CN106738523A - 长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻加热快速成型方法 - Google Patents

长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻加热快速成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以碳纤维薄毡作为加热单元的热塑性复合材料电阻加热的快速成型方法及加工系统。加工系统包括真空袋封装系统(或模压系统)、金属电极、电压调控装置、程序温度调控装置、热电偶。金属电极通过导电银胶固定在碳纤维薄毡两端，将铺层好的材料体系置于真空袋或模压机模具中。通过电压调控装置对碳纤维薄毡通电加热，并通过温度控制装置实现工艺温度的调控。本发明可以实现长纤维及连续纤维热塑性复合材料的快速加热成型，为热塑性复合材料成型工艺提供了一种可以程序控制的快速加热成型方法，极大地缩短了热塑性复合材料成型周期，为热塑性复合材料的快速成型提供了技术支撑。

Description

长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻加热快速成型 方法
技术领域
本发明涉及一种纤维增强热塑性复合材料的电阻加热快速成型方法，更特别地说，是采用碳纤维薄毡作为电阻加热单元，以玻璃纤维、玄武岩纤维等纤维增强热塑性粒料或预浸料作为原材料，通过真空袋成型工艺(或模压工艺)与加载电极组合进行电阻自加热成型。
背景技术
热塑性复合材料凭借其优异的性能，如：可回收、易修复、工艺时间短、抗冲击性能好、成型过程无化学反应更容易实现过程控制，在航空航天、汽车、建筑等诸多领域应用前景广阔。
对于连续纤维及长纤维增强热塑性复合材料，传统成型工艺有模压成型工艺、真空袋成型工艺、热压罐成型工艺等等。热塑性复合材料的传统成型工艺均是采用外部热源加热，由外及内进行热传导。热塑性基体树脂如聚丙烯、尼龙、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等，具有热导率低、熔点高的特点，加热熔融与降温成型周期长、耗能大，导致生产效率低、成本高。
因此发展新的热塑性复合材料成型技术，对于缩短复合材料成型周期，提高能量利用率，降低制造成本，进而推动热塑性复合材料的规模化应用有重要意义。
目前针对碳材料自电阻加热成型工艺，已有的相近专利如下：在中国专利申请号200310113547.4(无权)，申请日2013年11月17日，发明名称为“碳纤维增强复合材料的自电阻加热成型方法”的专利申请中公开了一种导电性碳、石墨纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热速成型及纤维增强的热塑性复合材料的自电阻加热焊接或修补的方法。其技术解决方法为充分利用碳纤维复合材料的自电阻，在压力机械上、下台面与预浸料之间分别安装绝缘层，绝缘层与预浸料之间加装电极，形成以预浸料为电阻的导电通道，成型、焊接、修补复合材料。
美国格拉弗技术国际控股有限公司的专利US2003/037856发明名称为“热压法制碳/碳复合材料”公开了一种成形复合材料的方法，其步骤包括：合并包括含碳纤维的增强材料与可碳化基质材料从而形成混合物；将该混合物加热到足以使至少一部分基质材料熔融的温度；加热步骤包括：对混合物施加电流以便在混合物内部产生热；并在加热该混合物的同时，对混合物施加至少35kg/cm2的压力从而形成压缩的复合材料；提高压缩复合材料的密度：其方法是将可碳化材料引入到压缩复合材料中的空洞中，随后烘烤该压缩复合材料以达到至少1.30g/cm3的密度；以及用处理组分浸渍该密度至少为1.30g/cm3的压缩复合材料，其中所述处理组分包含金属、金属合金、硼、热固化树脂及其组合中的至少一种。
在中国专利申请号201410018321.4(有权)，申请日2014年1月16日，发明名称为“碳纤维增强复合材料的加工系统及其采用液体成型工艺的可控碳纤维自加热方法”的专利申请中公开了一种真空袋压与加载电极的组合方法进行纤维增强复合材料的的成型工艺及装置，其中纤维织物在加载正负电极的条件下实现了纤维自加热。其技术解决方案是按照复合材料的真空辅助树脂灌注工艺，在真空袋封装模具中进行导电连续纤维织物的铺层，在织物铺层过程时，在连续织物两端铺放正负电极。然后抽真空灌注树脂，连接电源通电加热，在真空袋压下进行复合材料的固化。再按照复合材料的一般工艺过程，冷却、脱模，即可实现复合材料的成型。
在中国专利申请号201510817586.5(审中-实审)，申请日2015年11月23日，发明名称为“树脂基碳纤维复合材料的自阻电加热固化方法”的专利申请中公开了一种树脂基碳纤维复合材料的自阻电加热固化方法，采用通电加热碳纤维的方式提供树脂固化所需的热量，同时结合压力罐提供的压力成型，最终获得所需要的零件。
