CN105946254B - 拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料 - Google Patents

拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明是一种把拉挤成型法和缠绕成型法结合起来的复合材料一步成型制备方法，外层增强纤维缠绕于芯层增强纤维外侧，与芯层增强纤维呈约90°的夹角，由于芯层与外层所有树脂是一次固化成型，整体强度明显提高，由于简化了生产流程，能够缩短复合材料的生产周期，减少生产场地的占用和解放人力，能够降低生产成本。预浸带(4)，经收束模(5)导出，此时，缠绕增强纤维丝束(6)连续不断地缠绕在预浸带(4)的外面形成复合预浸料(8)，并在拉引装置(14)作用下向拉引力方向(15)进给，随后，复合预浸料(8)被导入带加热功能的套模(11)的成型区，在套模加热器(12)的加热作用下固化形成复合材料(13)。

Description

拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料
技术领域
拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料属于一种复合材料制备方法。
背景技术
以往的复合材料制备方法有多种，其中包括拉挤成型加温固化法和缠绕成型加温固化法。
拉挤成型加温固化法具有生产连续性好、自动化程度高和成本低等优点，但存在增强纤维走向为单一的沿着长度方向的特点，拉挤成型法生产的复合材料抗扭力差和易开裂等缺点。
缠绕成型加温固化法具有抗内压能力强、不易开裂、可设计性好和工艺较灵活等优点，但存在生产连续性较差、自动化程度不高和成本较高等缺点。
为了克服前述两种方法所制备复合材料的缺点，已有的方法为两步法，即：第一步，利用拉挤成型加温固化法制备复合材料芯材；第二步，以第一步所制备的复合材料芯材为芯轴，在其外侧缠绕一层增强纤维预浸带，经加温固化成型，制得两层增强纤维走向近于垂直的复合材料。
已有复合材料的两步制备法，存在过程复杂、生产周期长和生产成本较高的缺点，并且由于拉挤成型的芯层和缠绕成型的外层是分别经过两次固化形成，芯层与外层之间的树脂结合强度不高，直接影响了复合材料的整体性能。
已有的复合材料固化方法是利用埋设在成型模具内的加热元件，使复合材料温度达到固化所需温度实现固化，存在能量利用率低、生产效率低、固化出模时复合材料易开裂等缺陷。
发明内容
本发明目的在于提供一种兼具拉挤成型法和缠绕成型法优点，并且用激光固化取代埋设在成型模具内的加热元件的复合材料制备方法。
激光投射到材料上，会产生一定的光热转化效应，这种光热转化效应会带来材料表面和内部的温度升高效应。
在特定方向激光照射下，材料由表面到内部的温度变化取决于多种因素，包括投射深度χ、吸收系数α和散射系数S，如果入射激光光能量密度为I 0 ，则深度χ处得到的激光能量密度为：I=I o exp(-(α+S)χ)。
越深处得到的激光光能越少，这种现象将导致激光照射方向上材料内部出现递减温度梯度，使厚度稍大的预浸料不同深度处难以同步获得所需的固化温度。
本发明的一个解决方案是从不同方向设计多束激光投向预浸料的同一段，利用多束激光在预浸料深处的累积效应来抵消单束激光的递减温度梯度，使厚度较大的预浸料不同深度同步获得适当的固化温度。
本发明的另一个解决方案是设计激光输出器所输出激光光斑的形状，这样就能在预浸料拉引速度一定的情况下，增加激光输出器所输出激光光斑的长度，来增加预浸料被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现预浸料内部温度的均匀化。
本发明的第三个解决方案是在构成预浸料的树脂液中添加适当浓度的填料，以改变预浸料的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料在激光照射下内部出现预期的温度梯度。
本发明的第四个解决方案是：根据预浸料中增强纤维束和树脂液的材质不同，选择不同波长的照射激光光源，以改变预浸料层的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料在激光照射下内部出现预期的温度梯度。
本发明是一种把拉挤成型法和缠绕成型法结合起来的复合材料一步成型制备方法，经过激光固化，最终制备出一种复合材料，其中的增强纤维分为芯层和外层。
芯层增强纤维走向与拉引方向一致，主要承担制备时的拉引力和使用过程中受到的沿复合材料长度方向的拉应力。
外层增强纤维缠绕于芯层增强纤维外侧，与芯层增强纤维呈约90°的夹角，主要承担来自于复合材料内部的膨胀压力。
树脂填充于芯层增强纤维、外层增强纤维和这两层之间的所有间隙，并在固化后将所有增强纤维固结为一体，形成复合材料。
这种一步成型激光固化法制备的复合材料与已有的两步成型法所制备的复合材料相比较，由于芯层与外层所有树脂是一次固化成型，整体强度明显提高。
由于简化了生产流程，能够缩短复合材料的生产周期，减少生产场地的占用和解放人力，能够降低生产成本。
优化的是，本发明激光束的加热功率能够与拉引速度相匹配，保证了复合材料固化所需的最佳温度。
更加优化的是，本发明借助于外层增强纤维缠绕过程中的勒紧效应，最后制备成的复合材料中增强纤维的占比高，进一步提高了复合材料的整体性能。
更加优化的是，本发明增加激光输出器所输出激光光斑的长度，来增加预浸料被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现预浸料内部温度的均匀化。
更加优化的是，本发明在构成预浸料的树脂液中添加适当浓度的填料，以改变预浸料层的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料在激光照射下内部出现最佳的温度梯度。
更加优化的是，本发明在不同方向设计多束激光投向预浸料的同一段，利用多束激光在预浸料深处的累积效应来抵消单束激光的递减温度梯度，使厚度较大的预浸料不同深度同步获得最佳的固化温度。
更加优化的是，本发明根据预浸料中增强纤维束和树脂液的材质不同，选择不同波长的照射激光光源，以改变预浸料层的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料在激光照射下内部出现最佳的温度梯度。
更加优化的是，本发明能够在激光固化段前端，设置复合预浸料规型模，以精确塑制拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料的最终截面形状和尺寸。
附图说明
附图1是本发明的实施过程示意图。
图1中，1是拉引增强纤维束，2是树脂液槽，3是树脂液，4是预浸带，5是收束模，6是缠绕增强纤维丝束，7是供丝管，8是复合预浸料，9是绕丝装置，10是缠绕增强纤维供丝线轴，11是挡光板，12是激光输出器，13是激光束，14是拉引装置，15是拉引力方向。
附图2是本发明的另一个方案的实施过程示意图。
与图1相比，图2中增加了复合预浸料规型模16。
在拉引装置14作用下，拉引增强纤维束1被导入树脂液槽2中并被树脂液3浸润形成预浸带4，经收束模5导出。
此时，在绕丝装置9的作用下，缠绕增强纤维供丝线轴10上的增强纤维丝束经过供丝管7的内孔供出，成为缠绕增强纤维丝束6。
缠绕增强纤维丝束6连续不断地缠绕在预浸带4的外面形成复合预浸料8，并在拉引装置14作用下向拉引力方向15进给。
这时，有利的效果之一是预浸带4和缠绕增强纤维丝束6之间形成紧束的状态。
另一个有利的效果是，在缠绕增强纤维丝束6提供的勒紧力作用下，预浸带4浸出的剩余树脂液充分地浸润了缠绕增强纤维丝束6。
随后，复合预浸料8进入激光输出器12发射的激光束13的照射区，在激光束13的加热作用下，复合预浸料8达到最终成型所需的固化温度和截面形状，固化形成复合材料。
复合预浸料规型模16能够在激光固化定型前，精确规整复合预浸料的横截面形状，这种截面形状随后经激光固化定型。
挡光板11能够遮挡被复合预浸料8透射和散射的激光，避免对环境造成污染。

