CN101913253B - 一种纤维增强复合材料板材辊轧成型方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维增强复合材料板材辊轧成型方法及装置，该成型方法采用不同纹理方向的纤维布作为增强材料可以获得板平面内各方向力学性能均匀、强度高、表面质量和精度高的复合材料板，并且采用两次树脂浸渍和辊轧的形式使每层纤维布两侧树脂分布均匀，显著减小了成型出的复合材料板内部的气泡现象，确保了复合材料板的良好性能。另外在树脂浸渍过程中纤维布沿竖直方向运动，使树脂在纤维布两侧的分布均匀。其所成型的纤维增强复合材料板是经多道辊轧连续辊压，材质密实，板材孔隙率小。并且本发明的装置对纤维增强复合材料板的厚度、大小易于控制，只需灵活增减纤维布架、树脂浸溶槽、辊轧的个数和两轧辊之间的间隙。

Description

一种纤维增强复合材料板材辊轧成型方法及装置

技术领域

本发明属于复合材料板材成型技术领域，尤其涉及一种纤维增强复合材料板材辊轧成型方法及装置。该方法生产出的复合材料板特别适用于纤维增强复合材料板不等温热冲压成型和承受复杂受力状态下的纤维增强复合材料平板件中。

背景技术

纤维增强复合材料是在不同基体材料中加入性能不同的纤维增强材料，其目的在于获得性能更加优异的复合材料。纤维增强材料是复合材料的主要承力组分，它能大幅度地提高基体树脂的强度和弹性模量，而且能减少复合材料成型过程中的收缩，提高热变形温度。纤维增强复合材料具有高强、轻质、抗腐蚀等优点，作为结构件在各个领域得到广泛的应用。目前，常用的增强纤维有碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等。特别是碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高、耐腐蚀、抗疲劳和阻尼性能好等优点，广泛的应用于航空航天、体育运动、建筑、能源开发等领域。近两年，随着碳纤维材料制造工艺的成熟，制造成本的大幅下降和我国对制造业节能减排、结构轻量化的长期要求。传统制造业，特别是汽车制造业对碳纤维复合材料应用的要求日益强烈。但传统的复合材料板制备方法效率低、成本高、只适合小批量零件的生产，严重地制约了碳纤维复合材料在传统工业领域的应用。唯一适合于大批量生产的拉挤成型工艺也仅限于生产型材，难以满足现代工业，尤其是汽车制造业的需求。

并且，目前制造出来的纤维增强复合材料板多用于承力结构的加强中，这种复合材料板的纤维丝排布沿着板的长度方向，因此，在板的长度方向具有很高的强度，而板的宽度方向强度低，即复合板的板平面内的各向异性明显。随着纤维复合材料板的广泛使用，以及复杂受力状态下结构件对高性能纤维增强复合材料平板件的需求，促进了沿板长度和宽度方向强度相同的复合材料板材以及各向同性复合材料板材新成型方法的发展。因此，研制一种新型高性能、低成本的板平面内各向同性复合板材板成型方法及装置具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种纤维增强复合材料板材辊轧成型方法及装置，该方法采用多层纤维布经辊轧成型出不同厚度碳纤维复合材料板，可以为复合材料板的后续不等温热冲压成型提供性能良好的复合材料板坯，该方法成形出的复合材料板不但具有表面质量好、易于实现批量自动化生产的优势，而且具有成型平面各向同性的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种纤维增强复合材料板材辊轧成型方法，包括以下步骤：

1)首先，将多层具有不同纹理方向的纤维布竖直放置，并使各层纤维布经过树脂槽进行两面竖直树脂浸渍，然后竖直辊轧各层竖直向纤维布将树脂中的气泡挤出；

2)将上述辊轧后的各层纤维布再次进行两面竖直树脂浸渍，然后进行多层纤维布竖直合并辊轧形成一次复合材料板；

3)将上述一次复合材料板进行预固化，增加浸渍在各层纤维布上树脂的粘度；

4)将预固化后的一次复合材料板进行多道竖直辊轧形成二次复合材料板，然后采用导向辊将二次复合材料板从竖直方向转变为水平方向；

5)将水平向的二次复合材料板进行固化处理，在对二次复合材料板进行固化处理的同时也进行水平多道辊轧处理，且随着辊轧道次的增加使辊子之间的间隙逐渐减小，最后三道次辊子的间隙等于复合材料板的厚度，辊轧完成后形成所述的纤维增强复合材料板。

