CN105346101A - 纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法及模压装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法及模压装置，属于纤维增强复合材料技术领域，为解决现有的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板孔隙率高的问题而设计。本发明公开的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法，通过超声波组件对模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理。通过超声波振动，可以促进树脂流体的流动，从而提高了熔体内部气体的排放速度，降低了层板零件的孔隙率；同时，施加超声波振动有利于纤维的均匀分布，避免了压力作用下造成的纤维相互挤压；此外，还可以降低模压压力，缩短制备时间，降低层板制件的残余应力。本发明提供的上述模压方法中所使用的模压装置结构简单、紧凑，操作方便。

Description

纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法及模压装置

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料技术领域，尤其涉及一种纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法及模压装置。

背景技术

目前，在航空、航天、汽车等领域，使用复合材料制备结构件成为装备轻量化的重要途径和发展趋势。其中纤维增强的树脂基复合材料占有相当大的比重，以民用航空为例，波音公司和空中客车公司新一代的商用飞机B787和A350XWB复合材料的用量已经超过50％。

与纤维增强热固性复合材料相比，纤维增强热塑性复合材料由于采用了聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等热塑性树脂为基体，具有密度更低、韧性好、使用温度高、吸湿率低、工艺性能好、可重复利用等优点。近年来，纤维增强热塑性复合材料逐渐在汽车、航空、航天等领域得到越来越广泛的应用。但是，由于热塑性树脂熔点高、粘度大等特点，使得其相对于热固性复合材料来说，加工更为困难。

纤维增强热塑性复合材料零件制备的主要工艺之一是先制备热塑性复合材料层板，然后采用二次模压的方法将层板成形成所需要的零件。采用该方法制备的热塑性复合材料零件性能稳定。层板制备的质量即力学性能的高低直接影响热塑性复合材料零件的使用性能。目前，纤维增强热塑性复合材料层板的制备方法按使用的设备可以分为两类，热压罐方法和非热压罐方法。前者，利用罐体内部均匀的温度场和空气压力对复合材料进行加热加压，该方法成型的纤维增强热塑性复合材料孔隙率较低，树脂含量均匀、内部结构致密。但是，由于热塑性复合材料熔点较高、粘度较大，对热压罐的温度和压力都提出了较高的要求，且空气加热效率低下，成型周期长，高温辅助材料价格昂贵，生产成本较高。

而采用非热压罐法制备热塑性复合材料成为近年来研究的热点。目前，国内外的现有热塑性复合材料的成型工艺主要有以下几种：模压成型、拉挤成型、辊压成型、缠绕成型。其中，模压法是各种热塑性复合材料成型方法中最为简单、直观的一种工艺，可快速、批量化生产，有助于实现工业化。适合于模压成型工艺的材料主要有预浸料片材、纤维组、混编织物等。其工艺过程可分为以下几部分：1)将预浸料叠层置于两块加热板之间，加热温度高于树脂基体的熔点；2)迅速将预浸料叠层送入室温的成型系统中；3)模具热压、冷却、定型、裁边处理成制品。模压成型方法速度快，生产周期短且质量容易控制。

但是，采用传统模压方法制备热塑性复合材料时，由于热塑性聚合物熔体粘度较大，流动性较差，要排出层间的气体通常需要施加很大的成型压力，而较大的成型压力一方面可能会导致增强纤维的损伤，特别是对纤维织物来说，由于纤维的互相交织，损伤更为严重；另一方面，过大的压力将可能导致热塑性树脂的挤出，从而造成树脂含量的降低。而如果采用的模压压力较小的话，则会在制备的层板中残留较多的气孔，造成最终层板的孔隙率较高，力学性能降低。因此，如何降低孔隙率成为采用模压法制备热塑性复合材料层板的关键。

然而，目前的一些专利均没有解决上述问题，例如：

在公开号为CN104723580A的发明专利(第2页～12页)中，公开了一种热塑性复合材料板材的制造方法，但是，没有采用专门的方法来排出气体，仅是施加压力使热塑性复合材料层板固结。

