CN102717518A - 碳纤维复合材料一体化制造、试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了碳纤维复合材料一体化制造、试验装置及试验方法，属于复合材料成型、加工及应用领域。本发明的冲裁凸模（5）的端部为冲裁刃口，凹模（26）上设有冲裁凹模刃口，冲裁凹模刃口在冲裁过程中对复合材料片（14）施加剪切作用力，将其切断；凹模（26）下面开有凹槽，凹槽用于预埋电阻加热丝（16），电阻加热丝（16）通过加热凹模（26）将热量传递到复合材料片(14)上。本发明用于研究树脂在碳纤维织物中的浸渗行为、浸润态碳纤维复合材料冲裁时的剪切断裂行为、冲裁工艺条件对断面质量的影响、成型工艺条件对CFRP制件性能及质量的影响、为RFI工艺制造的CFRP材料提供所需的拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转试样。

Description

碳纤维复合材料一体化制造、试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于复合材料成型、加工及应用领域，涉及一种RFI工艺成型的CFRP复合材料试样制备及工艺试验装置。不仅可为研究碳纤维复合材料的力学及物理性能提供必备的拉伸、压缩、弯曲、剪切等试样，还可用做碳纤维复合材料构件成型制造工艺、剪切断裂行为、成型及断面质量缺陷的研究，为进行碳纤维复合材料构件的制造质量控制和制造工艺方案优选提供有效手段，可用于汽车、航空、船舶、风机等碳纤维增强复合材料构件制造领域。 

背景技术

随着原油价格的攀升及对环保要求的日益迫切，与传统钢铁材料相比，碳纤维增强材料（CFRP）的突出性能受到工业及民用行业的高度关注，如低比重（不到钢的1/4）、高强度（钢的7.9倍左右）、高的抗拉弹性模量、热膨胀系数小、高抗疲劳性能、高耐磨性能、高耐腐蚀性能、高耐高温性能、良好的抗振吸振性能等。以汽车工业为例，碳纤维复合材料车体已成为世界各大汽车生产商首选的理想轻量化材料之一。

然而碳纤维复合材料车身构件的制造质量和性能，不仅取决于所采用的制造工艺、碳纤维及其织物的性能和形态，还强烈依赖于具体的制造工艺条件和制造过程控制。常用于碳纤维复合材料构件制造的工艺主要有树脂传递模塑成型工艺（RTM）、真空树脂浸渗工艺（VRTM）、树脂膜融浸成型（RFI）。当用于大型CFRP构件制备时，上述前两种工艺虽然属于闭模制造工艺，但模具成本高、需要大型复杂的树脂计量、注射设备，需要精细、复杂的树脂流道设计，另外为了满足树脂充分、均匀浸渍碳纤维预制型坯的要求，还需要一定的保温、保压时间，加上必要的固化周期，使大型CFRP制件成型的工艺周期加长[见专利文献1~3]。而树脂膜熔渗工艺RFI突破了对加工尺寸和预制件型式的限制,工艺过程简单、成型压力低、制造成本低,适宜制造大型板类、壳类复合材料制件,在航空和船舶航空、船舶及建筑等行业具有广泛的应用前途[见专利文献4~5]。但用RFI工艺制造大型CFRP构件时，制件的性能和成型质量，不仅取决于所用的树脂膜、碳纤维织物，还对成型、固化过程中的工艺参数具有强烈依赖性。另外，在传统的冲压生产中，一般根据材料试样的拉伸、压缩、剪切、扭转试验所确定的材料参数作为冲压产品选材、设计、性能评价的依据。（引文：树脂传递模塑装置和树脂传递模塑方法，申请号200780028033.5；RTM成型方法及装置，申请号200580005211.3；三维编织纤维增强聚合物生物复合材料骨器件制造方法，02131098.X； 一种提高复合材料翼面结构刚度的方法，201010583217.1； 车辆外装材料用叠层体及其制造方法、以及车辆外装材料，201080010904.2；）

