CN107471778A - 基于半固化片的纤维复合材料及其成型方法 - Google Patents

基于半固化片的纤维复合材料及其成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于半固化片的纤维复合材料及其成型方法，其特征在于：由若干层半固化片叠合，经1‑2次加热软化后模压成型构成；所述半固化片为可热塑成型的半固化片，由纤维增强材料层浸润可热塑型树脂构成；所述可热塑型树脂在加热后具有多次塑型的性能特点，使所述半固化片可反复受热形变。本发明经过半固化纤维片的制作，通过两次加热软化，使半固化片和模具同时受热，两者贴合更精准，对于大型的复杂异形结构件，大大提高了产品的精准度和结构稳定性；解决了现有技术所存在的砂眼、气泡、不平整带来的外观质量问题，并提升了产品的强度性能。

Description

基于半固化片的纤维复合材料及其成型方法
技术领域
本发明涉及一种基于半固化片的纤维复合材料及其成型方法，属于复合材料品加工领域。
背景技术
纤维复合材料制品是指由纤维与树脂通过各种方式固化成型为制品，在现有技术中，成型工艺有手糊成型、热压罐成型、模压成型、RTM真空辅助成型以及树脂传递模压工艺RTM：
手糊成型工艺，是用手工将预浸料裱糊在模具上，然后固化成型。存在生产效率低、劳动条件差和劳动强度大等问题。
热压罐成型工艺，是用预浸树脂的碳纤维材料在模具上叠层，并覆上模，利用罐内的高压空气向模具施加压力，并在热压灌中加热固化。存在能耗巨大、温度压力升/降耗时长、产量受热压罐的体积限制、生产成本高、效率低等问题。
模压成型工艺，是将预浸树脂的碳纤维材料放入金属模具中，升温加压后使多余的胶液溢出来，然后再高温固化成型，冷却脱膜后成品就出来了。虽然具有高效、制件质量好、尺寸精度高、受环境影响小等优点，但存在能耗大、升温降温过程长、模具需求量大和投入成本高等问题。
树脂传递模压工艺RTM，是先将增强材料做成预成型件放入封闭模具中，在真空和压力的条件下，树脂被注入模具而固化成型。此方法具有环保、形成的层合板性能及双面质量好的特点，适用于成形大型整体件。但存在树脂通过压力注射进入模腔形成的零件孔隙含量较大、纤维含量较低、树脂在纤维中分布不匀、树脂对纤维浸渍不充分以及生产效率低、人工程度高等问题。
综上所述，现有技术的纤维复合材料成型方法，在铺布上，都是采用手工将增强材料或者预浸料铺入模具的方式，存在效率低下、产品误差大的问题。
从大规模的热压罐到后面的RTM成型工艺，在固化这块，都是将树脂通过压力导入或者注入模具内，因为树脂的粘度和流动性性，所以，树脂不能完全浸润到增强材料中，从而影响产品的外观纹路以及强度等性能。
由现有工艺制备出来产品，在后期有一个很长的后处理工序，如：打磨、喷涂等，且采用手工处理，产品成品率非常低，成本也比较高；
现有技术的工艺手工化程度高，劳动强度大，产品生产程序复杂、周期长，产品成本高，比较适用于制作样品，实现批量产非常困难，影响整个制品行业的发展；
针对于一些大型的复杂异形件，对于一些直角或者R角的位置，或者其他的不规则位置，很难铺布成形、到位，加工起来非常困难，想要达到量产化更是不可能，所以，在目前加工时，只能多次加工、多次成型，造成成本非常高，效率非常低。
总体来说，现有纤维复合材料及其成型工艺，存在加工周期长、效率低下、产品成本高、难于实现量产化、加工成型超大型复杂异形件困难、成本昂贵的问题。为此，急需一种提供可以快速制作大型异形复杂的结构件的材料和加工工艺。
发明内容
本发明的目的之一，是为了解决现有技术的纤维复合材料及其成型工艺存在加工周期长、效率低下、产品成本高、难于实现量产化、加工成型超大型复杂异形件困难、成本昂贵的问题，提供一种基于半固化片的纤维复合材料；具有加工周期短、效率高、产品成本较低、便于实现量产化、加工成型超大型复杂异形件方便困难、成本较低的特点。
本发明的目的之二，是为了提供一种基于半固化片的纤维复合材料的成型方法。
本发明的目的之一可以通过采取如下技术方案达到：
基于半固化片的纤维复合材料，其特征在于：由若干层半固化片叠合，经1-2次加热软化后模压成型构成；所述半固化片为可热塑成型的半固化片，由纤维增强材料层浸润可热塑型树脂构成；所述可热塑型树脂在加热后具有多次塑型的性能特点，使所述半固化片可反复受热形变。