以上专利工艺均采用的是连续碳纤维作为加热源和增强体，即复合材料产品需使用碳纤维作为原材料，才能采用这些工艺进行成型。若采用玻璃纤维、玄武岩纤维等绝缘的增强体制备复合材料，则无法直接采用这些电阻加热方法。
目前，尚未有针对玻璃纤维、玄武岩纤维等非导电纤维增强热塑性复合材料的电阻自加热成型工艺。该类复合材料由于成本明显低于碳纤维复合材料，在民用领域的应用范围和用量更大，更加迫切需要高效加热成型技术。
发明内容
本发明的目的在于实现长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料电阻加热成型，缩短热塑性复合材料的成型周期，特别是以玻璃纤维、玄武岩纤维等绝缘的增强体制备复合材料。本发明的原理是以碳纤维薄毡作为电阻加热单元，不依赖任何外部热源，通过真空袋成型或模压成型工艺，实现玻璃纤维、玄武岩纤维等纤维增强聚丙烯或尼龙等粒料及预浸料的电阻自加热成型。
本发明的技术方案为：一种以碳纤维薄毡作为加热单元的热塑性复合材料电阻加热的快速成型方法及加工系统，加工系统包括真空袋封装系统(或模压系统)、金属电极、电压调控装置、程序温度调控装置、热电偶。金属电极通过导电银胶固定在碳纤维薄毡两端，将铺层好的材料体系置于真空袋或模压机模具中。通过电压调控装置对碳纤维薄毡通电加热，并通过温度控制装置实现工艺温度的调控。
本发明采用如下具体技术方案：
一种长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻自加热快速成型方法，所述成型方法包括如下步骤：
步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备；
步骤二：热塑性预浸料剪裁准备或热塑性粒料备料，所述热塑性预浸料为纤维增强热塑性树脂；
步骤三：碳纤维薄毡、热塑性预浸料或粒料和电极的铺层固定；
步骤四：工装准备；
将上述铺设好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料或粒料材料体系、电极、模具、热电偶组合在一起；连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与电源；
步骤五：加载电压进行热塑性复合材料产品的成型。
所述步骤一中碳纤维薄毡(CF Felt)单层厚度范围为0.10mm～0.30mm，面密度范围为10g/m2～50g/m2。
所述步骤二中热塑性预浸料(prepreg)单层厚度范围为0.10mm～1.00mm。
所述步骤二中热塑性预浸料形式是长纤维增强形式或连续纤维增强形式；增强纤维种类为各类有机或无机纤维；热塑性预浸料用基体可以是聚丙烯、尼龙、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等热塑性树脂。
所述增强纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维等不导电纤维。
在所述步骤三之前还有模具清理及辅助材料准备步骤。
所述步骤四为单层碳纤维薄毡作为加热源或多层碳纤维薄毡作为加热源。
单层碳纤维薄毡作为加热源时，在模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料按铺层方式进行铺层，其中prepreg表示热塑性预浸料，表示以碳纤维薄毡作为对称中心，n(n＝1,2,3……)表示预浸料铺层数，s表示对称铺层。
采用多层碳纤维薄毡作为加热源时，在模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料按铺层方式 进行铺层，即以碳纤维薄毡作为对称面，热塑性预浸料和碳纤维薄毡交替铺层，其中prepreg表示热塑性预浸料，CF Felt表示碳纤维薄毡，n(n＝1,2,3……)表示预浸料铺层数，s表示对称铺层。
所述步骤四中包括真空袋成型工艺或模压成型工艺。
本发明的更具体的技术方案为：一种长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻自加热快速成型方法，所述成型方法包括如下步骤：
步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备；
步骤二：热塑性预浸料剪裁准备或热塑性粒料备料；
步骤三：模具清理及辅助材料准备；
步骤四：碳纤维薄毡插入热塑性预浸料铺层或粒料中；
步骤五：工装准备；
将上述铺设好的材料体系、电极、模具、热电偶按照现有技术组合在一起；连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与电源。
步骤六：加载电压进行热塑性复合材料产品的成型；
(1)对于真空袋成型：依据设定的温度、压力等工艺参数，通过碳纤维薄毡进行电阻加热，使热塑性树脂基体熔融，并在真空压力作用下流动、浸渍纤维，实现热塑性复合材料产品的制备。