基于以上几方面因素考虑，本发明公开了一种用于碳纤维复合材料浸渗、成型、固化一体化制造、试验装置及试验方法，旨在为用RFI工艺制造的大型CFRP构件的性能评价提供所需的拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转试样，为研究适用于大型CFRP构件制造的优化工艺方案及制件质量控制措施提供必要的支持。适用于汽车、航空、船舶、风机等大型碳纤维增强复合材料构件的制造。

发明内容

本发明的目的是提供一种RFI工艺成型的CFRP复合材料试样制造、试验装置及试验方法，观察树脂在碳纤维增强织物中的浸渗行为，研究浸润态碳纤维复合材料冲裁时的剪切断裂行为及冲裁工艺条件对断面质量的影响；制备基于RFI工艺的碳纤维复合材料拉伸、弯曲、剪切、扭转试样以测定其力学性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：所提供的一种RFI成型CFRP复合材料试样制备及工艺试验装置由模具、真空泵和温控仪组成，模具由模架、上模部分、下模部分构成。主要包括：导柱、导套、冲裁凸模、模柄、上模座板、凸模固定板、连接螺钉、弹簧、隔热垫、复合材料片、电阻加热丝、凹模、压板、真空泵、热电偶、温控仪、螺杆、间隙调节楔、凹模固定板、下模座板等。

其中，上模座板与下模座板通过导柱、导套导向构成模架，上模座板中间设有台阶孔，台阶孔中安装模柄，上模座板两侧设有通孔，通孔中安装导套，导套中分别安装导柱；通过模柄将上模部分与冲床连接，通过下模座板将下模部分固定在机床工作台上。上模部分由上模座板、凸模固定板、冲裁凸模、连接螺钉、弹簧、热电偶、压板、隔热垫A组成。其中，凸模固定板中间开有沉孔，沉孔中安置冲裁凸模的凸缘台阶；压板上开有抽真空吸气孔，真空管通过吸气孔连接复合材料片和真空泵，对复合片材抽真空；压板左右两边开设两组沉孔，用于安置弹簧，连接螺钉穿过凸模固定板上的沉孔、弹簧和压板上的沉孔将凸模固定板与压板弹性连接；在压板上另外还布置有两组沉孔，沉孔中布置热电偶，热电偶通过导线连接到温控仪上组成温度控制系统；压板下设置有隔热垫A，以减少热量散失。

下模部分由复合材料片、凹模、电阻加热丝、隔热垫B、凹模固定板、下模座板、间隙调节楔、螺杆、弹簧、连接螺钉组成。其中，凹模上面放置复合材料片，下面开设凹槽，凹槽中预埋均匀对称分布的电阻加热丝；凹模固定板上铺设隔热垫B，以减少热量散失；凹模固定板下部开有沉孔，连接螺钉穿过凹模固定板、隔热垫B与凹模相连接固定；凹模固定板两部分之间设有间隙调节楔，凹模固定板上设置与间隙调节楔相互配合接触的斜面，间隙调节楔由螺杆连接，通过旋转螺杆，可使间隙调节楔沿螺杆相向或者背向移动，在弹簧及间隙调节楔的双重作用下，凹模两部分会沿垂直螺杆方向等量背向或相向移动，以微调冲裁间隙。

本发明的试验方法，具体步骤如下：

A）将增强碳纤维织物和基体树脂膜交替铺放至所需厚度，预制成碳纤维复合材料片；

B）在凹模模面上先铺放B100 Airtech脱模布，然后将预制成的碳纤维复合材料片放在凹模上，再依次铺放Airtech多孔膜、吸胶毡及真空袋膜，用胶带密封；

C）上模下行合模，在模压同时开启凹模加热元件，待各热电偶达到基体树脂膜融熔温度后，保温一段时间，同时用真空泵通过压板上的吸气孔抽真空，使基体树脂在负压和模压的共同作用下充分浸润增强碳纤维织物；

