CN105034410A - 碳纤维复合材料真空模压成型装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料真空模压成型装置，为克服碳纤维复合材料成型试件性能不足的问题，其包括上部机构、下部机构、抽真空装置、温度控制装置、压力控制装置与数控操作台。上部机构通过上导热板安装在下部机构中导柱的顶端；压力控制装置的上贴片式压力传感器胶粘在上导热板的底面上，与数控操作台线连接，下贴片式压力传感器胶粘在下导热板上，与数控操作台线连接；温度控制装置的上温度传感器胶粘在上部机构的上凸模的两侧，与数字控制台线连接，下温度传感器胶粘在下凹模上表面的两侧，与数字控制台线连接；抽真空装置安装在下部机构左侧的真空模压装置底座上，抽真空装置的单向阀安装在下凹模上；数控操作台安装在下部机构的右侧。

Description

碳纤维复合材料真空模压成型装置

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料成型装置，更确切地说，本发明涉及一种碳纤维复合材料真空模压成型装置。

背景技术

汽车轻量化技术是汽车发展中的热门研究课题，采用新型复合材料代替传统的金属材料是汽车轻量化的重要途径。碳纤维复合材料具有高强度、高模量、高比强度、高比模量的力学特性，使得碳纤维复合材料可以在不降低汽车整体力学性能的前提下实现汽车轻量化。车用碳纤维复合材料已经取得了显著进展，目前在汽车领域生产碳纤维复合材料结构件通常使用模压成型、树脂传递模塑成型、注塑成型，其中模压成型为适合生产高性能、大批量、相对低成本的碳纤维复合材料车身构件的成型方法。高性能的碳纤维复合材料制品尤其在航天和军工领域中主要采用真空环境制造，成本很高，不适合批量化生产车身机构件，现有的模压成型装置不具备真空模压条件。在模压成型过程中，环氧树脂会发生固化反应，环氧树脂固化反应过程直接影响成型后碳纤维复合材料的自身性能。环氧树脂及其固化剂在模压成型阶段要经历凝胶阶段、硬化阶段、固化阶段，三个阶段通常发生在不同温度，温度控制在模压成型过程至关重要，同时在凝胶完成加压过程中可能导致模具腔内有空气残留导致碳纤维复合材料孔隙率过大，致使其力学性能下降。使用模压成型制备碳纤维复合材料，需要将已经处理好的预浸布装入模具中，按照设计好的形状、层数和角度进行铺设，然后将模具升温到90～110℃(根据所选用的树脂及固化剂而定)进行凝胶，当凝胶一段时间后闭合模具施加0.5～30MPa(根据所选用的树脂及固化剂而定)的压力，模具闭合后立即升温到已选树脂的固化温度，达到固化温度需要保持一段时间(根据所选用的树脂及固化剂而定)，当固化完全后需要将模具降至60℃以下方可进行脱模。碳纤维复合材料模压工艺流程图如图1所示。而现有的工艺流程存在的几个问题为：

1.现有的碳纤维复合材料模压成型工艺中不具备真空模压工艺，使成型后的试件孔隙率难以控制，导致试件的性能参差不齐。现有的各种的真空成型工艺在航天和军工中使用，制得的试件拉伸强度可达1500MPa以上。

2.在凝胶阶段，上下模温度不均匀，容易导致合模过程中试件上下表面出现温度差，由于碳纤维复合材料试件是层合结构，层与层之间的温度差异会导致试件翘曲或褶皱。

3.在合模阶段没有严格的压力控制装置，很容易导致碳纤维复合材料试件出现气泡过多、表面粗糙、分层、结构松散等问题。同时对于加压速度也没有控制，在合模过程中，上模下行要快，但在与碳纤维复合材料接触时其速度要放慢。

4.在模压过程中升温速率过快，在制备试件中易造成内外固化不均匀而产生内应力，影响试件强度。升温过慢又影响生产效率。

5.树脂的固化反应通常会放出或者吸收一定的热量，成型温度的不稳定会降低碳纤维试件的力学性能。

6.固化反应结束后，模具需要在一定压力下迅速降温至60℃以下才能脱模，自然不能满足批量生产要求，需要添加冷却装置。

因此，需要在现有碳纤维复合材料模压成型工艺流程中，增设新的装置，保证模压成型过程中的试件孔隙率、凝胶温度、加压速度、压力控制范围、升温速率、固化反应温度以及模具的冷却速度控制在最佳范围内，进而提高碳纤维复合材料模压成型试件的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的碳纤维复合材料模压成型中缺少真空模压工艺以及真空模压装置所导致试件性能不足的问题，提供了一种碳纤维复合材料真空模压成型装置。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置包括上部机构、下部机构、抽真空装置、温度控制装置、压力控制装置与数控操作台。