在公开号为CN104497414的发明专利(第2页～7页)中，公开了一种用MAPP-CFF预浸料制备PP/CFF热塑性复合材料的方法，其通过控制加热和降温速度及时间来达到控制热塑性树脂内部结晶度的目的，从而实现热塑性复合材料层板较好的力学性能。但是也并没有考虑树脂熔体内部气孔排放问题。

因此，亟需发明一种可以降低纤维增强热塑性复合材料层板孔隙率的模压方法和模压装置。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种可以避免采用较大模压压力造成纤维损伤，同时可以降低纤维增强热塑性复合材料层板的孔隙率的模压方法；

本发明的另一个目的在于提出一种结构简单、操作方便、可以降低纤维增强热塑性复合材料层板的孔隙率的模压装置。

为达此目的，一方面，本发明提出如下技术方案：

一种纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法，在该模压方法中通过超声波组件对模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理。

更进一步地，所述超声波组件包括超声波发生控制器和与所述超声波发生控制器电连接的超声波工具头，该方法具体包括以下步骤：

步骤A、将纤维和热塑性树脂层铺于模具内，合模；

步骤B2、对所述模具施加初始压力P1；

步骤C、将所述模具内的热塑性树脂加热至预设温度t1，使之完全熔化；

步骤D、启动所述超声波发生控制器，使所述超声波工具头振动，以对所述模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理，同时，使所述模具保持压力P1；

步骤E、停止所述超声波发生控制器，提高模具压力至P2，保温预设时间；

步骤F、冷却模具、开模，取出纤维增强热塑性树脂基复合材料层板。

更进一步地，所述步骤A中，纤维和热塑性树脂的铺设方式为：将纤维层及热塑性树脂薄膜交替排列层铺于模具内；或将纤维增强热塑性树脂基复合材料预浸料按照一定的铺层顺序铺设于模具内。

更进一步地，该方法中，通过将所述超声波工具头置于所述模具的上模上以为所述模具提供压力。

更进一步地，在所述步骤B2之前还包括步骤B1：在所述模具的上模上方与所述超声波工具头之间设置由低导热材料制成的隔热层。

更进一步地，所述超声波组件还包括夹持加载机构，所述夹持加载机构用于夹持所述超声波工具头并为所述超声波工具头提供压力。

更进一步地，所述纤维为碳纤维或玻璃纤维。

更进一步地，通过设置于模具内的加热组件加热的方式对所述热塑性树脂进行加热；或通过将碳纤维接通电源的方式对所述热塑性树脂进行加热，且在所述模具的内侧设置有绝缘件。

另一方面，本发明提出如下技术方案：

一种上述任一所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法中所使用的模压装置，包括模具、加热组件、加压组件和超声波组件；所述加热组件用于对所述模具中的热塑性树脂进行加热；所述加压组件用于为所述模具提供压力；所述超声波组件包括超声波发生控制器和与所述超声波发生控制器电连接的超声波工具头，所述超声波工具头设置于所述模具旁侧，用于对所述模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理。

更进一步地，所述模具包括上模、下模和限位件，所述限位件用于放置在所述上模和所述下模间的纤维和热塑性树脂外周以限制其位移。

更进一步地，所述加压组件与所述超声波组件为同一部件，所述超声波工具头设置于所述上模上，通过所述超声波工具头为所述模具提供压力。

更进一步地，在所述超声波工具头与所述上模之间设置有由低导热材料制成的隔热层。

更进一步地，所述低导热材料为不锈钢或TC4合金。

更进一步地，所述超声波组件还包括夹持加载机构，所述夹持加载机构用于夹持所述超声波工具头并为所述超声波工具头提供压力。

更进一步地，所述模具的上模和下模内设置有冷却流体通道。

更进一步地，所述加热组件设置于所述模具的上模和/或下模内；或所述加热组件包括电源，所述电源用于与模具内的碳纤维接通，在所述模具内侧设置有绝缘件。

本发明的有益效果为：

本发明提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法，通过超声波组件对模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理。通过超声波振动，可以促进树脂流体的流动，从而提高了熔体内部气体的排放速度，降低了层板零件的孔隙率；同时，施加超声波振动有利于纤维的均匀分布，避免了压力作用下造成的纤维相互挤压；此外，还可以降低模压压力，缩短制备时间，降低层板制件的残余应力。