(2)对于模压成型：依据设定的温度、压力等工艺参数，通过碳纤维薄毡进行电阻加热，使热塑性树脂基体熔融，在模具压力作用下流动、浸渍纤维，实现模压制品成型。
步骤七：冷却。
根据对产品性能和工艺时间要求，通过控制加热功率和冷却装置两种方式，调控冷却速率。
本发明制备热塑性复合材料成型系统的优点在于：
(1)与传统的加热成型方法相比，本发明的方法可以在几分钟或更短时间内实现长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料快速加热成型，缩短了热塑性复合材料的成型周期，特别是以玻璃纤维、玄武岩纤维等绝缘的增强体制备复合材料，也可以在几分钟或更短时间内实现长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料快速加热成型。
(2)本发明的方法使用的加工系统成本低，加工系统采用成本低的碳纤维薄毡作为电阻加热单元，同时加热加工成型过程中无需大型设备投入。
(3)本发明的方法使用的加工系统耗能小，碳纤维热电转换效率高，节能效果好。
(4)本发明系统通过增设温度控制和电压控制系统，实现了对工艺过程中温度和电压的监控，并可以根据成型工艺需要调整电源的工作电压来改变电阻加热单元升降温速率，便于工艺过程的控制。
(5)本发明适用于不同厚度复合材料板材成型，不仅可实现复合材料薄板(＜5mm)电阻加热成型，而且通过布置多层碳纤维薄毡、电极实现复合材料厚板(＞5mm)的电阻加热成型。
(6)本发明适用于不同形状板材电阻加热成型，既可以实现平面层板成型，亦可以实现多种形式异形曲面的成型。
(7)本发明的方法采用低电压加热，操作安全。
附图说明
图1是本发明中加工系统的结构示意图。
图2是本发明中单层热源加热的铺层结构示意图。
图3是本发明中多层热源加热的铺层结构示意图。
图4是不同结构形式示意图。其中图4.1平板结构；图4.2U型曲面结构；图4.3L型结构；
图5是本发明温度调控器中设置的加热温度曲线。
1.铜电极 1A.铜正电极 1B.铜负电极
2.碳纤维薄毡 3.热塑性预浸料 4.金属模具
5.真空泵 6.真空管 7.阀门
8.热电偶 9.程序温度控制器 10.电源
11.均温铝模具 12.真空袋 13.密封胶
14.冷却装置
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外应理解，在阅读本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样属于本申请所附权利要求书所限定的范围。
步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备。
所选用的碳纤维薄毡单层厚度范围为0.10mm～0.30mm，面密度范围为10g/m2～50g/m2，具体尺寸大小和铺层数根据实际需求确定。
步骤二：热塑性预浸料的剪裁准备或粒料片材备料。
所选用的热塑性预浸料或粒料片材单层厚度范围为0.10mm～1.00mm，具体尺寸大小和铺层数根据实际需求确定。热塑性预浸料是连续纤维增强形式的片材，粒料片材为长纤维增强形式的热塑性性片材(LFT片材)；增强纤维种类可以为各类有机或无机纤维；热塑性预浸料用基体可以是聚丙烯、尼龙、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等热塑性树脂。
步骤三：模具清理及辅助材料准备。
(1)模具清理：将模具内表面清理平整，然后用有机溶剂如乙醇、丙酮、汽油等清洁表面，并涂覆好脱模剂；
(2)对于真空袋成型工艺，还需要准备辅助材料。根据实际需要裁剪特定尺寸大小的真空袋，准备好密封胶、抽真空导管等。
步骤四：碳纤维薄毡、热塑性预浸料(或粒料)和电极的铺层固定。
(1)采用单层碳纤维薄毡作为加热源；
在步骤三提及的模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料按铺层方式进行铺层，其中prepreg表示热塑性预浸料，表示以碳纤维薄毡作为对称中心，n(n＝1,2,3……)表示预浸料铺层数，s表示对称铺层。
根据实际要求裁剪两条宽度在10mm～20mm之间，长度大于碳纤维薄毡宽度的铜箔条作为加热电极，铺在碳纤维薄毡与预浸料(或粒料)之间，电极位于碳纤维薄毡的两端。
(2)采用多层碳纤维薄毡作为加热源：
在步骤三提及的模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料按铺层方式 进行铺层，即以碳纤维薄毡作为对称面，热塑性预浸料和碳纤维薄毡交替铺层，其中prepreg表示热塑性预浸料，CF Felt表示碳纤维薄毡，n(n＝1,2,3……)表示预浸料铺层数，s表示对称铺层。
根据实际需要裁剪多条宽度在10mm～20mm之间，长度大于碳纤维薄毡宽度的铜箔条作为加热电极，铺在碳纤维薄毡与预浸料之间，每一片薄毡铺两条电极，电极位于碳纤维薄毡的两端。
