CN104136203A - 利用碳纤维制造制品的方法及利用该方法制造的制品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造复合材料制品的热压缩模塑方法，所述的方法包括步骤i)提供一个其中形成有待制造的制品(30)的负形(31、32)的模具(20)；ii)向所述的模具(20)插入一个包括一或多片包含热硬化树脂基体和碳纤维的复合材料的SMC半成品(10)，将所述的模具处于适合使所述的热硬化树脂固化的温度下进行预热；iii)合拢所述的模具(20)，并根据一个预定义的时间—压强规则在一个高压锅内进行一压缩循环；以及iv)取出所述的制品(30)，在其中，插入到所述的模具(20)中的SMC半成品(10)的量是通过称量所述的待制造的制品(30)的量的基础上计算的，计算旨在与所述的形状(31、32)的表面相接触所述的SMC半成品(10)的表面的大小，以便以介于70至99％之间的比例覆盖所述的表面，尤其是大于80％且小于或等于99％。归功于这些特性，获得基本上无表面缺陷的，并适合结构和美学应用的制造的制品是有可能的。

Description

利用碳纤维制造制品的方法及利用该方法制造的制品
技术领域
本发明涉及利用复合材料制造制品的领域，更具体地，本发明涉及一种利用包括碳纤维的复合材料制造制品的热压缩模塑方法，以及利用该方法制造的制品。
背景技术
已知的利用复合材料制造制品的方法采用热压缩模塑的技术，在其中，有规则的大量的包括由刚性材料的纤维强化的热硬化基体的材料，插入由适合赋予所述的制品一预定形状的钢或铝制作的模具中。该技术，是为由玻璃纤维强化的模塑制品而创建的，但如今也越来越多的应用到由碳纤维强化的制品中，允许获得具有低重量和优异的机械性能，以及良好的尺寸公差的部件。
热压缩模塑技术非常适合基本上无切口细节的制品的制造，通过有两个重叠部分组成的模具获得，在其中，制品的形状形成为负形且分为两部分。
在一个典型的基于碳纤维的复合材料的制品的热压缩模塑的方法中，由热硬化树脂和碳纤维组成的半成品被使用。这些采用与所述的压缩模塑方法相区分的方法制成的半成品以预浸渍的薄板的形式在工业中被大家知道，英文首字母为“SMC”(Sheet Molding Compound，片状模塑料)。
所述的SMC半成品一般包括多个重叠的预浸渍的薄片，以形成一单块。在装入所述的模具中之前，SMC半成品可以方便地经过热处理，例如通过红外线的方式，其促进在所述的模具中它的排列并允许减少热硬化树脂的固化时间。
为了控制像是在热交联阶段的尺寸收缩、表面处理、从模具中轻松地拆离以及在火中的反应的特点，所述的热硬化树脂通常充入矿物质电荷、润滑油、脱模剂、阻燃剂等类似的物质。碳酸钙、高岭土、硬脂酸盐、氧化物和钙、镁、铝的水合物是一些最常用的添加剂。
归功于轻的重量和高的机械性能，开始于SMC半成品，利用具有碳纤维的复合材料通过所述的热压缩模塑技术制成的制品在汽车行业中应用于生产结构组件，像是例如灯体支撑，挡风玻璃框架和车身部件支撑单元，已经好多年了。
尽管如此，由于它们的比较粗糙的表面处理，这些制品一般不会用于机动车辆美学单元的制造，像是，例如车身部件和乘客车厢的细节。特别是，从SMC半成品开始制作的复合材料的制品具有表面缺陷，像是，例如孔隙率和即使是肉眼可见的起伏，因此，尽管极好的机械性能，使它不适合某一应用或仅仅美学。
US4855097描述了一种通过压缩模塑制造汽车外部主体面板的方法，在其中，含有硬化树脂的填充物覆盖了介于40％至80％之间的模塑面的表面区域。根据该已知文件，高于80％的覆盖面不允许必须要提供相同的轻微运动的填充物的足够的流动。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种利用包括碳纤维的复合材料制造制品的方法，其克服了上述的缺点，和利用该方法制造的制品。所述的目的通过一种方法和一种制品实现，其主要特点在权利要求1和13中详细说明，同时，其他的特点分别地在其余的权利要求中详细说明。