本发明提供的上述模压方法中所使用的模压装置结构简单、紧凑，操作方便。

附图说明

图1是本发明的实施例一提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置的结构示意图之一；

图2是本发明的实施例一提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法的流程图；

图3是本发明的实施例一提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置的结构示意图之二。

图中，1、夹持加载机构；2、超声波工具头；3、上模；4、下模；5、限位件；6、冷却流体通道；7、纤维和热塑性树脂；8、加热电阻丝；9、电源；10、绝缘件；11、工作平台；12、隔热层。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：

本实施例提供了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置和模压方法。如图1所示，该模压装置包括模具、加热组件、加压组件和超声波组件；加热组件用于对模具中的热塑性树脂进行加热；加压组件用于为模具提供压力；超声波组件包括超声波发生控制器(图中未示)、与超声波发生控制器电连接的超声波工具头2和夹持加载机构1，该夹持加载机构1用于夹持超声波工具头2并为超声波工具头2提供压力，超声波工具头2设置于模具旁侧，用于对模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理。

更具体地，该模具包括上模3、下模4和限位件5，限位件5用于放置在上模3和下模4间的纤维和热塑性树脂7外周以限制其位移，限位件5优选为限位块。上模3和下模4内可以设置冷却流体通道6。

该装置中，超声波工具头2设置于模具旁侧，是指其可以设置于模具的上方、下方或外周，也不排除将其设置于模具内部。但由于模具的下模通常固设工作平台11上，不便于移动，而模具的周边通常为限位件，考虑到安装的方便性，优选地，超声波工具头设置于上模3上，通过对模具上模3施加振动进而作用于模具3内的树脂和纤维。并且在超声波工具头2设置于模具上模3的实施方式中，可以令加压组件与超声波组件为同一部件，通过超声波工具头2向模具提供压力，即通过超声波工具头2同时对模具上模3施加振动与压力，而无需设置额外的压力装置，结构更简单、紧凑。但是，需要说明地是，在设置有超声波组件的同时额外设置有压力组件的技术方案，也属于本发明的保护范围。

更进一步地，在超声波工具头2与上模3之间设置有由低导热材料制成的隔热层12，该隔热层12优选为不锈钢或TC4合金制成的板体，以隔绝模具上模3与超声波工具头2之间的热量传递，防止高温损伤超声波工具头2。

更具体地，模具的上模3和下模4内设置有冷却流体通道6。

更进一步地，加热组件设置于模具的上模3和/或下模4内，加热组件可以为加热电阻丝8或加热棒；或加热组件包括电源9，电源9用于与模具内的碳纤维接通，在模具内侧设置有绝缘件10。

基于上述模压装置的模压方法中，可以通过超声波组件对模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理。

更具体地，如图2所示，基于上述模压装置的模压方法包括以下步骤：

步骤A、将纤维和热塑性树脂7层铺于模具内，合模，本步骤中，纤维和热塑性树脂的铺设方式可以是将纤维增强热塑性树脂基复合材料预浸料按照一定的铺层顺序铺设于模具内；另外，也可以将纤维层及热塑性树脂薄膜交替排列层铺于模具内，而省去纤维和树脂的预浸环节；

步骤B2、对模具施加初始压力P1；

步骤C、将模具内的热塑性树脂加热至预设温度t1，使之完全熔化；

步骤D、启动超声波发生控制器，使超声波工具头2振动，以对模具内的纤维和热塑性树脂7进行超声处理，优选地，超声波工具头2以20-60kHz的频率、10-60μm的振幅持续振动，同时，使所述模具保持压力P1；

步骤E、停止超声波发生控制器，提高模具压力至P2，保温预设时间；

步骤F、冷却模具、开模，取出纤维增强热塑性树脂基复合材料层板。

更优选地，上述方法中，通过将超声波工具头2置于模具的上模3上以为模具提供压力。即本方法中，通过超声波组件为模具提供压力，例如，步骤B2中，通过将超声波工具头2置于模具的上模3上以对模具施加初始压力P1，步骤D中，超声波工具头振动以对模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理，同时，通过超声波工具头2使模具继续保持压力；步骤E中，停止超声波发生控制器，但通过超声波工具头2提高模具压力至P2。通过超声波组件为模具提供压力，无需设置额外的压力装置，操作更简便。