本发明的目的之一还可以通过采取如下技术方案达到：
进一步地，构成半固化片的可热塑型树脂为不饱和树脂组合物，该半固化片是用不饱和树脂组合物浸渍或涂覆纤维增强材料层而成，半固化片中，不饱和树脂组合物的在半固化片中的质量含量为25-95％，纤维增强材料层的质量含量为75-5％。
进一步地，所述纤维增强材料层由玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、超高分子量聚乙烯纤维或芳纶纤维构成；不饱和树脂组合物对上述纤维增强材料层进行浸渍或涂覆后，在100-250℃温度范围内、在干燥器中加热1-3分钟，以清除溶剂使不饱和树脂组合物达到半固化，形成半固化片。
本发明的目的之二可以通过采取如下技术方案达到：
基于半固化片的纤维复合材料的成型方法，其特征在于包括如下步骤：
1)准备好成型设备和材料；设置具有预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、预热、加热和模压成型结构的专用设备，准备好可热塑成型的树脂和纤维增强材料；
2)制得半固化片，将纤维增强材料浸入可热塑成型的树脂溶液中，使可热塑成型树脂充分浸润在纤维增强材料上，然后在50℃-200℃条件下烘烤1-30分钟以去除溶剂，制得半固化片；
3)制作半固化片复合材料；取步骤2)所述的半固化片1-5片叠置，并在层叠结构的上、下表配置厚度10-50微米的离型膜，然后置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态、在0.1-10PMa的压力条件，工件在温度50-300℃条件下固化0.5-10小时，制成0.2-2mm厚度的半固化片复合材料；
4)剪裁模板，根据产品的尺寸要求，用裁切机构裁切成可热塑半固化片纤维复合材料的模板；
5)工件预热，将裁剪好的半固化片纤维复合材料的模板放入模具中，进行首次预热软化，预热温度50℃-120℃，预热时间3-5min；
6)工件软化，首次预热时间到后，进入二次加热软化阶段，同步模具也进行加热，加热温度为130℃-200℃，软化时间10s-50s；
7)工件压制成型，待工件软化后，进行模具压制成型，压制成型的压力为3-50KG，压制成型时间为3-15min；
8)制得产品成品；工件冷却脱模，修边，制成固化片纤维复合材料成品。
本发明的目的之二还可以通过采取如下技术方案达到：
进一步地，所述纤维增强材料，包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维；所述增强材料中的纤维，为长纤维、短纤维、混编纤维或单向纤维。
进一步地，步骤2)制得的可热塑半固化片，为可多次热塑成型半固化片。
进一步地，步骤3)所述的离型膜，其厚度为10-50微米，真空压力条件0.1-10PMa，真空度0-100毫米汞柱，固化温度50-300℃，固化时间0.5-10小时，复合材料板材厚度0.2-10mm。
进一步地，步骤3)的压力控制方式，包括多段温度压制、多段压力压制和多段真空压制。
进一步地，步骤6)所述的工件软化，加热温度为130℃-200℃，成型时间3-15min，形成工件的二次加热使半固化片充分软化，与模具高度贴合，满足异形结构的复杂要求。
进一步地，步骤7)所述工件压制成型，包括模压成型或缠绕成型，压力条件为30-50KG，成型时间为3-15min。
进一步地，步骤8)所述工件冷却脱模，指产品温度达到20-50℃，即可脱模成功。
本发明具有如下突出的有益效果：
1、发明由于设置了具有预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、预热、加热和模压成型结构的专用设备，使材料的预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、加热和模压成型工序都是由机械设备完成，无需手工预浸、铺设材料，也无需使用大型设备，因此能够解决现有技术的纤维复合材料及其成型工艺存在加工周期长、效率低下、产品成本高、难于实现量产化、加工成型超大型复杂异形件困难、成本昂贵的问题，具有加工周期短、效率高、产品成本较低、便于实现量产化、加工成型超大型复杂异形件方便困难、成本较低的特点和有益效果。