本发明中的方法的思想是减少所述的SMC半成品的材料的滑动，以减少表面缺陷的形成。发明者发现表面缺陷的存在，像是孔隙率和起伏受装入所述的模具中的复合材料的流动的影响很大，这决定了成品中的不同区域碳纤维不同的取向。尤其是，在根据已知的热压缩模塑方法制造的基于碳纤维的复合材料的制品中已经观察到，有较少的表面缺陷的表面部分在所述的纤维取向与装入至所述的模具中SMC半成品基本上一致的那些制品中。
为了获得没有表面缺陷的制品，根据本发明，模具中的SMC半成品的装入是通过计算适合允许与该制品的形状相一致的完全填充的模子，和所述的模具中形成的形状的表面展开图，并且通过确保所述的半成品的表面覆盖所述的形状的表面的比例介于70％至99％之间，尤其是高于80％且小于或等于99％，而进行的。归功于这些特征，减少复合材料在模具内的滑动是可能的，因此所述的碳纤维，从而显著地减少表面缺陷的形成，特别是孔隙率和起伏。因此，根据本发明的方法制备的制品适合结构和美学的应用，例如用于机动车辆的车身部件和/或乘客车厢的涂覆单元的制造，迄今为止，通过已知的SMC制品的热压缩模塑方法，其详情未实现。
根据一个优选的实施例，本发明的方法包括一步骤，添加至少一层具有单向碳纤维的预浸渍织物，在所述的步骤中，至少一层与所述的SMC半成品的旨在与在模具中形成的制品的形状的表面接触的一或两面相接触排列。
为了促进空气和其他限制在所述的SMC半成品和一或多层叠加在它上的预浸渍织物中的挥发性物质的疏散，可以方便地在单向纤维上进行切割。这使避免气泡的形成并由此进一步提高所述的制品的表面处理成为可能。
为了不削弱所述的单向纤维的预浸渍织物的层，优选地，所述的切割相对于所述的纤维的方向倾斜，且在相同的方向上彼此偏离。进一步地，所述的切割具有预定的长度和相对距离。
作为单向碳纤维的预浸渍织物的层的一个替代方式，可以用一片由碳纤维制成的无纺布、纤维玻璃或腈纶材料，正如在以前的情况下，这可与所述的SMC半成品的旨在与在模具中形成的形状的表面接触的一或两面相接触排列。
由于它允许进一步地改善表面处理，所以一或多层预浸渍的具有单向纤维的预浸渍的织物或一或多片碳无纺布的使用是方便的，从而获得一个本质上无表面缺陷的产品。事实上，这样的层或片的表面处理特性甚至比所述的SMC半成品的这些好。
提供至少一层单向的碳纤维的预浸渍织物和至少一片碳无纺布的结合的使用也是有可能的。
本发明带来的另一个优势是所述的热压缩模塑方法与传统类型的热压缩模塑方法相比较，不需要增加成本。
附图说明
从下面的对一实施例的详细且没有限制的描述，其中包括附图，本发明所述的织物和方法的进一步的优点和特点对于本领域的技术人员是显而易见的。
图1至图3为本发明的由复合材料制成的制品的热压缩模塑方法的示意性主要步骤；以及
图4为本发明在模塑方法中压力随时间变化过程的图表。
具体实施方式
图1至图3为本发明的由复合材料制成的制品的热压缩模塑方法的示意性主要步骤。
一个包括一或多片包含热硬化树脂基体和碳纤维的复合材料的SMC半成品10插入到模具20中，在其中，待制造的制品30的形状形成为负形。正如已知的，所述的制品的形状沿着所述的模具的开口面P划分成两部分，以允许所述的SMC半成品的插入和所述的成品的取出。在所述的制品30形成的负形形状的表面由参考号码31、32表示，并且分别在所述的模具20的第一部分21和第二部分22中形成。
所述的用于所述的SMC半成品的热硬化树脂是从包括乙烯酯、酚醛、环氧、聚酯、聚酰胺、氰基酯的树脂或其组合的群组中优选的。
所述的碳是以长度介于5至200mm之间的细纤维丝的形式使用的，优选地，等于1英寸(25.4mm)。每根碳纤维丝由介于3000至24000条之间的数量的纤维的碳纤维制成，优选地，大约等于12000条纤维。碳纤维的量在所述的热硬化树脂的质量的25％至75％之间变化，并且优选地，等于质量的50％。
为了获取一制品，模具20预加热至一个合适的温度，以允许构成所述的半成品的基体的热硬化树脂的交联。在上述的热硬化树脂的情况下，该温度是，例如，介于120至150℃之间，并且优选地，等于130℃。
插入到所述的模具中的SMC半成品的量是通过称量所述的待制造的制品的量的基础上计算的。