实际铺层方式根据制件而定，实际加工制件结构可以是平面层板、曲面板、异形板。
步骤五：工装准备。
对于真空袋成型工艺：
(1)使用步骤三准备好的真空袋、密封胶等辅助材料将步骤三和步骤四中准备好的材料体系、电极、模具、热电偶按照现有技术密封在一起；
(2)开启真空泵，抽真空1～2min，并检查是否漏气；
(3)连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与电源。
对于模压成型工艺：
(1)将步骤三和步骤四准备好的材料体系、热电偶按实际情况固定在模具上。
(2)连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与电源。
步骤六：加载电压进行热塑性复合材料产品的制备。
开启程序控制温度调控器和电源，根据工艺要求设定温度和电压，将电极连接电源进行通电，通过碳纤维薄毡电阻加热效应，实现热塑性复合材料产品电阻加热成型。对于模压成型工艺，还需根据实际需要设置合适的合模压力、保压时间和模具温度。在自加热完成成型后，依据不同产品性能要求进行冷却，脱模，制得热塑性复合材料层板。
其中，程序控制温度调控器根据热电偶实时采集的实时温度T实时与设定温度T设定进行比较，当实时温度T实时高于设定温度T设定时，降低或停止电源功率输出，在合理范围内控制成形温度。
步骤七：冷却。
根据对产品性能和工艺时间要求，通过控制加热功率和冷却装置两种方式，调控冷却速率。本发明中的冷却装置为水循环冷却系统。
实施例1：
单层碳纤维薄毡作为电阻加热单元的连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的自加热成型。
具体步骤如下：
步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备。选取碳纤维分布均匀的面密度为10g/m2碳纤维薄毡，将碳纤维薄毡按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁1片。
步骤二：热塑性预浸料的剪裁准备。选取厚度为0.30mm的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸料，将玻璃纤维增强聚丙烯预浸料按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁6片。
步骤三：真空袋压法用模具清理及辅助材料准备。
(1)模具清理：将模具内表面清理平整，然后用丙酮清洁模具表面；
(2)准备辅助材料：裁剪真空袋按；准备好密封胶、脱模剂、抽真空导管等。
步骤四：碳纤维薄毡、热塑性预浸料和电极的铺层固定。
在步骤三提及的模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维毡和热塑性预浸料按铺层方式进行铺层。以宽度为10mm，长度为200mm的铜箔条作为电极，铺在碳纤维薄毡与预浸料之间，电极位于碳纤维薄毡的两端。同时在材料体系上下表面铺均温铝片，最后用高温胶带固定。
步骤五：工装准备。
(1)使用步骤三准备好的真空袋、密封胶等辅助材料将步骤三和步骤四中准备好的材料体系、电极、模具、热电偶按照现有技术密封在一起；热电偶置于试样表面，如图2所示；
(2)开启真空泵，抽真空1～2min，并检查是否漏气；
(3)连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与电源。
步骤六：加载电压进行热塑性复合材料产品的制备。
开启程序控制温度调控器和电源，设定工艺温度为180℃和电压为30V，将电极连接电源进行通电，通过碳纤维薄毡电阻加热效应，实现热塑性复合材料产品电阻加热成型。
步骤七：冷却。
打开试样表面布控的冷却装置，对成型试样进行快速冷却。冷却过程保持真空压，冷却结束后关闭真空系统，打开真空袋，脱模后获得热塑性复合材料层板。
根据上述实施例1的制备工艺，以碳纤维薄毡为电阻加热单元，制备玻璃纤维增强聚丙烯复合材料层板，加热成型周期在3分钟以内，消耗电能约为70W·h。额定功率为10kw的热压机3分钟内加工相同板材消耗电能约为500W·h。
实施例2：
三层碳纤维薄毡作为电阻加热单元的连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的自加热成型。
具体步骤如下：
步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备。选取碳纤维分布均匀的面密度为10g/m2碳纤维薄毡，将碳纤维薄毡按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁3片。
步骤二：热塑性预浸料的剪裁准备。选取厚度为0.30mm的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸料，将玻璃纤维增强聚丙烯预浸料按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁12片。