下部机构通过真空模压装置底座安装在地基上，上部机构通过上导热板安装在下部机构中的4个结构相同的导柱的顶端为焊接连接；压力控制装置中的上贴片式压力传感器胶粘在上导热板的底面上，并通过外接导线与数控操作台连接，压力控制装置中的下贴片式压力传感器胶粘在下导热板上，并通过外接导线与数控操作台连接；温度控制装置中的上温度传感器胶粘在上部机构中的上凸模中固定平板底面的两侧，并通过外接导线与数字控制台连接，温度控制装置中的下温度传感器胶粘在下凹模上表面的两侧，并通过外接导线与数字控制台连接；抽真空装置安装在下部机构左侧的真空模压装置底座上，抽真空装置中的单向阀安装在下部机构中的下凹模上为密封连接；数控操作台安装在下部机构右侧的真空模压装置底座上。

技术方案中所述的上导热板为长方体构件，在上导热板的底面上并和底面垂直地均匀地设置有四个用于连接上凸模的螺纹孔，在上导热板距其底面60～100mm的中部设置有上下两排相互平行的20～30个结构相同的水平的上冷却水道，上冷却水道的直径为18～22mm，上冷却水道采用圆形孔道，同时两层交错分布，每层相邻两个上冷却水道的中心距为60～100mm，上、下层的上冷却水道在垂直方向的中心距为50～100mm；上导热板选择铝合金材质。

技术方案中所述的上凸模还包括凸模；固定平板是长方体形板式结构件，固定平板的四角处设置有结构相同的安装螺栓的螺栓通孔，固定平板上的四个结构相同的螺栓通孔与导热板上的四个用于连接上凸模的螺纹孔对正，固定平板的四个结构相同的螺栓通孔的里侧均匀设置有结构相同的用于安装凸模的螺纹孔；固定平板与上导热板采用螺栓固定连接，凸模与固定平板采用螺栓固定连接。

技术方案中所述的下部机构还包括有伸缩油缸；真空模压装置底座是长方形板式结构件，采用铸铁材料制成。下导热板通过四角处的竖直通孔套装在4个结构相同的导柱上为滑动连接，4个结构相同的导柱底端焊接固定在真空模压装置底座上；伸缩油缸的活塞杆伸出端与下导热的板底面焊接连接，伸缩油缸的底端与真空模压装置底座的上表面焊接连接。

技术方案中所述的下导热板在距其顶端面60～100mm的中部设置有上下两排相互平行的20～30个下冷却水道，下冷却水道的直径为18～22mm，下冷却水道采用圆形孔道，同时两层交错分布，每层相邻两个下冷却水道的中心距为60～100mm，上、下层下冷却水道在垂直方向中心距为50～100mm；下导热板的四角处设置有四个结构相同的用于安装四个结构相同的导柱的竖直通孔，下导热板的材质选择铝合金。

技术方案中所述的下凹模型腔的结构形状与上凸模的形状完全一致，下凹模的矩形凹槽四壁的中心处皆设置有长60mm、宽15mm与高25mm的长方形的废液储存孔，4个结构相同的长方形的废液储存孔的底孔壁和矩形凹槽的槽底共面，在下凹模左槽壁中心处设置一个直径为10mm的通孔即和左槽壁上的废液储存孔连通的用于安装单向阀的通孔，通孔的回转中心线距下凹模中心处矩形凹槽底面的平行距离为20mm。

技术方案中所述的抽真空装置还包括真空泵与橡胶管。所述的真空泵选用型号为2RH010C的双级旋片式真空泵，橡胶管内径为10mm，外径为12mm；单向阀采用CD系列卡套式单向阀，单向阀全长55～65mm，单向阀的进口端及出口端的内径为8mm，外径为10mm，单向阀装入下凹模左槽壁上的通孔中，橡胶管的下端与真空泵连接，橡胶管的上端与单向阀的左端连接。

技术方案中所述的温度控制装置包括4～8个结构相同的上温度传感器与4～8个结构相同的下温度传感器；上温度传感器与下温度传感器选用型号为JCJ100TTP的贴片式温度传感器。