根据本发明，除所述的SMC半成品的质量的计算外，所述的SMC半成品的旨在与在所述的模具20中形成的形状的表面31、32相接触的表面的尺寸被计算，以便以介于70至99％之间的比例覆盖该表面，尤其是大于80％且小于或等于99％。归功于这些特性，在所述的模具合拢期间和压缩的后续阶段的材料的滑动是极其有限的，允许基本上保持所述的SMC半成品的纤维的不变的各项同性的排列。因此，根据本发明所述的模塑方法所产生的制品30具有基本上表面处理无缺陷的特性。
在所述的覆盖面的计算中，考虑所述的形状的表面31、32的全部的展开图，包括平坦部，凸部和凹部，而不是，例如，由所述的模具的开口面P所得的前部区域。然而，它被实验证明，在覆盖面计算中，忽略具有薄的厚度的细节，例如侧壁，是可能的。
在模塑方法中，对于覆盖比例较少的即接近70％的材料，有一个比较大的变化，且对于覆盖比例最高的即接近99％的，变化基本上为零，是很清楚的。虽然实验测试已经证明最低比例的覆盖更适合具有大约2mm厚度的制品，在此，在任何情况下所述的材料的变化是有限的，同时，较高比例的覆盖更适合具有大约4mm厚度的制品，在此，在模塑方法中，反而存在所述的材料的大的变化。
根据本发明的一个优选的实施例，所述的方法可包括一步骤，添加一或多层具有单向碳纤维的预浸渍的织物，所述的SMC半成品的旨在与所述的形状的表面31、32相接触的的一或两面相接触排列，因此将形成所述的制品的外表面。
所述的被使用的预浸渍的材料，例如，包含热硬化树脂的基体，像是环氧，在其中，多根平行排列的碳纤维被浸渍。一或多个包括单向碳纤维的增加层的使用允许进一步的改善表面处理，因此获得一个基本上无表面缺陷的产品。
一或多层具有单向碳纤维的预浸渍织物的重叠也方便地允许改善所述的制品的机械性能，例如能够根据在操作中会被拉伸的负载的方向选择纤维的取向。该特性在旨在具有美学和结构应用的制品的制造中是很重要的。
在该步骤中所用到的材料可以是，例如，碳含量介于20至140g/m2之间的单向纤维的预浸渍的织物，优选地大约等于40g/m2。
为了促进空气和其他限制在所述的层中的挥发性物质的疏散，也避免气泡的形成和进一步改善所述的表面处理，在单向纤维上切割是有益的。
优选地，所述的切割相对于所述的纤维的方向倾斜和排列，以使在这样的方向上的连续的切割部分地彼此偏离，即仅包括部分的相同的纤维。
尤其是，所述的切割相对于所述的纤维的倾斜角度是介于30°至60°之间，例如45°，并且在所述的碳纤维方向上的连续的切割是具有至多50％的相同的纤维。这些特点允许消除空气和其他挥发性物质，而没有削弱单向纤维的预浸渍织物的层。
此外，一直有允许消除空气和其他挥发性物质，且不削弱单向纤维的预浸渍织物的层的目标，所述的切割具有介于1至20mm的长度，例如5mm，并且由介于5至100mm的间隔相互隔开，例如50mm。
作为单向碳纤维的预浸渍织物的一个替代方式，可以用一或多片碳无纺布、纤维玻璃或腈纶织物，正如在以前的情况下，这可以与所述的SMC半成品的旨在与前部和后部的形状相接触的一或两面相接触排列。使用的材料的碳含量可以介于40至200g/m2之间，优选地，大约等于100g/m2。
例如，图1至3中所示的一排列在所述的SMC半成品的旨在与在所述的模具20中形成的形状的表面31相接触的表面上的预浸渍织物的一单层40。
在所述的SMC半成品的旨在与所述的形状的前部或后部相接触的的一或两面，提供至少一层具有单向碳纤维的预浸渍织物和至少一片碳无纺布、纤维玻璃或腈纶织物的结合使用是有可能的。在这种情况下，归功于改善了的美学特性，优选地，无纺布的层与所述的形状的表面31、32相接触排列，因此将构成了该制品的外表面。
所述的SMC半成品10装入到所述的模具20中是处于大气压强和需要介于10至60秒之间的时间下进行的。所述的模具20，在介于120至150℃的温度下预热，然后根据预定的时间-压力规则，在高压锅中通过开始循环压缩合拢。
参照图4的图表，例如，根据线性规则，在一个大约30秒的时间内，压强增加至一个介于15至25巴之间的值，优选地，大约等于18巴。该压力条件保持一段介于大约10至20秒之间的时间，例如15秒，其后，所述的压力迅速地增加到一个介于70至90巴之间的值，例如80巴。在该情况下，压力的增加也可以符合线性规则。
然后，所述的制品保持在该压强和温度条件下大约300秒，其后，所述的压强减少至环境值，开启所述的模具20，并且取出所述的制品30，在适合防止变形的特殊的模子中冷却，且最后接受表面处理，像是，例如去除模塑的毛刺。