步骤三：真空袋压法用模具清理及辅助材料准备。
(1)模具清理：将模具内表面清理平整，然后用丙酮清洁模具表面；
(2)准备辅助材料：裁剪真空袋按；准备好密封胶、脱模剂、抽真空导管等。
步骤四：碳纤维薄毡、热塑性预浸料和电极的铺层固定。
在步骤三提及的模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维毡和热塑性预浸料按铺层方式进行铺层。以宽度为10mm，长度为200mm的铜箔条作为电极，铺在碳纤维薄毡与预浸料之间，电极位于碳纤维薄毡的两端。同时在材料体系上下表面铺均温铝片，最后用高温胶带固定。
步骤五：工装准备。
(1)使用步骤三准备好的真空袋、密封胶等辅助材料将步骤三和步骤四中准备好的材料体系、电极、模具、热电偶按照现有技术密封在一起；热电偶置于试样表面，如图2所示；
(2)开启真空泵，抽真空1～2min，并检查是否漏气；
(3)连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与电源。
步骤六：加载电压进行热塑性复合材料产品的制备。
开启程序控制温度调控器和电源，设定工艺温度为180℃和电压为30V，将电极连接电源进行通电，通过碳纤维薄毡电阻加热效应，实现热塑性复合材料产品电阻加热成型。
步骤七：冷却。
打开试样表面布控的冷却装置，对成型试样进行快速冷却。冷却过程保持真空压，冷却结束后关闭真空系统，打开真空袋，脱模后获得热塑性复合材料层板。
实施例3：
单层碳纤维薄毡作为电阻加热单元的连续玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料的自加热成型。
具体步骤如下：
步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备。选取碳纤维分布均匀的面密度为10g/m2碳纤维薄毡，将碳纤维薄毡按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁1片。
步骤二：热塑性预浸料的剪裁准备。选取厚度为0.30mm的连续玄武岩纤维增强聚丙烯预浸料，将玄武岩纤维增强聚丙烯预浸料按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁6片。
步骤三：真空袋压法用模具清理及辅助材料准备。
(1)模具清理：将模具内表面清理平整，然后用丙酮清洁模具表面；
(2)准备辅助材料：裁剪真空袋按；准备好密封胶、脱模剂、抽真空导管等。
步骤四：碳纤维薄毡、热塑性预浸料和电极的铺层固定。
在步骤三提及的模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维毡和热塑性预浸料按铺层方式进行铺层。以宽度为10mm，长度为200mm的铜箔条作为电极，铺在碳纤维薄毡与预浸料之间，电极位于碳纤维薄毡的两端。同时在材料体系上下表面铺均温铝片，最后用高温胶带固定。
步骤五：工装准备。
(1)使用步骤三准备好的真空袋、密封胶等辅助材料将步骤三和步骤四中准备好的材料体系、电极、模具、热电偶按照现有技术密封在一起；热电偶置于试样表面，如图2所示；
(2)开启真空泵，抽真空1～2min，并检查是否漏气；
(3)连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与电源。
步骤六：加载电压进行热塑性复合材料产品的制备。
开启程序控制温度调控器和电源，设定工艺温度为180℃和电压为30V，将电极连接电源进行通电，通过碳纤维薄毡电阻加热效应，实现热塑性复合材料产品电阻加热成型。
步骤七：冷却。
打开试样表面布控的冷却装置，对成型试样进行快速冷却。冷却过程保持真空压，冷却结束后关闭真空系统，打开真空袋，脱模后获得热塑性复合材料层板。
根据上述实施例3的制备工艺，以碳纤维薄毡为电阻加热单元，制备玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料层板，加热成型周期在3分钟以内，消耗电能约为70W·h。额定功率为10kw的热压机3分钟内加工相同板材消耗电能约为500W·h。
实施例4：
单层碳纤维薄毡作为电阻加热单元的连续玄武岩纤维增强聚醚醚酮复合材料的自加热成型。
具体步骤如下：
步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备。选取碳纤维分布均匀的面密度为10g/m2碳纤维薄毡，将碳纤维薄毡按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁1片。
