● 摘要
随着全球变暖和污染的日益加重，如何通过汽车轻量化技术来减少燃油消耗量，从而减少废气物排放已经成为世界性的课题。碳纤维复合材料以其质轻、高强、耐腐蚀、耐疲老、易于整体成型等优点成为汽车轻量化的首选材料之一。但是碳纤维增强的热固性树脂基复合材料的传统成型周期较长（数小时），远不能满足汽车生产线的制造时间要求（数分钟），这在很大程度上制约着碳纤维复合材料在汽车领域的大规模应用。本文围绕快速固化复合材料，从配方设计到工艺选择，从树脂/纤维匹配到复合材料层板性能分析，进行了较为系统地研究，得到了较好的研究结果，为汽车用碳纤维复合材料的研制提供重要实验依据。本文首先采用双酚A 环氧树脂、改性咪唑和改性脂肪胺开发出了快速固化环氧树脂体系，考察了树脂体系的固化行为、流动特性、力学性能和耐热性能。然后采用真空灌注工艺制备快速固化的碳纤维复合材料层板，对其成型过程和成型质量进行分析，通过与常规固化复合层板的力学性能和耐热性能进行对比，考察了快速固化层板的性能和质量。同时还从界面的角度分析了后固化时间对于快速固化层板性能的影响机理，进而优化了后固化工艺。最后通过对纤维/模具进行预热，考察了预热温度对于快速固化层板的影响，优选了最佳的预热工艺温度。研究结果表明：采用双酚A 型环氧树脂、改性咪唑和改性脂肪胺，通过优化配比所得树脂体系在120℃下5min 内固化度达95%，可实现快速固化，且放热平稳，流动性好，固化产物不仅有较好的力学性能，而且有较高的耐热性能。采用真空灌注工艺制备复合材料层板，灌注时间控制在5min 内，固化时间可控制在13min 以内，固化度达95%以上，并且无明显缺陷，与常规固化相比（大于2h），快速固化材料的弯曲性能和耐热性能降低幅度均小于8%。通过120℃、60min 的后固化处理，快速固化层板力学性能和耐热性能达到最大值，但是进一步延长后固化时间，树脂/纤维的界面粘结强度受到破坏，力学性能和耐热性能降低。通过对真空灌注工艺中纤维/模具进行预热，可以明显缩短成型周期，80℃的预热温度下，快速固化层板可以在13min 内完成灌注和固化，且层板固化均匀，没有明显的温度梯度现象，兼顾较好的力学性能和耐热性能。