更进一步地，在通过超声波组件为模具提供压力的模压方法的实施方式中，在步骤B2之前还包括步骤B1：在模具的上模3上方与超声波工具头2之间设置有由低导热材料制成的隔热层12，该导热材料优选为不锈钢或TC4合金制成的板体，该隔热层12优选为不锈钢或TC4合金制成的板体。

更进一步地，上述方法中使用的超声波组件还包括夹持加载机构1，夹持加载机构1用来夹持超声波工具头2并为超声波工具头2提供压力。

更具体地，上述纤维可以是单向分布或编织布排的纤维。

更进一步地，上述纤维优选为碳纤维或玻璃纤维。

更进一步地，上述方法中，可以选用加热组件例如加热电阻丝8，直接设置于模具的上模和/或下模内的模压装置，通过加热组件对模具加热进而对模具内的树脂加热；但是，当采用碳纤维来作为增强材料时，可以如图3所示的采用碳纤维电阻加热的方式对树脂进行加热的模压装置，具体地，加热组件可以包括一置于模具外的电源9，使该电源9与模具内的碳纤维接通，利用碳纤维的导电特性，使其快速升温，从而加热其相邻的树脂，当树脂完全熔化后，在超声波振动和模具压力作用下，将树脂熔体与碳纤维界面及各层间的气体排出，使树脂熔体完全浸润碳纤维，最终在模具压力下固结成纤维增强热塑性树脂基复合材料层板。采用碳纤维电阻加热的方式中，应当在所述模具内侧设置绝缘件10，以防止漏电。

另外，上述方法中的P1、t1、P2、保温时间等可以根据所选用的热塑性树脂及纤维进行具体设置，但是其中t1通常优选为300-350度，保温时间优选为1-3min。

本实施例提供的模压方法，通过超声波振动，可以促进树脂流体的流动，从而提高了熔体内部气体的排放速度，降低了层板零件的孔隙率；同时，施加超声波振动有利于纤维的均匀分布，避免了压力作用下造成的纤维相互挤压；此外，还可以降低模压压力，缩短制备时间，降低层板制件的残余应力。

本实施例提供的模压装置结构简单、紧凑，操作方便。

实施例二：

本实施例公开了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置和方法。其中，模压装置包括模具、加热组件和超声波组件；加热组件用于对模具中的热塑性树脂进行加热；超声波组件包括超声波发生控制器1和与超声波发生控制器连接的超声波工具头，超声波工具头设置于模具上方，用于对模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理并用于向模具提供压力，优选地，在超声波工具头与上模之间设置有由低导热材料制成的隔热层。模具的结构可以参照实施例一进行设置，在此不加以赘述。

模压方法与实施例一的不同之处在于：本实施例中所使用的热塑性树脂为具有剪切变稀特性的树脂，例如聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)。

对热塑性聚合物树脂熔体施加超声波振动，可以促进聚合物熔体的流动，而对于剪切变稀的熔体还可以降低其粘度，进一步促进其熔体内部气体的排出，提高产品的致密性。以下以碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)复合材料层板的模压工艺过程为例继续介绍本发明：

步骤A、将10层CF/PPS预浸料按照一定的铺层顺序铺放在上模和下模间，在CF/PPS预浸料外周放置限位件，合模；

步骤B1：在模具的上模上方与超声波工具头之间设置一块1mm厚的TC4合金板；

步骤B2、通过夹持加载机构为超声波工具头加压进而对模具施加初始压力0.5MPa；

步骤C、通过设置于模具的上模和下模内的加热电阻丝将模具加热至320℃，保温20min，使PPS完全熔化；

步骤D、启动超声波发生控制器，使超声波工具头振动，振动频率为20kHz，振幅为40μm，以对模具内的CF/PPS进行超声处理；同时使超声波工具头对模具施加的压力为0.5MPa，振动、加压30s；