D）上模继续下行，冲裁凸模与凹模刃口形成剪切冲裁作用，将碳纤维复合材料片切断；

E）上调温控仪上限至基体树脂固化温度，使电阻加热丝继续加热凹模，对经冲裁后的碳纤维复合材料片进行模内加热固化；

F）关闭加热元件，上模上行，待制件冷却后取件；

G）旋转螺杆，使间隙调节楔沿螺杆相向或背向等量移动，在弹簧及调节楔的双重作用下，冲裁凹模两部分可在垂直于螺杆方向背向或相向等量移动，以调节冲裁间隙，考察冲裁间隙大小对剪切断裂行为及冲裁断面质量的影响。

本发明的有益效果是：（1）可为用RFI工艺制造的大型CFRP构件的性能评价提供所需的拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转试样；（2）可用于碳纤维复合材料构件成型制造工艺、剪切断裂行为、成型及断面质量缺陷的研究，为进行碳纤维复合材料构件的制造质量控制和制造工艺方案优选提供有效手段；（3）所采用的加热元件（即电阻加热丝）均匀对称分布，且使用多个热电偶分区域单独控温，使复合材料片受热更均匀，控温更准确；（4）带有间隙调节机构，通过旋转螺杆，可方便的调节冲裁间隙的大小；（5）在万能材料试验机或冲压机上通过使用可加热、温控模具，配以真空泵即可实现，所需设备投资小，使用方便。

附图说明

图1 为一种RFI成型CFRP复合材料试样制备及工艺试验装置总体结构图。

图2 为压板结构示意图。

图3 为复合材料片构成示意图。

图4 为凹模结构及电阻加热丝排布示意图。

图5 为间隙调节机构结构示意图。

图6 为图5的俯视图。

图中：1、导柱A，2、导套A，3、上模座板，4、模柄，5、冲裁凸模，6、凸模固定板，7、导柱B，8、导套B，9、温控仪，10、连接螺钉B，11、弹簧B，12、吸气孔B，13、热电偶B，14、复合材料片，15、真空泵，16、电阻加热丝，17、弹簧D，18、连接螺钉D，19、间隙调节楔，20、螺杆，21、凹模固定板，22、连接螺钉C，23、下模座板，24、弹簧C，25、隔热垫B，26、凹模，27、隔热垫A，28、热电偶A，29、压板，30、吸气孔A，31、弹簧A，32、连接螺钉A，33、沉孔A，34、沉孔B，35、沉孔C，36沉孔D，37、真空袋膜，38碳纤维织物，39基体树脂膜，40、凹模刃口，41、凹槽，42、沉孔E，43、盲孔A，44、盲孔B，45、盲孔C，46盲孔D。

具体实施方式

下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明的技术方案进行详细说明。

本实施例中所涉及的一种RFI成型CFRP复合材料试样制备及工艺试验装置的总体结构如图1所示，由模架、上模部分、下模部分、真空泵、温控仪组成，其中上模座板3与下模座板23通过导柱A1、导套A2和导柱B7、导套B8导向，构成基本模架，通过模柄4将上模部分与冲床相连接，通过下模座板23将下模部分固定在机床工作台上。

上模部分由上模座板3、凸模固定板6、冲裁凸模5、连接螺钉A32和连接螺钉B10、弹簧A31和弹簧B11、热电偶A28、热电偶B13、压板29、隔热垫A27组成。其中，凸模固定板6中间设有沉孔，沉孔中安置冲裁凸模5的凸缘台阶；压板29上开有抽真空吸气孔A30和吸气孔B12，真空管通过吸气孔连接复合材料片14和真空泵15，对复合材料片14抽真空；压板29上开设沉孔C35和沉孔D36，如图2所示，沉孔C35和沉孔D36中分别安置弹簧A31和弹簧B11，连接螺钉A32和连接螺钉B10穿过凸模固定板6左右两边的沉孔、弹簧A31和弹簧B11、沉孔C35和沉孔D36将凸模固定板6与压板29弹性连接；在压板29上另外还分布有如图2所示的沉孔A33和沉孔B34，沉孔内布置WREK2-292型热电偶，热电偶通过导线连接到温控仪9上组成温度控制系统；压板29下表面覆有隔热垫A27，以减少热量散失。

