CN106182815B - 一种拉挤成型激光固化制备复合材料筋材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用激光固化取代隧道窑加温固化的复合材料筋材制备方法，拉引装置13向着拉引方向14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，预浸带4经收束模5导出，在绕丝装置7的作用下，螺旋缠绕丝束6连续不断地缠绕在预浸带4的外面形成紧束状态的预浸带，紧束状态的预浸带随后进入挂砂装置8的作用范围，此时，得益于紧束状态的预浸带表面溢出的树脂液的粘附作用，砂砾粘附于紧束状态的预浸带的外表面，随后，粘附砂砾的紧束状态的预浸带进入激光输出器10发射的激光束11的照射区，在激光束11的加热作用下达到最终成型所需的固化温度，固化形成复合材料筋材12。

Description

一种拉挤成型激光固化制备复合材料筋材的方法
技术领域
一种拉挤成型激光固化制备复合材料筋材的方法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。
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较低等优点。
一种加温固化方法是利用埋设在拉挤成型模内的加热元件，使复合材料温度达到固化所需温度实现固化。
这种固化方法存在能量利用率低、拉挤速度慢生产效率低、拉挤模制造成本高且磨损快寿命低、固化后出拉挤成型模时复合材料易开裂等缺陷。
另一种加温固化方法是利用在拉挤成型模后面设置一节或多节隧道窑作为加热元件，使复合材料温度达到固化所需温度实现固化。
这种固化方法拉挤速度较快，生产效率较高，但存在能量利用率更低、生产线过长、易发生流胶和滴胶等缺陷。
发明内容
本发明目的在于提供一种保留现有拉挤成型法优点，用激光固化取代已有的隧道窑加温固化的复合材料筋材制备方法，以克服现有拉挤成型加温固化复合材料筋材制备方法的缺点。
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。
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，本发明能够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。
附图说明
附图1是本发明的单向激光照射方案实施过程示意图。
附图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是螺旋缠绕丝束，7是绕丝装置，8是挂砂装置，9是挡光板，10是激光输出器，11是激光束，12是复合材料筋材，13是拉引装置，14是拉引方向，L是激光光斑在拉引方向14上的长度。
附图2是本发明的多向激光照射方案实施过程示意图。
与图1相比，图2中设置了多个激光输出器10a，输出多束激光束11a，设置多块挡光板9a。
拉引装置13向着拉引方向14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，预浸带4经收束模5导出。
此时，在绕丝装置7的作用下，螺旋缠绕丝束6连续不断地缠绕在预浸带4的外面形成紧束状态的预浸带。
紧束状态的预浸带随后进入挂砂装置8的作用范围，此时，得益于紧束状态的预浸带表面溢出的树脂液的粘附作用，砂砾粘附于紧束状态的预浸带的外表面。
随后，粘附砂砾的紧束状态的预浸带进入激光输出器10发射的激光束11的照射区，在激光束11的加热作用下达到最终成型所需的固化温度，固化形成复合材料筋材12。
挡光板8能够遮挡被预浸料透射和散射的激光，避免对环境造成污染。
激光束11的加热功率能够与拉引速度相匹配，保证了复合材料筋材12固化所需的最佳温度。
能够通过增加激光输出器10所输出激光光斑的长度L，来增加粘附砂砾的紧束状态的预浸带被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现粘附砂砾的紧束状态的预浸带内部温度的均匀化。
在构成粘附砂砾的紧束状态的预浸带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粘附砂砾的紧束状态的预浸带在激光束11照射下内部出现最佳的温度梯度。
在不同方向设置多个激光输出器10a，发射多束激光束11a投向粘附砂砾的紧束状态的预浸带的同一段，利用多束激光束11a在粘附砂砾的紧束状态的预浸带深处的累积效应来抵消单束激光束11的在粘附砂砾的紧束状态的预浸带内部的递减温度梯度，能够使厚度更大的粘附砂砾的紧束状态的预浸带不同深度同步获得最佳的固化温度。
根据粘附砂砾的紧束状态的预浸带中增强纤维束和树脂液的材质不同，能够选择不同波长的照射激光光源，以改变粘附砂砾的紧束状态的预浸带的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的粘附砂砾的紧束状态的预浸带在激光束11（或11a）照射下内部出现最佳的温度梯度。

Claims (7)

1.一种拉挤成型激光固化制备复合材料筋材的方法，其特征是：用激光固化取代已有的隧道窑加温固化制备复合材料筋材，拉引装置（13）向着拉引方向（14）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），预浸带（4）经收束模（5）导出，此时，在绕丝装置（7）的作用下，螺旋缠绕丝束（6）连续不断地缠绕在预浸带（4）的外面形成紧束状态的预浸带，紧束状态的预浸带随后进入挂砂装置（8）的作用范围，此时，得益于紧束状态的预浸带表面溢出的树脂液的粘附作用，砂砾粘附于紧束状态的预浸带的外表面，随后，粘附砂砾的紧束状态的预浸带进入激光输出器（10）发射的激光束（11）的照射区，在激光束（11）的加热作用下达到最终成型所需的固化温度，固化形成复合材料筋材（12）。
2.如权利要求1所述的一种拉挤成型激光固化制备复合材料筋材的方法，其特征是：激光束（11）的加热功率能够与拉引速度相匹配，保证了复合材料筋材（12）固化所需的最佳温度。
3.如权利要求1所述的一种拉挤成型激光固化制备复合材料筋材的方法，其特征是：能够通过增加激光输出器（10）所输出激光光斑的长度（L），来增加粘附砂砾的紧束状态的预浸带被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现粘附砂砾的紧束状态的预浸带内部温度的均匀化。
4.如权利要求1所述的一种拉挤成型激光固化制备复合材料筋材的方法，其特征是：在构成粘附砂砾的紧束状态的预浸带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粘附砂砾的紧束状态的预浸带在激光束（11）照射下内部出现最佳的温度梯度。
5.如权利要求1所述的一种拉挤成型激光固化制备复合材料筋材的方法，其特征是：在不同方向设置多个激光输出器（10a），发射多束激光束（11a）投向粘附砂砾的紧束状态的预浸带的同一段，利用多束激光束（11a）在粘附砂砾的紧束状态的预浸带深处的累积效应来抵消单束激光束（11）的在粘附砂砾的紧束状态的预浸带内部的递减温度梯度，能够使厚度更大的粘附砂砾的紧束状态的预浸带不同深度同步获得最佳的固化温度。
6.如权利要求1所述的一种拉挤成型激光固化制备复合材料筋材的方法，其特征是：根据粘附砂砾的紧束状态的预浸带中增强纤维束和树脂液的材质不同，能够选择不同波长的照射激光光源，以改变粘附砂砾的紧束状态的预浸带的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的粘附砂砾的紧束状态的预浸带在激光束（11）照射下内部出现最佳的温度梯度。
7.如权利要求1所述的一种拉挤成型激光固化制备复合材料筋材的方法，其特征是：挡光板（9）能够遮挡被预浸料透射和散射的激光，避免对环境造成污染。
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