技术方案中所述的压力控制装置包括6～8个结构相同的上贴片式压力传感器与6～8个结构相同的下贴片式压力传感器；下贴片式压力传感器与上贴片式压力传感器选用EPL系列贴片式动态压力传感器。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置所解决的技术问题是克服现有生产过程中，碳纤维复合材料由于缺少真空成型环境以及在模压成型过程中凝胶温度、加压速度、压力控制范围、升温速率、固化反应温度、模具的冷却速度不足导致试件强度不足的问题，提供一种可以控制成型温度、成型压力、加压速度以及冷却速率的碳纤维复合材料真空模压成型装置，制得高性能、低孔隙率的碳纤维复合材料试件。

2.与现有的碳纤维复合材料模压成型生产工艺相比，本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置还具有：

1)本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置可有效改善成型后试件的机械性能，拉伸强度达到1200MPa以上；

在现有的碳纤维复合材料模压成型工艺流程中，当模压机开模加热时，碳纤维复合材料表面存在温度差异，在凝胶的18～22min左右时间导致下表面的树脂流动性差，在合模的过程中树脂流出量变小，本发明通过在模具半合模的状态下凝胶，这样可以缩短凝胶时间同时还可以保证上下表面温度一致，半合模状态凝胶在碳纤维复合材料的上表面形成一定空间，外连接一个真空泵，这样形成了一个类似于真空烘箱的结构，通过抽真空形成的一定的压力在增加碳纤维复合材料试件下表面和模具粘合力的同时，也可以将试件内部的孔隙率基本降为零，在真空状态下合模由于树脂中不含有气泡导致试件表面光洁度明显增加。改进后的碳纤维复合材料工艺流程如图2所示。

2)本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置可以有效的降低了碳纤维模压成型试件孔隙率，提高了模压件的力学性能；

孔隙率为碳纤维复合材料中夹杂空气、气体或空腔的总和体积所占的体积百分比，是碳纤维复合材料质量的重要控制参数之一。在模压工艺参数中要求碳纤维复合材料试件孔隙率小于2％，但是由于条件限制每个试件的孔隙率的多少不能控制，在航空行业碳纤维复合材料精密加工都是在真空下完成，但是制造成本相当昂贵，不适合大批量生产。本发明借用了模压成型工艺简单、成本低的特点，又考虑到真空成型孔隙率低的优势，设计一个简易的抽真空装置，该装置相比于以前的全真空成型大大节省了成型成本，但是却降低了碳纤维复合材料模压成型的孔隙率，合模过程中由于有真空型腔可以充分保证碳纤维复合材料试件表面的光洁度，表面不会出现树脂不均匀或者气泡沙眼的情况。

3)本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置降低了树脂凝胶阶段的上下表面的温度差，提高了层间的力学性能。

凝胶时间是树脂的反应开始到结束时的这一段，它是利用预浸布来制层合板这个过程的一个非常主要的参数，凝胶时间的长短最主要取决于凝胶温度的高低，本发明采用酚醛环氧系树脂，其凝胶温度在80～100℃，凝胶温度直接影响凝胶时间，如图3所示，随着温度的升高凝胶时间明显下降，当达到一定凝胶时间恒定。如果测定的凝胶时间过小，则机器给压就会提前，导致模具槽里胶液被挤出，这样就会使预浸布中碳纤维布和树脂胶液的比例失衡，制备出的碳纤维复合材料树脂偏少，胶液和纤维之间作用不够，最终会导致其的力学性能不佳。而凝胶时间测定的过长，则机器给压就会滞后，导致模具槽里的树脂胶液己经发生了固化交联反应，其中一部分已经固化，其它部分尚未固化，而内在的固化交联反应还在进行，这样就会发生永久性的欠固化，也就是自由基聚合未完全，影响层间的力学性能。本发明通过增加了温度控制装置协调了模具上下表面的温度，保证凝胶时间内凝胶温度恒定，保证了加压时树脂的性能，提高了碳纤维复合材料的层间性能。

4)本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置增加了压力控制装置，控制成型压力和合模速度，合理的搭配抽真空装置，提高碳纤维复合材料试件的机械性能。

本发明采用三速制加压，高速推进速度为1000mm/min，中速推进速度为500mm/min，慢速闭合时，速度为200-250mm/min。通过采用三速制，不仅满足了下行快、合模慢的基本要求，同时还满足模具半合模。本发明加入了抽真空装置，在抽真空的过程中，型腔中会产生一定的压力，是否还是需要继续加压需要压力控制装置根据不同的树脂体系进行严格控制，施加过大的压力还导致树大量树脂被挤出，使碳纤维复合材料试件力学性能降低或者直接导致试件不能固化，直接分层。本发明压力控制装置，控制合模时碳纤维复合材料的上下表面压力值，保持适当的成型压力克服了物料中挥发物产生的蒸气压，避免制品产生气泡、分层、结构松散等缺陷，同时在加压过程中增加了物料的流动性，便于物料充满模具型腔的各个角落，使制品结构密实，机械性能提高。