下模部分由复合材料片14、凹模26、电阻加热丝16、隔热垫B25、凹模固定板21、下模座板23、间隙调节楔19、螺杆20、弹簧C24、弹簧D17、连接螺钉C22、连接螺钉D18组成。其中，凹模26上放置复合材料片14，下部开设凹槽41，凹槽41中预埋电阻加热丝16，电阻加热丝16的排布形状如图4所示；凹模固定板21上铺设隔热垫B25，以隔断热量散失；凹模固定板21下部开有沉孔E42，连接螺钉C22和连接螺钉D18穿过凹模固定板21、隔热垫B25，连接在凹模26上；凹模固定板21两部分之间设有间隙调节楔19，如图5所示，凹模固定板21上开有与间隙调节楔19接触配合的斜面，间隙调节楔19由螺杆20连接，通过旋转螺杆20，可使间隙调节楔19沿螺杆20相向或者背向移动，在弹簧C24、弹簧D17及间隙调节楔19的作用下，通过旋动螺杆20可使凹模26两部分沿垂直于螺杆方向背向或者相向等量移动，以微调冲裁间隙。

使用上述一种RFI成型CFRP复合材料试样制备及试验装置，具体步骤如下：

（1）将增强碳纤维织物（东丽3K碳纤维斜纹布）和基体树脂膜（热固性环氧树脂膜5228A）交替铺放至所需厚度，预制成碳纤维复合材料片。

（2）在凹模模面上先铺放B100 Airtech脱模布，然后将预制成的碳纤维复合材料片放在凹模上，再依次铺放Airtech多孔膜、吸胶毡及真空袋膜，用胶带密封。

（3）上模下行合模，在模压同时开启凹模加热元件，待各热电偶达到基体树脂膜融熔温度后，保温一段时间，同时用真空泵通过压板上的吸气孔抽真空，使基体树脂在负压和模压的共同作用下充分浸润增强碳纤维织物。

（4）上模继续下行，冲裁凸模与凹模刃口形成剪切冲裁作用，将碳纤维复合材料片切断。

（5）上调温控仪上限至基体树脂固化温度，使电阻加热丝继续加热凹模，对经冲裁后的碳纤维复合材料片进行模内加热固化。

（6）关闭加热元件，上模上行，待制件冷却后取件。

（7）旋转螺杆，使间隙调节楔沿螺杆相向或背向等量移动，在弹簧及调节楔的双重作用下，冲裁凹模两部分可在垂直于螺杆方向背向或相向等量移动，以调节冲裁间隙，考察冲裁间隙大小对剪切断裂行为及冲裁断面质量的影响。

实现功能：本发明所提供的一种RFI成型CFRP复合材料浸渗、成型、固化一体化制造、试验装置及试验方法，1）实现了RFI工艺制备碳纤维复合材料拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转试样；2）为进行碳纤维复合材料构件的制造质量控制和制造工艺方案优选提供有效手段；3）在万能材料试验机或冲压机上通过使用可加热、温控模具，配以真空泵即可实现，所需设备投资小，使用方便。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，很显然本发明的具体实现，尤其是冲裁凸、凹模的形状结构、所适用的纤维增强片材和基体树脂种类等并不受上述方式限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种碳纤维复合材料一体化制造、试验装置，其特征在于，由模具、真空泵和温控仪组成，所述模具由上模部分和下模部分构成；

所述上模部分由上模座板（3）、凸模固定板（6）、冲裁凸模（5）、连接螺钉A（32）和连接螺钉B（10）、弹簧A（31）和弹簧B（11）、热电偶A（28）、热电偶B（13）、压板（29）、隔热垫A（27）组成；上模座板（3）中间设有台阶孔，台阶孔中安装模柄（4），上模座板（3）两侧设有通孔，通孔中安装导套，导套中分别安装导柱（7）；凸模固定板（6）中间设有沉孔，沉孔中安置冲裁凸模（5）的凸缘台阶；压板（29）中部开有抽真空吸气孔A（30）和吸气孔B（12），吸气孔A（30）和吸气孔B（12）通过真空管连接到真空泵（15）上，对复合材料片（14）抽真空；压板（29）左右两边分别开设两组沉孔，分别用于安置弹簧A（31）和弹簧B（11），连接螺钉A（32）和连接螺钉B（10）穿过凸模固定板（6）左右两边的沉孔、弹簧A（31）和弹簧B（11）、以及压板（29）左右两边的沉孔将凸模固定板（6）与压板（29）弹性连接；在压板（29）上还另外布置有两组沉孔，分别用于安置热电偶A（28）和热电偶B（13），热电偶通过导线连接到温控仪（9）上；压板（29）下设置有隔热垫A（27）。