步骤二：热塑性预浸料的剪裁准备。选取厚度为0.30mm的连续玄武岩纤维增强聚醚醚酮预浸料，将玄武岩纤维增强聚醚醚酮预浸料按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁6片。
步骤三：真空袋压法用模具清理及辅助材料准备。
(1)模具清理：将模具内表面清理平整，然后用丙酮清洁模具表面；
(2)准备辅助材料：裁剪真空袋按；准备好密封胶、脱模剂、抽真空导管等。
步骤四：碳纤维薄毡、热塑性预浸料和电极的铺层固定。
在步骤三提及的模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维毡和热塑性预浸料按铺层方式进行铺层。以宽度为10mm，长度为200mm的铜箔条作为电极，铺在碳纤维薄毡与预浸料之间，电极位于碳纤维薄毡的两端。同时在材料体系上下表面铺均温铝片，最后用高温胶带固定。
步骤五：工装准备。
(1)使用步骤三准备好的真空袋、密封胶等辅助材料将步骤三和步骤四中准备好的材料体系、电极、模具、热电偶按照现有技术密封在一起；热电偶置于试样表面，如图2所示；
(2)开启真空泵，抽真空1～2min，并检查是否漏气；
(3)连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与电源。
步骤六：加载电压进行热塑性复合材料产品的制备。
开启程序控制温度调控器和电源，设定工艺温度为390℃和电压为50V，将电极连接电源进行通电，通过碳纤维薄毡电阻加热效应，实现热塑性复合材料产品电阻加热成型。
步骤七：冷却。
打开试样表面布控的冷却装置，对成型试样进行快速冷却。冷却过程保持真空压，冷却结束后关闭真空系统，打开真空袋，脱模后获得热塑性复合材料层板。
根据上述实施例4的制备工艺，以碳纤维薄毡为电阻加热单元，制备玄武岩纤维增强聚醚醚酮复合材料层板，加热成型周期在10分钟以内，消耗电能约为240W·h。额定功率为10kw的热压机10分钟内加工相同板材消耗电能约为1700W·h。
实施例5：
三层碳纤维薄毡作为电阻加热单元的连续玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料的自加热成型。
具体步骤如下：
步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备。选取碳纤维分布均匀的面密度为10g/m2碳纤维薄毡，将碳纤维薄毡按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁3片。
步骤二：热塑性预浸料的剪裁准备。选取厚度为0.30mm的连续玻璃纤维增强聚碳酸酯预浸料，将玻璃纤维增强聚碳酸酯预浸料按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁12片。
步骤三：真空袋压法用模具清理及辅助材料准备。
(1)模具清理：将模具内表面清理平整，然后用丙酮清洁模具表面；
(2)准备辅助材料：裁剪真空袋按；准备好密封胶、脱模剂、抽真空导管等。
步骤四：碳纤维薄毡、热塑性预浸料和电极的铺层固定。
在步骤三提及的模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维毡和热塑性预浸料按铺层方式进行铺层。以宽度为10mm，长度为200mm的铜箔条作为电极，铺在碳纤维薄毡与预浸料之间，电极位于碳纤维薄毡的两端。同时在材料体系上下表面铺均温铝片，最后用高温胶带固定。
步骤五：工装准备。
(1)使用步骤三准备好的真空袋、密封胶等辅助材料将步骤三和步骤四中准备好的材料体系、电极、模具、热电偶按照现有技术密封在一起；热电偶置于试样表面，如图2所示；
(2)开启真空泵，抽真空1～2min，并检查是否漏气；
(3)连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与电源。
步骤六：加载电压进行热塑性复合材料产品的制备。
开启程序控制温度调控器和电源，设定工艺温度为300℃和电压为50V，将电极连接电源进行通电，通过碳纤维薄毡电阻加热效应，实现热塑性复合材料产品电阻加热成型。
步骤七：冷却。
打开试样表面布控的冷却装置，对成型试样进行快速冷却。冷却过程保持真空压，冷却结束后关闭真空系统，打开真空袋，脱模后获得热塑性复合材料层板。
实施例6：
单层碳纤维薄毡作为电阻加热单元的长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的自加热成型。
具体步骤如下：
步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备。选取碳纤维分布均匀的面密度为10g/m2碳纤维薄毡，将碳纤维薄毡按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁1片。
步骤二：长玻璃纤维增强聚丙烯粒料片材(LFT-PP片材)的准备。选取厚度为0.20mm的LFT-PP片材，将LFT片材按尺寸100mm*120mm进行剪裁，剪裁6片。