5)本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置控制固化反应温度以及装置的升温速率，消除了固化反应放出的热量致使试件产生热应力，保证了反应保持一定时间的恒温状态，进而提高了试件的力学性能。

本发明选用的是中温固化系统，机器温度设置一般都低于150℃，与室温的温差超过100℃。目前的模压机器在升温时有升温惯性，显示温度与实际温度有误差，导致树脂胶液内产生热应力，这样不仅影响复合材料的表面光滑程度，更重要的是能够使碳纤维复合材料的强度受损。本发明选择的树脂体系的固化交联反应的基本机理如图4所示，自由基与碳碳双健发生自由基加成反应，该反应是个放热反应。树脂固化反应过程中放出大量热使材料内部产生比较大的热应力，使固化物出现翘曲、分层，严重影响了碳纤维复合材料试件的力学性能。此外在固化过程中升温和降温的过快都会对其的力学性能产生非常大的影响。本发明通过温度控制装置使模具的升温速率恒定在30℃/h，当固化反应开始放热时，降低模具温度使模具温度恒定，避免固化物出现热应力，保证碳纤维复合材料的力学性能。

6)本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置降低了模压模具的温度，缩短了其工作温度循环，减缓了模具表面的磨损及变形，提高了模具的使用寿命。

在现有的碳纤维复合材料模压工艺流程中，试件温度较高，导致模具所要吸收热量较多，模具温度升高显著，而温度升高会加剧模具表面涂层的磨损及模具表面变形，大大降低模具的寿命。而增设本发明所述的碳纤维复合材料模压成型温度控制装置的改进工艺流程中，脱模阶段大大减缓了模具冷却时间，降低了残余应力的产生，同时提高工作效率。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为现有技术碳纤维复合材料模压成型方法的流程框图；

图2为改进后的碳纤维复合材料模压成型方法的流程框图；

图3为酚醛环氧系树脂的凝胶曲线；

图4为酚醛环氧系树脂自由基加成反应的基本反应机理；

图5为本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置上部机构结构组成的主视图；

图6为本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置下部机构结构组成的主视图；

图7为下凹模俯视图上沿通孔水平中心面的全剖视图；

图8为本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置中抽真空机构的主视图；

图9为本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置中上贴片式压力传感器在上导热板分布位置的仰视图；

图10为本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置中下贴片式压力传感器在下导热板上分布位置的俯视图；

图11为本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置的温度控制装置中上温度传感器在上凸模上分布位置的仰视图；

图12为本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置的温度控制装置中下温度传感器在下凹模上分布位置的俯视图；

图13为本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置结构组成的主视图；

图中：1.上导热板，2.上冷却水道，3.上凸模，4.导柱，5.下冷却水道，6.数控操作台，7.真空模压装置底座，8.真空泵，9.伸缩油缸，10.橡胶管，11.下导热板，12.下贴片式压力传感器，13.单向阀，14.下凹模，15.下温度传感器,16废液储存孔，17.上温度传感器，18上贴片式压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置包括上部机构、下部机构、抽真空装置、温度控制装置、压力控制装置与数控操作台6。

下部机构通过真空模压装置底座7安装在地基上，上部机构通过上导热板1安装在下部机构中的4个结构相同的导柱4的顶端为焊接连接；压力控制装置中的上贴片式压力传感器18均匀胶粘在上导热板1的底面上，并通过外接导线与数控操作台6连接，压力控制装置中的下贴片式压力传感器12均匀胶粘在下导热板11上，并通过外接导线与数控操作台6连接；温度控制装置中的上温度传感器17均匀胶粘在上部机构中的上凸模3中固定平板底面的两侧，并通过外接导线与数字控制台6连接，温度控制装置中的下温度传感器15均匀胶粘在下凹模14上表面的两侧，并通过外接导线与数字控制台6连接；抽真空装置安装在下部机构左侧的真空模压装置底座7上，抽真空装置中的单向阀13与下部机构中的下凹模14密封连接；数控操作台6安装在下部机构右侧的真空模压装置底座7上。