进一步，上述各层纤维布均是双向纤维布，各层纤维布中的纤维与纤维布长度方向的各夹角均匀分布在0度至90度之间，且各层纤维布在竖直合并辊轧时按照纤维与纤维布长度方向的各夹角大小交替铺层。

进一步，上述双向纤维布如果具有四层，可将四层双向纤维布分别按照纤维丝沿纤维布长度方向呈0度、45度、45度和0度进行排布。

上述纤维布是碳纤维布、芳纶纤维布或玻璃纤维布。

上述在步骤1)或步骤2)中，纤维布进行竖直树脂浸渍时，采用树脂及其固化剂和添加剂的混合物作为浸液，所采用的树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚氯乙烯、酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂或双马树脂。

本发明还提出一种实现以上所述辊轧成型方法的装置，包括设于上部用于固定各层纤维布1的纤维布架，所述纤维布架的下方水平向平行排列有多组具有树脂浸溶槽的第一轧辊2，该第一轧辊2的下方水平设置有一组具有树脂浸溶槽的第二轧辊4，所述第二轧辊4的下方出口处设有预固化装置5，所述预固化装置5的下方设有竖直轧辊组6，所述竖直轧辊组6的下方设有水平导向辊7，所述水平导向辊7的一侧设置有固化装置9，所述固化装置9的出口侧设有剪切或切割装置10；所述固化装置9内水平向设有水平轧辊组8。

进一步，上述第一轧辊2和第二轧辊4之间设置有多组竖向导向辊3；所述剪切或切割装置10的出料侧还设有复合材料板材放置架11。

上述具有树脂浸溶槽的第一轧辊或具有树脂浸溶槽的第二轧辊的结构为：包括一对辊子，该对辊子的上方物料入口位置设置有一树脂浸溶槽，每个所述辊子的下方设置有余料收集槽，且每个余料收集槽的外侧面上固定设置有刮板，所述刮板的轴向侧边紧靠在辊子的外侧周面上。

上述竖直压辊组包括依次由上至下设置的多对辊子，每对辊子左右布置，最上方的一对辊子上端为竖直压辊组的进料口，最下方的一对辊子下端为竖直压辊组的出料口，且从上到下各对辊子之间的间隙逐渐减小。

上述水平轧辊组包括由左至右设置的多对辊子，每对辊子上下布置，最左端的一对辊子的左侧为水平轧辊组的入料口，最右端的一对辊子的右侧为水平轧辊组的出料口，且从左到右各对辊子之间的间隙逐渐减小，最后三对辊子的间隙相同。

本发明的具有以下几点有益效果：

1)本发明采用不同纹理方向的纤维布作为增强材料可以获得板平面内各方向力学性能均匀、强度高、表面质量和精度高的复合材料板；

2)本发明采用两次树脂浸渍和辊轧的形式使每层纤维布两侧树脂分布均匀，并且显著减小了成形出的复合材料板内部的气泡现象，确保了复合材料板的良好性能；

3)本发明在树脂浸渍过程中纤维布沿竖直方向运动，使树脂在纤维布两侧的分布均匀；

4)本发明所成型的纤维增强复合材料板是经多道辊轧连续辊压，材质密实，板材孔隙率小；

5)本发明的辊轧成型方法在生产时，对纤维增强复合材料板的厚度、大小易于控制，只需灵活增减纤维布架、树脂浸溶槽、辊轧的个数和两轧辊之间的间隙；

综上所述，本发明的成型方法及装置可以显著提高复合材料板的制造效率，且易于实现自动化生产，适合于大批量高质量复合材料板的成形。

附图说明

图1为四层双向纤维布组成的各向同性纤维板的纤维布铺设方式图；

图2为制备纤维复合材料板的工艺流程图；

图3为制备纤维复合材料板的设备示意图；

其中：1为纤维布；2为第一轧辊；3为竖向导向辊；4为第二轧辊；5为预固化装置；6为竖直轧辊组；7为水平导向辊；8为水平轧辊组；9为固化装置；10为剪切或切割装置；11为复合材料板材放置架。

图4为具有树脂浸溶槽的轧辊设备示意图；

其中：1为浸渍过的单层纤维布；4-1为树脂基体；4-2为树脂浸溶槽；4-3为辊子；4-4为刮板；4-5为余料收集槽；4-6为收集的树脂余料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图2，本发明首先提出一种纤维增强复合材料板材辊轧成型方法，以下详细描述该方法的具体步骤：