步骤三：模具清理。将模具内表面清理平整，然后用丙酮清洁模具表面；
步骤四：碳纤维薄毡、LFT片材和电极的铺层固定。
在步骤三提及的模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维毡和LFT片材按铺层方式进行铺层。以宽度为10mm，长度为200mm的铜箔条作为电极，铺在碳纤维薄毡与LFT片材之间，电极位于碳纤维薄毡的两端。同时在材料体系上下表面铺均温铝片，最后用高温胶带固定。
步骤五：工装准备。
将步骤四提及的材料体系、电极等固定到模压模具中，再将整个系统转移至压机中；连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与电源。
步骤六：加载电压进行热塑性复合材料产品的制备。
开启程序控制温度调控器和电源，设定工艺温度为180℃和电压为30V，将电极连接电源进行通电。同时开启压机进行加压，通过碳纤维薄毡电阻加热效应，实现热塑性复合材料产品电阻加热成型。
步骤七：冷却。
打开压机的冷却装置，对成型试样进行快速冷却。脱模后获得热塑性复合材料层板。

Claims (10)

1.一种长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻自加热快速成型方法，所述成型方法包括如下步骤：
步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备；
步骤二：热塑性预浸料剪裁准备或热塑性粒料备料，所述热塑性预浸料为纤维增强热塑性树脂；
步骤三：碳纤维薄毡、热塑性预浸料或粒料和电极的铺层固定；
步骤四：工装准备；
将上述铺设好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料或粒料材料体系、电极、模具、热电偶组合在一起；连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与直流电源；
步骤五：加载电压进行热塑性复合材料产品的成型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤一中碳纤维薄毡单层厚度范围为0.10mm～0.30mm，面密度范围为10g/m2～50g/m2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤二中热塑性预浸料单层厚度范围为0.10mm～1.00mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤二中热塑性预浸料形式是长纤维增强形式或连续纤维增强形式；增强纤维种类为各类有机或无机纤维；热塑性预浸料用基体可以是聚丙烯、尼龙、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等热塑性树脂。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是所述增强纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维等不导电纤维。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是在所述步骤三之前还有模具清理及辅助材料准备步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤四为单层碳纤维薄毡作为加热源或多层碳纤维薄毡作为加热源。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是单层碳纤维薄毡作为加热源时，在模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料按铺层方式进行铺层，其中prepreg表示热塑性预浸料，表示以碳纤维薄毡作为对称中心，n(n＝1,2,3……)表示预浸料铺层数，s表示对称铺层。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征是采用多层碳纤维薄毡作为加热源时，在模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料按铺层方式进行铺层，即以碳纤维薄毡作为对称面，热塑性预浸料和碳纤维薄毡交替铺层，其中prepreg表示热塑性预浸料，CF Felt表示碳纤维薄毡，n(n＝1,2,3……)表示预浸料铺层数，s表示对称铺层。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征是所述步骤四中包括真空袋成型工艺或模压成型工艺。
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