参阅图5，本发明所述的上部机构包括有上导热板1与上凸模3。

上导热板1为长方体构件，在上导热板1的底面上并和底面垂直地均匀地设置有四个用于连接上凸模3的螺纹孔。上导热板1固定安装在4个结构相同的不锈钢实心圆柱形的导柱4的顶端，上导热板1与4个结构相同的导柱4之间为焊接固定连接。在上导热板1距其底面60～100mm的中部设置有上下两排相互平行的20～30个结构相同的水平的上冷却水道2，上冷却水道2的直径为18～22mm，为保证能够迅速调节上导热板1的底面温度，上冷却水道2采用圆形孔道以增大冷却面积，同时两层交错分布。每层相邻两个上冷却水道2的中心距为60～100mm，上下层上冷却水道2在厚度(垂直)方向中心距为50～100mm。双层上冷却水道2外接直通式冷却水道，每条水道可以自行控制开关，控制降温速度。上导热板1考虑到导热性、成本、整体设计的稳定性以及与水在反应后可生成致密的氧化膜，进而选择铝合金材质的导热板。上导热板1中应用目前市场上使用最普遍的，大多数模压装置都使用的油热内置加热器。在距上导热板1顶端面50mm分布导热油管道，管道直径为40mm，通过管道均匀分布，有利于装置的均匀升温。

参阅图5、图9与图11，上凸模3分为固定平板和凸模两部分，其中固定平板是长方体形板式结构件，固定平板的四角处设置有结构相同的安装螺栓的螺栓通孔，固定平板上的四个结构相同的螺栓通孔与导热板1上的四个用于连接上凸模3的螺纹孔对正，固定平板的四个结构相同的螺栓通孔的里侧均匀设置有四个结构相同的用于安装凸模的螺纹孔；固定平板与上导热板1采用螺栓固定连接，即上凸模3与上导热板1使用螺栓固定连接，凸模与固定平板之间采用螺栓固定连接；上导热板1的底面与上凸模3的之间均匀分布了6～8个上贴片式压力传感器18，上贴面式压力传感器18占用空间小，适合测定金属表面压力，上贴片式压力传感器18选用EPL系列贴片式动态压力传感器，该压力传感器有一定的温度补偿适合加热状态下测定金属表面压力值。在上凸模3的固定平板两侧分别均匀分布4～8个上温度传感器17，上温度传感器17选择贴片式温度传感器，贴片式温度传感器和被测物体表面接触面积大，接触紧密，所以在一些表面温度测量方面具有比较明显的优势：测温准确性高、反应速度快，体积小方便固定安装。

参阅图6，本发明所述的下部机构包括有4个结构相同的导柱4、真空模压装置底座7、伸缩油缸9、下导热板11与下凹模14。

下导热板11形状和尺寸与上导热板1基本相同，下导热板11距其顶端面60～100mm的中部设置有上下两排相互平行的20～30个下冷却水道5，下冷却水道5的直径为18～22mm。保证能够迅速调节下导热板11的顶端面温度，下冷却水道5采用圆形孔道以增大冷却面积，同时两层交错分布。每层相邻两个下冷却水道5的中心距为60～100mm，上、下层下冷却水道5在厚度(垂直)方向中心距为50～100mm。下冷却水道5同上冷却水道2一样采用双层外接直通式冷却水道，下冷却水道5的每条水道可以这自行控制开关，控制降温速度。下导热板11的四角处设置有四个结构相同的用于安装导柱4的竖直通孔，下导热板11通过四角处的竖直通孔套装在4个结构相同的导柱4上，4个结构相同的导柱4底端焊接在真空模压装置底座7上；下导热板11可以沿4个结构相同的导柱4上、下移动，其材料依然选择铝合金，4个结构相同的导柱4限制了下导热板11的转动自由度和横向平动自由度，伸缩油缸9带动下导热板11实现上下移动的自由度。伸缩油缸9的活塞杆伸出端与下导热板11底面焊接固定，伸缩油缸9的油缸底端与真空模压装置底座7上表面焊接固定，伸缩油缸9是控制合模速度的装置，通过数控操作台6控制伸缩油缸的伸缩速度，从而控制模具的合模速度。

真空模压装置底座7是长方形板式结构件，主要作用保持碳纤维复合材料真空模压成型装置整体稳定性，采用铸铁材料制成，真空模压装置底座7与4个结构相同的导柱4底端采用焊接固定连接。下导热板11与导热板1使用相同的油热内置加热器。在距下导热板11底面120mm均匀分布导热油管道，管道直径为40mm，但是下导热板11、上导热板1是独自加热，加热系统不共享。