本发明的在此描述和说明的实施例仅仅是易于作出许多变形的示例。例如，总是具有减少所述的碳纤维的位移的目标，并且更一般地，材料在模具内的流动，在具有相同比例覆盖面的极其不对称的零件的制造中，根据该待制造制品的平面形状，提供一SMC半成品模塑的步骤是可能的。

Claims (15)

1.一种用于制造复合材料制品的热压缩模塑方法，所述的方法包括以下步骤：
i)提供一个其中形成有待制造的制品(30)的负形(31、32)的模具(20)；
ii)向所述的模具(20)插入一个包括一或多片包含热硬化树脂基体和碳纤维的复合材料的SMC半成品(10)，将所述的模具处于适合使所述的热硬化树脂固化的温度下进行预热；
iii)合拢所述的模具(20)，并根据一个预定义的时间—压强规则在一个高压锅内进行一压缩循环；以及
iv)取出所述的制品(30)，
在其中，插入到所述的模具(20)中的SMC半成品的量是通过称量所述的待制造的制品(30)的量的基础上计算的，其特征在于，计算旨在与所述的形状(31、32)的表面相接触的所述的SMC半成品(10)的表面的大小，以便以介于70至99％之间的比例覆盖所述的表面，尤其是大于80％且小于或等于99％。
2.根据权利要求1所述的模塑方法，其特征在于，在所述的覆盖面的计算中，考虑所述的形状(31、32)的表面的全部展开图。
3.根据权利要求1或2所述的模塑方法，其特征在于，所述的构成该SMC半成品的热硬化树脂是从包括乙烯酯、酚醛、环氧、聚酯、聚酰胺、氰基酯的树脂或其组合的群组中优选的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的模塑方法，其特征在于，所述的碳是以长度介于5至200mm之间的细纤维丝的形式使用的，每根细纤维丝由介于3000至24000之间的数量的碳纤维制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的模塑方法，其特征在于，所述的碳纤维的量在所述的热硬化树脂的质量的25％至75％之间变化。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的模塑方法，其特征在于，进一步地包括一步骤，其中添加一或多层具有单向碳纤维的预浸渍的织物和/或一或多片碳无纺布，所述的层和/或片与所述的SMC半成品(10)的旨在和该模具(20)中所述的形状的表面(31、32)相接触的的一个或两个面相接触排列。
7.根据权利要求6所述的模塑方法，其特征在于，所述的预浸渍材料包括热硬化树脂基体，在其中，大多数的彼此相互平行排列的碳纤维被浸渍。
8.根据权利要求7所述的模塑方法，其特征在于，所述的预浸渍的织物具有介于20至140g/m2之间的碳含量。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的模塑方法，其特征在于，所述的无纺布具有介于40至200g/m2之间的碳含量。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的模塑方法，其特征在于，进一步地包括一对所述的具有单向碳纤维的预浸渍的织物的一个或多个层进行切割的步骤。
11.根据权利要求10所述的模塑方法，其特征在于，所述的切割相对于所述的碳纤维的方向倾斜一个介于30°至60°之间的角度，并且在于，随后的沿所述的碳纤维的方向的切割是部分地错位排列的，以共享所述的纤维的至多50％。
12.根据权利要求10或11所述的模塑方法，其特征在于，所述的切割具有介于1至20mm之间的长度，且它们的相对距离介于5至10mm之间。
13.一种由聚合材料制成的制品，其特征在于，所述的制品是通过权利要求1至12中任一项所述的方法制造的。
14.一种机动车辆主体单元，其特征在于，所述的主体单元是通过权利要求1至12中任一项所述的方法制造的。
15.一种用于机动车辆乘客车厢的覆盖单元，其特征在于，所述的覆盖单元是通过权利要求1至12中任一项的方法制造的。
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