步骤E、停止超声波发生控制器，使超声波工具头对模具施加的压力提高到3MPa，保温2min；

步骤F、对模具进行冷却，待模具冷却至室温后，打开模具，取出CF/PPS层板。

实施例三：

本实施例公开了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置和方法。其中，模压装置的结构与实施例二所述的结构相同，此处不再赘述。

模压方法与实施例二的不同之处在于：步骤A中，所采用的碳纤维增强聚苯硫醚树脂层为交替排列的碳纤维与聚苯硫醚薄膜叠层，制备层板时，将21层碳纤维与聚苯硫醚薄膜交替叠层放入模具中；步骤C、步骤D、步骤E中，通过设置于模具的上模和下模中的加热组件对模具加热的方式，来对热塑性树脂进行加热；另外，步骤B2和步骤D中，施加的压力为1MPa，以实现聚苯硫醚树脂对碳纤维的充分浸润。

其它工艺过程及工艺条件与实施例二相同。

实施例四：

本实施例公开了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置和方法。其中，模压装置的结构与实施例三所述的结构相同，此处不再赘述。

模压方法与实施例三的不同之处在于：

步骤C、步骤D、步骤E中，将碳纤维层与置于模具外的电源接通，采用碳纤维电阻加热的方式加热聚苯硫醚树脂，所述的碳纤维加热电流为10-15A。其它工艺过程及工艺条件与实施例三相同。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法，其特征在于，在该模压方法中通过超声波组件对模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理。

2.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法，其特征在于，所述超声波组件包括超声波发生控制器和与所述超声波发生控制器电连接的超声波工具头，该方法具体包括以下步骤：

步骤A、将纤维和热塑性树脂层铺于模具内，合模；

步骤B2、对所述模具施加初始压力P1；

步骤C、将所述模具内的热塑性树脂加热至预设温度t1，使之完全熔化；

步骤D、启动所述超声波发生控制器，使所述超声波工具头振动，以对所述模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理，同时，使所述模具保持压力P1；

步骤E、停止所述超声波发生控制器，提高模具压力至P2，保温预设时间；

步骤F、冷却模具、开模，取出纤维增强热塑性树脂基复合材料层板。

3.根据权利要求2所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法，其特征在于，所述步骤A中，纤维和热塑性树脂的铺设方式为：将纤维层及热塑性树脂薄膜交替排列层铺于模具内；或将纤维增强热塑性树脂基复合材料预浸料按照一定的铺层顺序铺设于模具内。

4.根据权利要求2所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法，其特征在于，该方法中，通过将所述超声波工具头置于所述模具的上模上以为所述模具提供压力。

5.根据权利要求4所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法，其特征在于，在所述步骤B2之前还包括步骤B1：在所述模具的上模上方与所述超声波工具头之间设置由低导热材料制成的隔热层。

6.根据权利要求2至5任一所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法，其特征在于，所述超声波组件还包括夹持加载机构，所述夹持加载机构用于夹持所述超声波工具头并为所述超声波工具头提供压力。

7.根据权利要求1至5所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法，所述纤维为碳纤维或玻璃纤维。

8.根据权利要求7所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法，其特征在于，通过设置于模具内的加热组件加热的方式对所述热塑性树脂进行加热；或通过将碳纤维接通电源的方式对所述热塑性树脂进行加热，且在所述模具的内侧设置有绝缘件。

9.一种权利要求1至8中任一所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法中所使用的模压装置，其特征在于，包括模具、加热组件、加压组件和超声波组件；

所述加热组件用于对所述模具中的热塑性树脂进行加热；

所述加压组件用于为所述模具提供压力；

所述超声波组件包括超声波发生控制器和与所述超声波发生控制器电连接的超声波工具头，所述超声波工具头设置于所述模具旁侧，用于对所述模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理。

10.根据权利要求9所述的模压装置，其特征在于，所述模具包括上模、下模和限位件，所述限位件用于放置在所述上模和所述下模间的纤维和热塑性树脂外周以限制其位移。