参阅图6、图7、图10与图12，下凹模14型腔的结构形状与上凸模3的形状完全一致，实施例中的下凹模14中心处设置一个与上凸模3形状相同的矩形凹槽即型腔，下凹模14的矩形凹槽四壁的中心处皆设置有长60mm、宽15mm、高25mm的长方形盲孔即废液储存孔16，4个结构相同的长方形盲孔的底孔壁和矩形凹槽的槽底共面，真空模压成型过程中，在一定的压力作用下，碳纤维预浸料会有少量树脂挤出，4个结构相同的废液储存孔16用于存储被挤出的多余树脂，当树脂固化完成后，形成脆性透明物质，呈长方体孔的废液储存孔16比圆形孔更容易清理。在下凹模14左槽壁中心处设置一个直径为10mm的通孔即和左槽壁上的废液储存孔16连通的用于安装单向阀(13)的通孔，通孔的回转中心线距下凹模14中心处矩形凹槽底面的平行距离为20mm，通孔用于连接外设的真空泵8。

参阅图8，本发明所述的抽真空装置包括真空泵8、橡胶管10与单向阀13。

真空泵8为抽真空装置的核心结构，真空泵8主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成，其选用德国好凯德公司生产的双级旋片式真空泵，型号为2RH010C。橡胶管10连接真空泵8和单向阀13，根据真空泵8的外接尺寸设定橡胶管10内径为10mm，外径为12mm。

单向阀13全长55～65mm，单向阀13的进口端及出口端的内径为8mm，外径为10mm，单向阀13采用CD系列卡套式单向阀。单向阀13装入下凹模14左槽壁上的通孔中，装进通孔深度为30mm，单向阀13采用不锈钢，类似于家用泳圈阀，在不施加外力的情况下通孔不会通过单向阀13与外界发生空气交换，保证型腔内的真空环境；实施例中橡胶管10选用内径为10mm、外径为12mm的橡胶管。橡胶管10的下端与真空泵8连接，橡胶管10的上端与单向阀13的左端连接。

参阅图9、图10与图13，本发明所述的压力控制装置包括6～8个结构相同的上贴片式压力传感器18与6～8个结构相同的下贴片式压力传感器12。

下贴片式压力传感器12与上贴片式压力传感器18选用相同型号的压力传感器即选用EPL系列贴片式动态压力传感器。6～8个下贴片式压力传感器12均匀分布在下导热板11的上表面与下凹模14之间。6～8个上贴片式压力传感器18均匀分布在上导热板1的底面与上凸模3之间，上贴片式压力传感器18与上导热板1采用胶粘，下压力传感器12与下导热板11采用胶粘。下贴片式压力传感器12与上贴片式压力传感器18分别通过导线连接到数控操作台6上，方便读数。

参阅11、图12与图13，本发明所述的温度控制装置包括4～8个结构相同的上温度传感器17与4～8个结构相同的下温度传感器15。

下温度传感器15与上温度传感器17选择相同型号的贴片式温度传感器即选用型号为JCJ100TTP的贴片式温度传感器,上温度传感器17均匀分布在上凸模3的固定平板的底面上，上温度传感器17与上凸模3采用胶粘的连接方式；下温度传感器15均匀分布在下凹模14的上表面上，下温度传感器15与下凹模14采用胶粘的连接方式，胶粘操作简单并且可以重复使用。上温度传感器17和下温度传感器15分别通过导线连接到数控操作台6上，方便读数。

参阅图13，真空模压装置底座7与4个结构相同的导柱4构成了一个整体的支撑框架机构并安装在地基上，即4个结构相同的导柱4的底端焊接在真空模压装置底座7上，下导热板11套装在4个结构相同的导柱4上为滑动连接；伸缩油缸9的底端焊接在4个结构相同的导柱4之间的真空模压装置底座7的中心处，伸缩油缸9的活塞杆的伸出端与下导热板11底端面焊接连接，下导热板11可沿4个结构相同的导柱4上下移动，4个结构相同的导柱4的顶端焊接固定有上导热板1，上凸模3通过螺栓连接的方式固定在上导热板1的底面上，下凹模14同样通过螺栓连接的方式固定在下导热板11上。上贴片式压力传感器18均匀胶粘在上导热板1的底面上，并通过外接导线与数控操作台6连接，下贴片式压力传感器12均匀胶粘在下导热板11上，并通过外接导线与数控操作台6连接。上温度传感器17均匀胶粘在上凸模3中固定平板底面的两侧，并通过外接导线与数字控制台6连接，下温度传感器15均匀胶粘在下凹模14的上表面的两侧，并通过外接导线与数字控制台6连接。真空泵8位于碳纤维复合材料真空模压成型装置主体的左侧，真空泵8通过橡胶管10与单向阀13和下凹模14密封连接，真空泵8和橡胶管10是可以自由移动到任何适当位置，只需保证真空泵8的底面平整，不出现整体倾斜即可。

