低、性能与热压罐工艺接近、适合制造大型结构等。对于大尺寸、大厚度的复合材料制作，VA则是一种十分有效的成型方法；而采用以往的复合材料成型工艺，较大的模具选材困难，而且成本昂贵、制造十分困难，尤其是大厚度的船舶、车、飞机等结构件[2]。美国已进行了VARI技术F-35、P-3、S-3、C-5、C-130等机型上试验及验证工作。VARI技术在其他国防领域(导弹仪器舱段、潜艇壁板等)也进行了大量的应性研究。因此，具有巨大的应用前景。
    基体树脂是VARI技术的基础材料。目前国针对VARI工艺开发了一系列基体树脂，主要有酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂等[3]。其中聚酯树脂、乙烯基树脂由于强度和耐热性差，成本低，主要用于船舶领域。航空航天领域主要采用低粘度环氧树脂、双来酰亚胺树脂。国内目前针对VARI工艺开发的树脂只有BA9911，属于乙烯基—双马来酰亚胺树脂改性体系，具有较好的耐热性和阻燃性。但不能满足航空航天构件的要求[4，5]。适合VARI工艺的高性能基体树脂在国内还是空白。因此，开发高性能VARI工艺基体树脂是开展该复合材料低成本技术    在航空航天领域应用研究、缩短与国外差距的基本前提。
    1实验部分
    1.1 BA9912树脂的配制
    经过大量试验和分析比较，选用了低黏度高性能的TDE-85环氧树脂，研制了低黏度高活性的BA-1固化剂和高效的BA-2固化促进剂，实现了BA9912树脂的中温固化，满足了VARI低成本成型工艺的低黏度要求。按适当配比称取TDE- 85环氧树脂、BA-1固化剂和BA-2促进剂，先将TDE-85环氧树脂与BA-2促进剂混合搅拌10min，再加入BA—1固化剂，继续搅拌20min，抽真空除去搅拌过程中产生的气泡，即可制得棕黄色透明的BA9912中温固化环氧树脂体系。
    1.2 BA9912树脂浇注科的制备
    在浇注料模具上均匀涂上适量的硅脂脱模剂，在120℃烘箱中处理0.5h，将脱气后的BA9912棚旨浇注入模具之中。升温到120，保温固化4h，再在150t下后处理2h以消除内应力，停止加热，自然冷却至室温，取出BA9912浇注料制作相应试验件，测试其力学性能和耐热性能。




    1.3 G0827/BA9912复合材料的制备
    按照VARI成型技术主要工艺流程(见图1)，使用G0827经编织物和BA9912树脂通过VARI成型工艺制备了G0827/BA9912复合材料层压板，其固化条件主要如下：120℃下保温4h。根据相应国军 标的要求制作了相应性能的试样件，分别测试了G0827/BA9912复合材料的力学性能和耐热性能。
    1.4 测试及分析
    通过上海精科公司的NDJ-1型旋转黏度计测试了BA9912树脂的室温黏度，通过BOHLIN IN-STRUMENTS公司的GeminiTM200型流变仪测试了BA9912树脂的黏度—温度曲线，通过PERKIN  ELMER公司的DMA 7型动态力学分析仪对BA9912树脂浇注料和G0827/BA9912复合材料进行了DMA分析，通过PERKIN ELMER公司的DSC 7型差热扫描量热仪进行了BA9912树脂的DSC分析。按照GB/T 3354-1999、GB/T 3856-1983、GB3356-1999等一系列国军标测试BA9912树脂浇注料和G0827/BA9912复合材料拉伸强度、压缩强度、弯曲强度或层间剪切强度相关力学性能。
    2结果与讨论
    2.1 BA9912树脂的物化特性和工艺性能
    对BA9912树脂进行DSC分析，可以了解树脂体系的固化反应特性，其DSC曲线如图2所示。分析图2可知，BA9912树脂的反应放热峰始温度为112℃，峰顶温度为139℃，峰终温度153℃，从中可以看出，该体系反应温度区域窄反应温度较低，反应活性高，能够满足中温(120℃)固化的要求。




    图3为BA9912树脂中温固化物的DMA曲线从图中可以获知，BA9912树脂在中温固化条件下，固化物的玻璃化转变温度Tg达到了187℃，其模量—温度曲线的拐点为173.9℃，82℃时的模量保持率达到88%，120℃时则达到了80.1%，说明BA9912树脂活性高，耐热性好，能够满足工作温度82 ℃以上的要求。




    通过流变仪对BA9912树g旨的黏度特睦进行测试分析，获得了BA9912树脂的黏度—温度曲线(见图4)。BA9912树脂的室温黏度较低，约为300mPa•s左右，能够满足VARI低成本成型工艺要求。BA9912树脂的黏度随着温度的上升而迅速降低，50℃温度下黏度即可达到50mpa•s以下，最低黏度在20mpa·s左右，可见该树脂体系能够满足VARI成型工艺对基体树脂的低黏度要求。使用BA9912树脂和G0827经编织物进行了大量的VARI成型工艺研究，研究结果表明BA9912树脂工艺性能良好。




    2.2 BA9912树脂浇注料的性能按照国军标的要求，制作了BA9912树脂浇注料的力学性能试验件，并进行了相应性能的测试分析。BA9912树脂浇注料的主要性能如表1所示。美国Cytec公司开发的CYCOM823RTM环氧树脂体系的物化特性与BA9912树脂比较接近，且已在航空航天领域获得了良好的应用。因此，在此将这2个树脂体系进行了一些对比分析。CYCOM823RTM树脂浇注料的性能见表1。