1)首先，将多层具有不同纹理方向的纤维布分别竖直放置，并使各层竖直向的纤维布经过树脂槽进行两面竖直树脂浸渍，使纤维布两面都均匀的涂覆上树脂基体，然后竖直辊轧各层竖直向纤维布将树脂或纤维布中的气泡挤出，使树脂基体渗入纤维布缝隙。

在该步骤中，纤维布可以采用碳纤维布、芳纶纤维布或玻璃纤维布。需要根据所需纤维增强复合材料板的厚度及其力学性能要求，确定所需纤维布的层数，将纤维布按设定好的纹理排布方式安装到纤维布架1上。复合材料板的逐层成型，采用不同纹理方向的双向纤维布交替铺层，来实现不同复合材料板平面性能要求，各层纤维布中的纤维与纤维布长度方向的各夹角均匀分布在0度至90度之间，且各层纤维布在竖直合并辊轧时按照纤维与纤维布长度方向的各夹角大小交替铺层。如图1所示为四层纤维布组成的各向同性复合材料板的纤维纹理排布方式，可将四层双向纤维布分别按照纤维丝沿复合板长度方向呈0度，45度，45度和0度进行排布，图中a、b、c、d分别表示第一至四层的纤维方向。

2)将上述辊轧后的各层纤维布再次进行两面竖直树脂浸渍，然后进行多层纤维布竖直合并辊轧，挤出纤维布间的气体，使各层纤维布初步复合成板，该处相对轧辊之间的间隙较成形复合板厚度较厚，为复合板厚的1.2倍左右，辊轧完成后形成一次复合材料板；

3)将上述一次复合材料板进行预固化，增加浸渍在各层纤维布上树脂的粘度，为后续经复合材料板过渡为水平方向做好准备；

4)将预固化后的一次复合材料板进行多道竖直辊轧，使复合材料板进一步密实化形成表面质量较高的二次复合材料板，然后采用导向辊将二次复合材料板从竖直方向转变为水平方向。在该步骤中，为了避免纤维布在通过导向辊的弯曲过程中纤维丝折断，保证复合材料板质量，要求此道导向辊半径要尽可能大一些(大于150mm)；

5)将水平向的二次复合材料板进行固化处理，在对二次复合材料板进行固化处理的同时也进行水平多道辊轧处理，且随着辊轧道次的增加使辊子之间的间隙逐渐减小，最后三道次辊子的间隙等于复合材料板的厚度，辊轧完成后形成所述的纤维增强复合材料板材。该经过固化后的纤维增强复合材料板材最后将沿宽度方向进行下料或切割，使复合板尺寸满足设计要求，具体实施方法可为剪切下料，高压水切割和激光切割等。

在以上步骤1)或步骤2)中，竖直树脂浸渍时，当成型复合材料板材为热冲压成形用时，采用热塑性树脂作为基体(如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚氯乙烯等)；当成型复合材料板材不需后续成型直接使用时，也可采用热固性树脂作为基体(如酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、双马树脂等)，在树脂浸渍时，浸液采用树脂及其固化剂和添加剂的混合物。

为了实现以上本发明的所述的辊轧成型方法，本发明提一种适用于该辊轧成型方法的装置：

参见图3，该装置包括设于上部用于固定各层纤维布1的纤维布架，纤维布架的下方水平向平行排列有多组具有树脂浸溶槽的第一轧辊2，为了能够使由第一轧辊2出来的纤维布能够准确顺利的进入第二轧辊4的入料口，在第一轧辊2和第二轧辊4之间设置有多组竖向导向辊3。该第一轧辊2的下方水平设置有一组具有树脂浸溶槽的第二轧辊4，第二轧辊4的下方出口处设有预固化装置5，预固化装置5的下方设有竖直轧辊组6，竖直轧辊组6的下方设有水平导向辊7，水平导向辊7的一侧设置有固化装置9，固化装置9的出口侧设有剪切或切割装置10，剪切或切割装置10的出料侧还设有复合材料板材放置架11。并且，为了实现固化与辊轧能够同时进行，在固化装置9内水平向设有水平轧辊组8。

预固化装置5和固化装置9根据树脂材料种类的不同也有所改变。热固性树脂复合材料的固化装置可为红外加热，高频或微波加热，烘箱等装置；热塑性树脂复合材料的固化装置可采用通风干燥箱，低温干燥箱等装置。