数控操作台6采用邦普微电脑温控器，触摸式数位显示双组P.I.D，自动控制加热和冷却，微电脑自动精准控制在1℃/0.1℃；数控操作台6通过四个地脚螺栓固定在真空模压装置底座7的右侧，数字控制台6控制伸缩油缸9的升降速度，同时数控操作台6显示上导热板1的底面的压力值、下导热板11上表面的压力值、上凸模3的固定平板底面的温度值、下凹模14上表面的温度值。

本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置的工作原理。

参阅图2与13，应用本发明所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置压制400mm×400mm×2mm的碳纤维复合材料板，选用3k碳纤维为碳纤维复合材料主体，树脂基体选择酚醛环氧改性树脂。

1.操作数控操作台6将伸缩油缸9放到最低位置，便于将已制备碳纤维预浸料放入下凹模14的型腔中。碳纤维预浸料为长为400mm，宽400mm，厚度为0.24～0.26mm的碳纤维预浸布，由于试件厚度为2mm所以需要在下凹模14的型腔中一次铺放8层碳纤维预浸布。

2.操作数控操作台6使上导热板1、下导热板11同时加热，加热至凝胶温度90～100℃，调控伸缩油缸9推动下导热板11及下凹模14以1000mm/min向上移动，当下凹模14上表面接近上凸模3底面时，调整速度为500mm/min，当上凸模3进入下凹模14中22～26mm时，使伸缩油缸9制动，模具闭合二分之一，树脂进入凝胶状态。

3.保持伸缩油缸9制动，打开真空泵8开关，真空泵8通过橡胶管10与下凹模14通孔中的单向阀13将模具型腔中空气排出，使模具型腔达到真空状态，使树脂在真空状态下凝胶。真空泵8一直打开直到合模加压结束，需要15～20min。由于模具型腔内保持真空状态，与外界出现压强差会产生一定压力，上贴片式压力传感器18与下贴片式压力传感器12均会出现读数，需要记录下来，在加压的过程中减去所记的压力值。

4.树脂凝胶结束后启动伸缩油缸9，使其带动导热板11及下凹模14以200mm/min的速度向上移动，当上凸模3的下表面与碳纤维预浸料上表面接触时即开始加压，当上贴片式压力传感器18与下贴片式压力传感器都达到40MPa立刻令伸缩油缸9制动，同时关闭真空泵8。

5.重新开始加热，使模具温度升高至120℃，同时打开上冷却水道2和下冷却水道5来减慢升温速率，控制升温速率在30℃/h，观察上温度传感器17以及下温度传感器15的读数，使两者温度一致。当温度达到120℃立即停止加热，同时关闭冷却水道开关，酚醛环氧改性树脂在120℃发生自由基加成聚合反应，随着反应的进行会放出大量热量使模具的温度升高，观察上温度传感器17以及下温度传感器15，当其温度超过130℃立刻打开上冷却水道2和下冷却水道5开关，将温度降至120℃。恒定在120℃两个小时使酚醛环氧改性树脂完全固化。

6.酚醛环氧改性树脂固化完全后，打开上冷却水道2和下冷却水道5开关使模具的温度达到60℃以下，然后启动伸缩油缸9，先以500mm/min的速度使上凸模3与下凹模14分离，再以1000mm/min的速度使下导热板11与下凹模14降到最低点。

7.取出碳纤维复合材料试件，除去试件成型时在边缘部位的毛刺飞边。

Claims (9)

1.一种碳纤维复合材料真空模压成型装置包括数控操作台(6)，其特征在于，所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置还包括上部机构、下部机构、抽真空装置、温度控制装置与压力控制装置；

下部机构通过真空模压装置底座(7)安装在地基上，上部机构通过上导热板(1)安装在下部机构中的4个结构相同的导柱(4)的顶端为焊接连接；压力控制装置中的上贴片式压力传感器(18)胶粘在上导热板(1)的底面上，并通过外接导线与数控操作台(6)连接，压力控制装置中的下贴片式压力传感器(12)胶粘在下导热板(11)上，并通过外接导线与数控操作台(6)连接；温度控制装置中的上温度传感器(17)胶粘在上部机构中的上凸模(3)中固定平板底面的两侧，并通过外接导线与数字控制台(6)连接，温度控制装置中的下温度传感器(15)胶粘在下凹模(14)上表面的两侧，并通过外接导线与数字控制台(6)连接；抽真空装置安装在下部机构左侧的真空模压装置底座(7)上，抽真空装置中的单向阀(13)安装在下部机构中的下凹模(14)上为密封连接；数控操作台(6)安装在下部机构右侧的真空模压装置底座(7)上。