Claims (3)

1.一种拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料的方法，这种方法设计激光输出器所输出激光光斑的形状，在预浸料拉引速度一定的情况下，增加激光输出器所输出激光光斑的长度，来增加预漫浸料被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现预浸料内部温度的均匀化，其特征是:在拉引装置(14) 作用下，拉引增强纤维束(1)被导入树脂液槽(2)中并被树脂液(3)浸润形成预浸带(4)，经收束模(5)导出，此时，在绕丝装置(9)的作用下，缠绕增强纤维供丝线轴(10) 上的增强纤维丝束经过供丝管(7)的内孔供出，成为缠绕增强纤维丝束(6)，缠绕增强纤维丝束(6)连续不断地缠绕在预浸带(4)的外面形成复合预浸料（8)，并在拉引装置(14) 作用下向拉引力方向(13) 进给，随后，复合预浸料(8)进入激光输出器(12)发射的激光束(13) 的照射区，在激光束(13) 的加热作用下，复合预浸料(8)达到最终成型所需的固化温度和截面形状，固化形成复合材料。
2.如权利要求1所述的一种拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料的方法，其特征是：复合预浸料规型模(16)能够在激光固化定型前，精确规整复合预浸料的横截面形状，这种截面形状随后经激光固化定型。
3.如权利要求1所述的一种拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料的方法，其特征是：挡光板(11)能够遮挡被复合预浸料(8) 透射和散射的激光，避免对环境造成污染。
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