本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軟印刷法制備表面有結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的方法及其復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和比剛度，在航空航天、輸油管道、高壓容器、民用體育器材等領(lǐng)域具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料通常由層疊的連續(xù)纖維織物和樹脂復(fù)合而成，或者通過連續(xù)纖維纏繞形成預(yù)制體，再和浸漬其中的樹脂共固化得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體。
復(fù)合材料的發(fā)展越來(lái)越關(guān)注材料的功能性，如飛機(jī)在防雷擊需要復(fù)合材料具有較高的導(dǎo)電性能夠分散雷擊電流、防冰需要復(fù)合材料具有電熱除冰能力、低黏附表面、動(dòng)態(tài)表面等能夠降低水汽凝結(jié)、溶解冰層和脫附冰層的功能等。
具有特殊微觀結(jié)構(gòu)表面的材料也備受關(guān)注，尤其在自然界中，一些生物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中形成了自己特有的特點(diǎn)，如廣為人知的荷葉結(jié)構(gòu)，其表面微米級(jí)的乳突結(jié)構(gòu)使其具有超疏水性質(zhì)，能夠“出淤泥而不染”，超疏水涂料即根據(jù)此原理制備得到；蝴蝶表面的結(jié)構(gòu)使其具有絢麗的色彩，也和具有類似光子晶體的表面微結(jié)構(gòu)有關(guān)；具有鯊魚皮結(jié)構(gòu)的表面能夠改善材料的氣動(dòng)性能，已被用于奧運(yùn)會(huì)的游泳衣中。
這些結(jié)構(gòu)應(yīng)用于復(fù)合材料可以使復(fù)合材料具有各種各樣的方法，現(xiàn)有一些方法如表面涂層技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)部分微結(jié)構(gòu)的制備，如超疏水涂料可被應(yīng)用于復(fù)合材料的防冰結(jié)構(gòu)，但成型后再應(yīng)用涂層方法增加了工藝步驟，并且因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)差異和存在界面，導(dǎo)致涂層長(zhǎng)期使用后易剝落失效，并且涂層方法能夠制備的微結(jié)構(gòu)種類有限。因此還需要發(fā)展普適性的具有表面微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的制備技術(shù)。
綜上，需要發(fā)展新型的具有表面微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的制備技術(shù)，賦予復(fù)合材料的功能性，從而使這類復(fù)合材料滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，適應(yīng)復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的問題，提出了一種基于軟印刷技術(shù)的具有表面微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的制備技術(shù)，即先在選定的微結(jié)構(gòu)表面聚合得到軟模板，再將軟模板鋪貼在復(fù)合材料預(yù)制體的表面，按復(fù)合材料相應(yīng)的成型工藝成型后得到帶有表面微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其表面能夠完好復(fù)制所需要的選定微結(jié)構(gòu)的形貌特征，尺寸精度可以達(dá)到納米級(jí)。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
一種軟印刷法制備表面有微結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的方法，其特征在于：(1)制備PDMS模板，即將預(yù)聚二甲基硅氧烷和交聯(lián)劑以特定比例混合，鋪展到選定微結(jié)構(gòu)表面，使各部分厚度均勻，隨后在交聯(lián)固化條件下固化，固化完成后從微結(jié)構(gòu)上揭下已固化的PDMS，即得到復(fù)制該微結(jié)構(gòu)的PDMS反相模板；(2)將PDMS模板墊在連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料預(yù)制體需要制備微結(jié)構(gòu)的表面，微結(jié)構(gòu)面朝向復(fù)合材料，按復(fù)合材料所需的成型工藝成型，成型完后冷卻至60℃以下，脫模，取出復(fù)合材料后，小心揭下PDMS模板，即得到表面具有微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。
PDMS的厚度在0.1mm～5mm之間。
微結(jié)構(gòu)的表面起伏高度不大于1mm，微結(jié)構(gòu)的表面起伏高度小于PDMS的厚度。
表面微結(jié)構(gòu)包括天然結(jié)構(gòu)和人工結(jié)構(gòu)。