2.按照权利要求1所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置，其特征在于，所述的上导热板(1)为长方体构件，在上导热板(1)的底面上并和底面垂直地均匀地设置有四个用于连接上凸模(3)的螺纹孔，在上导热板(1)距其底面60～100mm的中部设置有上下两排相互平行的20～30个结构相同的水平的上冷却水道(2)，上冷却水道(2)的直径为18～22mm，上冷却水道(2)采用圆形孔道，同时两层交错分布，每层相邻两个上冷却水道(2)的中心距为60～100mm，上、下层的上冷却水道(2)在垂直方向的中心距为50～100mm；上导热板(1)选择铝合金材质。

3.按照权利要求1所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置，其特征在于，所述的上凸模(3)还包括凸模；

固定平板是长方体形板式结构件，固定平板的四角处设置有结构相同的安装螺栓的螺栓通孔，固定平板上的四个结构相同的螺栓通孔与导热板(1)上的四个用于连接上凸模(3)的螺纹孔对正，固定平板的四个结构相同的螺栓通孔的里侧均匀设置有结构相同的用于安装凸模的螺纹孔；固定平板与上导热板(1)采用螺栓固定连接，凸模与固定平板采用螺栓固定连接。

4.按照权利要求1所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置，其特征在于，所述的下部机构还包括有伸缩油缸(9)；

真空模压装置底座(7)是长方形板式结构件，采用铸铁材料制成；

下导热板(11)通过四角处的竖直通孔套装在4个结构相同的导柱(4)上为滑动连接，4个结构相同的导柱(4)底端焊接固定在真空模压装置底座(7)上；伸缩油缸(9)的活塞杆伸出端与下导热板(11)的底面焊接连接，伸缩油缸(9)的底端与真空模压装置底座(7)的上表面焊接连接。

5.按照权利要求1所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置，其特征在于，所述的下导热板(11)在距其顶端面60～100mm的中部设置有上下两排相互平行的20～30个下冷却水道(5)，下冷却水道(5)的直径为18～22mm，下冷却水道(5)采用圆形孔道，同时两层交错分布，每层相邻两个下冷却水道(5)的中心距为60～100mm，上、下层下冷却水道(5)在垂直方向中心距为50～100mm；下导热板(11)的四角处设置有四个结构相同的用于安装四个结构相同的导柱(4)的竖直通孔，下导热板(11)的材质选择铝合金。

6.按照权利要求1所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置，其特征在于，所述的下凹模(14)型腔的结构形状与上凸模(3)的形状完全一致，下凹模(14)的矩形凹槽四壁的中心处皆设置有长60mm、宽15mm与高25mm的长方形的废液储存孔(16)，4个结构相同的长方形的废液储存孔(16)的底孔壁和矩形凹槽的槽底共面，在下凹模(14)左槽壁中心处设置一个直径为10mm的通孔即和左槽壁上的废液储存孔(16)连通的用于安装单向阀(13)的通孔，通孔的回转中心线距下凹模(14)中心处矩形凹槽底面的平行距离为20mm。

7.按照权利要求1所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置，其特征在于，所述的抽真空装置还包括真空泵(8)与橡胶管(10)；

所述的真空泵(8)选用型号为2RH010C的双级旋片式真空泵，橡胶管(10)内径为10mm，外径为12mm；

单向阀(13)采用CD系列卡套式单向阀，单向阀(13)全长55～65mm，单向阀(13)的进口端及出口端的内径为8mm，外径为10mm，单向阀(13)装入下凹模(14)左槽壁上的通孔中，橡胶管(10)的下端与真空泵(8)连接，橡胶管(10)的上端与单向阀(13)的左端连接。

8.按照权利要求1所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置，其特征在于，所述的温度控制装置包括4～8个结构相同的上温度传感器(17)与4～8个结构相同的下温度传感器(15)；

上温度传感器(17)与下温度传感器(15)选用型号为JCJ100TTP的贴片式温度传感器。

9.按照权利要求1所述的碳纤维复合材料真空模压成型装置，其特征在于，所述的压力控制装置包括6～8个结构相同的上贴片式压力传感器(18)与6～8个结构相同的下贴片式压力传感器(12)；

下贴片式压力传感器(12)与上贴片式压力传感器(18)选用EPL系列贴片式动态压力传感器。