在上述装置中，具有树脂浸溶槽的第一轧辊2或具有树脂浸溶槽的第二轧辊4的结构为：包括一对辊子4-3，该对辊子4-3的上方物料入口位置设置有一树脂浸溶槽4-2，每个所述辊子4-3的下方设置有余料收集槽4-5，且每个余料收集槽4-5的外侧面上固定设置有刮板4-4，刮板4-4的轴向侧边紧靠在辊子4-3的外侧周面上。纤维布在具有树脂浸溶槽的第二轧辊4中进行浸渍的工作过程如下：

浸渍过的单层纤维布1进入树脂浸溶槽4-2盛放的树脂基体4-1中进行第二道浸渍程序(见图4)，树脂基体4-1迅速充满各层纤维布间的间隙；接下来，单层纤维布1进入辊子4-3之间进行复合轧制，在辊子4-3的轧压作用下，树脂基体4-1在纤维层之间进行渗透，并排挤纤维布间的气泡，降低孔隙率。树脂浸溶槽4-2放置在辊子4-3(或轧辊)之上，二者之间保持较小间隙，保证轧辊不与浸溶槽相摩擦。同时，为保证流动的树脂基体不从二者间隙流出，树脂浸溶槽4-2的宽度必须小于两轧辊的中心距。刮板4-4的侧边紧贴辊子4-3，随着辊子的匀速转动，刮掉黏在辊子上的树脂；被刮掉的树脂将落入位于辊子下方的余料收集槽4-5中以便回收利用。为保证效果，刮板4-4与辊子的接触线必须位于辊子中心平面的上方。为保证生产过程中两个辊子转动速度同步，各组轧辊均采用步进电机或交流伺服电机驱动，对转动速度进行精确控制。

如图3所示，本发明的较佳实施例中，竖直轧辊组6包括依次由上至下设置的三对辊子，每对辊子左右布置，最上方的一对辊子上端为竖直轧辊组6的进料口，最下方的一对辊子下端为竖直轧辊组6的出料口。另外在最优实施例中，装置中处于固化装置9内的水平轧辊组8包括由左至右设置的五对辊子，每对辊子上下布置，最左端的一对辊子的左侧为水平轧辊组8的入料口，最右端的一对辊子的右侧为水平轧辊组8的出料口。

在本发明所述的装置中，可灵活改变纤维布架、树脂浸溶槽、辊轧的个数和成对两轧辊之间的间隙来满足不同厚度复合材料板的生产需要；同时可灵活改变纤维布的宽度来满足不同尺寸复合材料板的生产需要。

综上所述，本发明的纤维增强复合材料板材辊轧成型方法以及用于实现该方法的装置具有以下特点：

(1)本发明的成型方法是对复合材料板逐层成型，采用不同纹理方向的双向纤维布交替铺层，来实现不同复合材料板平面性能要求。这样设计的优点在于使最终成型的纤维增强复合材料板力学性能近似呈现各向同性，各个方向承拉能力基本相同如图1所示，适合使用于受复杂载荷的复合材料结构件。

(2)本发明的成型方法与传统成型方法相比，多出了一道树脂浸渍程序。第一道，先将单层纤维布通过具有树脂浸溶槽的轧辊。这样可以保证纤维布两侧都能均匀涂敷上树脂，采用轧辊可以将树脂中的气泡挤出，避免气泡出现在辊轧出的纤维布的树脂基体中，并且可以使树脂更好的填充进入纤维布的缝隙，提高浸渍效果。第二道，将不同通道浸渍过的单层纤维布合并在一起，再次通过具有树脂浸溶槽的轧辊。这样可以保证各层纤维布之间的树脂涂敷均匀，经辊轧消除复合材料板中的气泡。同时，由于浸渍过程中的树脂粘度低，地球引力将对树脂的流动产生影响，因此为了保证复合材料板的纤维增强层沿板厚方向分布均匀，两次浸渍过程中纤维布均沿竖直方向运动，避免传统成型方法中树脂层上薄下厚的问题。具有树脂浸溶槽的轧辊的转动速度，应根据树脂的粘度，纤维布的运动速度通过计算确定，使纤维布两侧的树脂层厚度均匀。

(3)成型过程中采用了预固化工艺过程使树脂的粘度增加，在其后又加入了几道次的辊轧，然后采用导向辊将复合材料板从竖直方向运动转变为水平方向运动。采用预固化过程避免了复合材料板变为水平方向后树脂粘度低、易流动导致的树脂分布不均问题。预固化后的辊轧过程使复合材料板的树脂分布均匀，复合材料板的致密性增加，表面质量提高。考虑到树脂后续固化流程长，将复合材料板沿竖直方向运动转变为水平方向运动，这样有利于生产线及设备的排布