PDMS模板鋪貼在靠著模具的一面。
成型時(shí)工藝壓力低于1.5MPa。
成型工藝為采用RTM成型的方法，將連續(xù)纖維織物或單向帶按規(guī)定鋪層定型得到預(yù)制體，將PDMS覆蓋在需要制備微結(jié)構(gòu)的表面。成型工藝為采用預(yù)浸料真空袋壓成型、預(yù)浸料模壓成型成型、預(yù)浸料熱壓罐成型、預(yù)浸料隔膜成型的方法，將預(yù)浸料按規(guī)定的鋪層得到預(yù)制體，將PDMS覆蓋在需要制備微結(jié)構(gòu)的表面。
由這種方法制備得到的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件。
本發(fā)明的技術(shù)方案的核心是發(fā)明了一種制備具有表面微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料方法，利用這種方法可以使傳統(tǒng)的復(fù)合材料一體成型得到具有各種不同結(jié)構(gòu)的功能表面，并且具有高的結(jié)構(gòu)重現(xiàn)性，具有高精度，并且能夠很好地脫模，模板可反復(fù)使用。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是
本發(fā)明提出了一種新型的具有表面微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料方法以及相應(yīng)的復(fù)合材料，這種連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有一體成型的表面微結(jié)構(gòu)，避免了在表面二次制備帶來(lái)的工藝多步驟、復(fù)雜性和非一體成型具有的耐久性問題。制備工藝簡(jiǎn)單并能兼容現(xiàn)有成型方法，能夠制備各種各樣的天然和人工微結(jié)構(gòu)，具有高的結(jié)構(gòu)重現(xiàn)性，具有高精度，并且能夠很好地在保持微結(jié)構(gòu)形態(tài)的情況下脫模，模板可多次使用。
附圖說明
圖1是本發(fā)明具有表面荷葉結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的電子顯微鏡圖。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1：
本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施過程如下：
(1-1)捋平荷葉，將預(yù)聚二甲基硅氧烷和交聯(lián)劑以給定比例混合，真空脫除其中含有的氣泡，再鋪展到荷葉表面，使各部分厚度均勻，鋪展厚度為0.5mm或2mm；隨后在室溫下放置12h預(yù)固化，預(yù)固化后再置于60℃烘箱中固化3h，固化完成后從荷葉上揭下已固化的PDMS，即得到復(fù)制該微結(jié)構(gòu)的PDMS反相荷葉結(jié)構(gòu)模板；
(1-2)取環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，碳纖維T800、3K或M70、12K，環(huán)氧樹脂5228(中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司產(chǎn)品)，共8層，按[0,90]2s鋪層得到復(fù)合材料預(yù)制體，隨后將上述制備PDMS模板平鋪在復(fù)合材料預(yù)制體需要制備微結(jié)構(gòu)的表面，其中有微結(jié)構(gòu)的表面朝向復(fù)合材料，將預(yù)制體放入鋁模板中，再按復(fù)合材料所需的熱壓罐成型工藝成型；成型完后冷卻至60℃以下，拆下鋁模板，取出復(fù)合材料后，小心揭下PDMS模板，即得到表面具有微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；
(1-3)上述(1-2)亦可以使用模壓成型的方法，即將制備好的帶有PDMS模板的放入模具中，通過控制間隔層厚度控制纖維體積分?jǐn)?shù)，PDMS模板位于模具面和復(fù)合材料預(yù)制體之間，再用模壓成型的方法成型，得到表面具有表面荷葉結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；
本實(shí)施例得到具有表面荷葉結(jié)構(gòu)的T800/5228連續(xù)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，微結(jié)構(gòu)復(fù)制良好，結(jié)構(gòu)缺陷很少，并且結(jié)構(gòu)形貌和精細(xì)度可媲美天然的荷葉結(jié)構(gòu)。
圖1.復(fù)制的具有表面荷葉結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的電子顯微鏡圖，可以看到荷葉結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形貌和精細(xì)度良好復(fù)制到復(fù)合材料表面。
實(shí)施例2：
本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施過程如下：