2.下模部分由复合材料片（14）、凹模（26）、电阻加热丝（16）、隔热垫B（25）、凹模固定板(21)、下模座板(23)、连接螺钉C(22)、连接螺钉D(18)组成；凹模(26)上面放置复合材料片(14)，凹模（26）下表面开有凹槽，凹槽内预埋均匀、对称分布的电阻加热丝（16）；凹模固定板（21）上铺设隔热垫B（25）；凹模固定板（21）下部开有沉孔，安置连接螺钉C（22）和连接螺钉D（18），连接螺钉C（22）和连接螺钉D（18）穿过凹模固定板（21）、隔热垫B（25）、电阻加热丝（16）和凹模（26）将凹模固定板（21）、隔热垫B（25）、电阻加热丝（16）和凹模（26）连接在一起；下模座板（23）上部、凹模固定板（21）两部分之间设有冲裁间隙调整机构。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料一体化制造、试验装置，其特征在于，所述间隙调整机构包括间隙调节楔（19）、螺杆（20）、弹簧C（24）和弹簧D（17）；下模座板（23）左右两边设有凸起，凸起上开有盲孔，与之相对的凹模固定板（21）上也开有盲孔，下模座板（23）与凹模固定板（21）上的盲孔之间安置弹簧C（24）和弹簧D（17），凹模固定板（21）上设有与间隙调节楔（19）相接触配合的斜面，间隙调节楔（19）由螺杆（20）连接，通过旋转螺杆（20），使间隙调节楔（19）沿螺杆（20）相向或者背向移动，使凹模（26）两部分沿垂直于螺杆方向背向或者相向等量移动，微调冲裁间隙。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料一体化制造、试验装置，其特征在于，所述电阻加热丝（16）分6个区域对凹模（26）进行分块加热，通过凹模（26）的热传导作用对复合材料片（14）进行加热；

根据权利要求1所述的碳纤维复合材料一体化制造、试验装置，其特征在于，所述凹模（26）上开有刃口，与凸模（5）端部刃口在冲裁过程中相互配合，对复合材料片（14）形成剪切冲裁作用，将其切断；凹模刃口由直边刃口和弧形刃口组成。

5.使用权利要求1所述的碳纤维复合材料一体化制造、试验装置的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：

A）将增强碳纤维织物和基体树脂膜交替铺放至所需厚度，预制成碳纤维复合材料片；

B）在凹模模面上先铺放B100 Airtech脱模布，然后将预制成的碳纤维复合材料片放在凹模上，再依次铺放Airtech多孔膜、吸胶毡及真空袋膜，用胶带密封；

C）上模下行合模，在模压同时开启凹模加热元件，待各热电偶达到基体树脂膜融熔温度后，保温一段时间，同时用真空泵通过压板上的吸气孔抽真空，使基体树脂在负压和模压的共同作用下充分浸润增强碳纤维织物；

D）上模继续下行，冲裁凸模与凹模刃口形成剪切冲裁作用，将碳纤维复合材料片切断；

E）上调温控仪上限至基体树脂固化温度，使电阻加热丝继续加热凹模，对经冲裁后的碳纤维复合材料片进行模内加热固化；

F）关闭加热元件，上模上行，待制件冷却后取件；

G）旋转螺杆，使间隙调节楔沿螺杆相向或背向等量移动，在弹簧及调节楔的双重作用下，冲裁凹模两部分可在垂直于螺杆方向背向或相向等量移动，以调节冲裁间隙，考察冲裁间隙大小对剪切断裂行为及冲裁断面质量的影响。

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