(4)本发明的成型过程中第二道固化过程采用与辊轧相结合的方法，可以有效降低板材孔隙率，提高复合材料板性能，并且使成形出的复合材料板表面质量、板厚精度得到很好的控制。该过程中使用了多道次辊轧的方式，辊子旋转的角速度和辊子半径的乘积等于复合材料板运动的速度，且随着道次的增加辊子之间间隙逐渐减小，最后三道次辊子的间隙为复合板的厚度。由于在第二道固化过程的辊轧过程中，树脂已经得到一定固化，因此，辊子和树脂之间的摩擦力可以使复合材料板向外运动，从而带动纤维布顺次通过各道工序，省去了传统挤拉成型当中的牵引机。

Claims (8)

1.一种纤维增强复合材料板材辊轧成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）首先，将多层具有不同纹理方向的纤维布竖直放置，并使各层纤维布经过树脂槽进行两面竖直树脂浸渍，然后采用一对轧辊以竖直辊轧的方式将纤维布两侧树脂中的气泡挤出；

2）将不同通道浸渍过的单层纤维布合并在一起，再次通过具有树脂浸溶槽的轧辊形成一次复合材料板；

3）将上述一次复合材料板进行预固化，增加浸渍在各层纤维布上树脂的粘度；

4）将预固化后的一次复合材料板进行多道竖直辊轧形成二次复合材料板，然后采用导向辊将二次复合材料板从竖直方向转变为水平方向；

5）将水平向的二次复合材料板进行固化处理，在对二次复合材料板进行固化处理的同时也进行水平多道辊轧处理，且随着辊轧道次的增加使辊子之间的间隙逐渐减小，最后三道次辊子的间隙等于复合材料板的厚度，辊轧完成后形成所述的纤维增强复合材料板。

2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料板材辊轧成型方法，其特征在于，所述各层纤维布均是双向纤维布，各层纤维布中的纤维与纤维布长度方向的各夹角均匀分布在0度至90度之间，且各层纤维布在竖直合并辊轧时按照纤维与纤维布长度方向的各夹角大小交替铺层。

3.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料板材辊轧成型方法，其特征在于，所述纤维布是碳纤维布、芳纶纤维布或玻璃纤维布。

4.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料板材辊轧成型方法，其特征在于，在步骤1）或步骤2）中，竖直树脂浸渍时，采用树脂及其固化 剂和添加剂的混合物作为浸液，所采用的树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚氯乙烯、酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂或双马树脂。

5.一种实现权利要求1所述辊轧成型方法的装置，其特征在于，包括设于上部用于固定各层纤维布（1）的纤维布架，所述纤维布架的下方水平向平行排列有多组具有树脂浸溶槽的第一轧辊（2），该第一轧辊（2）的下方水平设置有一组具有树脂浸溶槽的第二轧辊（4），所述第二轧辊（4）的下方出口处设有预固化装置（5），所述预固化装置（5）的下方设有竖直轧辊组（6），所述竖直轧辊组（6）的下方设有水平导向辊（7），所述水平导向辊（7）的一侧设置有固化装置（9），所述固化装置（9）的出口侧设有剪切或切割装置（10）；所述固化装置（9）内水平向设有水平轧辊组（8）；

所述具有树脂浸溶槽的第一轧辊（2）或具有树脂浸溶槽的第二轧辊（4）的结构为：包括一对辊子（4-3），该对辊子（4-3）的上方物料入口位置设置有一树脂浸溶槽（4-2），每个所述辊子（4-3）的下方设置有余料收集槽（4-5），且每个余料收集槽（4-5）的外侧面上固定设置有刮板（4-4），所述刮板（4-4）的侧边紧靠在辊子（4-3）的外侧周面上。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一轧辊（2）和第二轧辊（4）之间设置有多组竖向导向辊（3）；所述剪切或切割装置（10）的出料侧还设有复合材料板材放置架（11）。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述竖直轧辊组（6）包括依次由上至下设置的多于三对的辊子，每对辊子左右布置，最上方的一对辊子上端为竖直轧辊组（6）的进料口，最下方的一对辊子下端为竖直轧辊组（6）的出料口，且从上到下各对辊子之间的间隙逐渐减小。 

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述水平轧辊组（8）包括由左至右设置的多于五对的辊子，每对辊子上下布置，最左端的一对辊子的左侧为水平轧辊组（8）的入料口，最右端的一对辊子的右侧为水平轧辊组（8）的出料口，且从左到右各对辊子之间的间隙逐渐减小，最后三对辊子的间隙相同。 

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