(2-1)取利用光刻膠刻蝕得到的四方點(diǎn)陣光子晶體微結(jié)構(gòu)表面，并將預(yù)聚二甲基硅氧烷和交聯(lián)劑以給定比例混合(選用耐高溫類型的聚二甲基硅氧烷)，真空脫除其中含有的氣泡，再鋪展到四方點(diǎn)陣光子晶體表面，使各部分厚度均勻，鋪展厚度為0.25mm或2.2mm；隨后在室溫下放置6h預(yù)固化，預(yù)固化后再置于60℃烘箱中固化4h，固化完成后從微結(jié)構(gòu)表面上揭下已固化的PDMS，即得到復(fù)制該微結(jié)構(gòu)的PDMS反相荷葉結(jié)構(gòu)模板；
(2-2)取碳纖維T700、3K單向織物，共8層，按制件要求鋪層并定型后得到復(fù)合材料預(yù)制體，隨后將上述制備PDMS模板平鋪在復(fù)合材料預(yù)制體需要制備微結(jié)構(gòu)的表面上，其中有微結(jié)構(gòu)的表面朝向復(fù)合材料，將預(yù)制體放入模具中，再按復(fù)合材料所需的RTM成型工藝成型，控制壓力小于1.2MPa，所用樹脂為雙馬樹脂6421(中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司產(chǎn)品)，成型完后冷卻至60℃以下，拆除模具，取出復(fù)合材料后，小心揭下PDMS模板，即得到表面具有微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；
(2-3)上述(2-1)亦可以使用六方點(diǎn)陣的光子晶體微結(jié)構(gòu)；
(2-5)上述(2-1)亦可以使用光柵微結(jié)構(gòu)；
(2-6)上述(2-2)亦可以使用芳綸纖維織物、聚酰亞胺纖維織物。
實(shí)施例3：
本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施過程如下：
(3-1)取鯊魚皮一張，鋪平，將預(yù)聚二甲基硅氧烷和交聯(lián)劑以給定比例混合均勻，真空脫除其中含有的氣泡，再鋪展到鯊魚皮表面，使各部分厚度均勻，鋪展厚度為0.9mm或1.5mm或3mm；隨后再置于70℃烘箱中固化2h，固化完成后從鯊魚皮上揭下已固化的PDMS，即得到復(fù)制該微結(jié)構(gòu)的PDMS鯊魚皮結(jié)構(gòu)模板；
(3-2)取單向連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的雙馬樹脂基預(yù)浸料，碳纖維CCF300、3K，雙馬來(lái)酰亞胺樹脂，共32層，按[45,0,-45,90]4s鋪層得到準(zhǔn)各向同性的復(fù)合材料預(yù)制體，隨后將上述制備PDMS模板平鋪在復(fù)合材料預(yù)制體需要制備微結(jié)構(gòu)的一個(gè)表面，或2個(gè)表面都需要微結(jié)構(gòu)時(shí)都鋪，其中有微結(jié)構(gòu)的表面朝向復(fù)合材料預(yù)制體，將預(yù)制體放入模具中，再按復(fù)合材料所需的熱壓成型工藝成型，控制壓力小于0.8MPa；成型完后冷卻至60℃以下，拆模，取出復(fù)合材料后，小心揭下PDMS模板，即得到表面具有微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；
(3-3)上述(3-2)亦可以使用真空袋壓成型的方法，即將制備好的帶有PDMS模板的預(yù)制體平鋪于平板表面，按真空袋壓成型的各步工藝，控制真空度使預(yù)制體受壓在0.092MPa以上，隨后按樹脂固化工藝固化，冷卻拆模并拆掉后，得到表面具有表面荷葉結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；
(3-4)上述(3-2)也可以適用于T800/5228體系；
(3-5)上述(3-2)也可以用HS4玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。
本實(shí)施例得到具有表面鯊魚皮結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，這種鯊魚皮結(jié)構(gòu)用硬模板方法難以得到，并且微結(jié)構(gòu)復(fù)制良好，結(jié)構(gòu)缺陷很少。
實(shí)施例4：
本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施過程如下：
(4-1)取具有凸起結(jié)構(gòu)圖案的表面，圖案可以為各種宣傳畫形狀，凸起高度為0.1mm或0.6mm，將預(yù)聚二甲基硅氧烷和交聯(lián)劑以給定比例混合，真空脫除其中含有的氣泡，再鋪展到圖案表面，使各部分厚度均勻，鋪展厚度為0.9mm或4.5mm；隨后在室溫下放置24h預(yù)固化，預(yù)固化后再置于80℃烘箱中固化2h，固化完成后從圖案上揭下已固化的PDMS，即得到復(fù)制該圖案的PDMS反相模板；
(4-2)取中溫固化的環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，碳纖維T300、12K，按制件要設(shè)計(jì)的鋪層得到復(fù)合材料預(yù)制體，隨后將上述制備PDMS模板平鋪在復(fù)合材料預(yù)制體需要制備微結(jié)構(gòu)的表面，其中有微結(jié)構(gòu)的表面朝向復(fù)合材料，再按復(fù)合材料所需的隔膜成型工藝成型；成型完后冷卻至60℃以下，拆下成型配套的附屬隔膜等材料，取出復(fù)合材料后，小心揭下PDMS模板，即得到表面具有微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；
本實(shí)施例得到復(fù)合材料可以具有各種各樣的圖案，復(fù)刻精美。