2、本发明经过半固化纤维片的制作，通过两次加热软化，使半固化片和模具同时受热，两者贴合更精准，对于大型的复杂异形结构件，大大提高了产品的精准度和结构稳定性；解决了现有技术所存在的砂眼、气泡、不平整带来的外观质量问题，并提升了产品的强度性能。
3、本发明采用预热软化成型，成型时间大大缩短，实现批量生产的目的；本发明利用半固化片压制成型，替代手工铺布的方式，提高了效率和产品精度。本发明简化工艺流程，避免了后处理工序，节省了人力成本，提高了生产效率，实现工业大批量生产。
具体实施方式
具体实施例1：
本实施例1涉及的基于半固化片的纤维复合材料，其由1层或2-5层半固化片叠，经1-2次加热软化后模压成型构成；所述半固化片为可热塑成型的半固化片，由纤维增强材料层浸润可热塑型树脂构成；所述可热塑型树脂在加热后具有多次塑型的性能特点，使所述半固化片可反复受热形变。
本实施例中：
所述半固化片涉及的可热塑型树脂为不饱和树脂组合物，该半固化片是用不饱和树脂组合物浸渍或涂覆纤维增强材料层而成，所述纤维增强材料层可以由玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、超高分子量聚乙烯纤维或芳纶纤维构成；不饱和树脂组合物对上述纤维增强材料层进行浸渍或涂覆后，为了赶出溶剂并使不饱和树脂组合物达到半固化，通常会在100-250℃温度范围内，在干燥器中加热1-3分钟，从而制得半固化片，以半固化片为100质量份计，不饱和树脂组合物的在半固化片中的含量优选为25-95％。
本实施例涉及的基于半固化片的纤维复合材料的成型方法，其特征在于包括如下步骤：
1)准备好成型设备和材料；设置具有预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、预热、加热和模压成型结构的专用设备，准备好可热塑成型的树脂和纤维增强材料；
2)制得半固化片，将纤维增强材料浸入可热塑成型的树脂溶液中，使可热塑成型树脂充分浸润在纤维增强材料上，或将可热塑成型的热固树脂均匀涂在纤维布上面，在165℃条件下烘烤3分钟去除溶剂，制得树脂含量为45％的半固化片；
3)制作半固化片复合材料；取步骤2)所述的半固化片3片叠置，在其上下配置厚度30微米的离型膜，置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态，在0.3PMa的压力条件，制品温度在180℃条件下固化1小时，制成0.8mm厚度的层压复合材料；
4)剪裁模板，根据产品的尺寸要求，用裁切机构裁切成可热塑半固化片纤维复合材料的模板；大小为0.3*0.5M；
5)工件预热，将裁剪好的半固化片纤维复合材料的模板放入模具中，进行首次预热软化，预热温度50℃，预热时间5min；
6)工件软化，首次预热时间到后，进入二次加热软化阶段，同步模具也进行加热，加热温度为130℃，软化时间30s；
7)工件压制成型，待工件软化后，进行模具压制成型，压制成型的压力为5KG，压制成型时间为12min；
8)制得产品成品；工件冷却脱模，修边，制成固化片纤维复合材料成品。
具体实施例2：
本具体实施例2的特点是：
将可热塑成型的热固树脂均匀涂在纤维布上面，在170℃条件下烘烤2分钟去除溶剂，制得树脂含量为48％的半固化片。将得到的半固化片4片叠置，在其上下配置厚度25微米的离型膜，置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态，在0.3PMa的压力条件，制品温度在180℃条件下固化1小时，制成1.2mm厚度的层压复合材料。据产品的尺寸要求，用自动裁切机裁切精准半固化片纤维复合材料，大小为0.5*1.2M；将裁剪好的半固化片，放到加热设备上加热到100℃，软化时间2min；将经过首次预热的半固化片放入模具内，与模具进行同步加热，加热温度为150℃；压制成型，压力为30Kg，压制成型时间为10min；固化完成后，脱模，修边，完成产品制作。
其余同具体实施例1。
具体实施例3：
本具体实施例3的特点是：
将可热塑成型的热固树脂均匀涂在纤维布上面，在170℃条件下烘烤3分钟去除溶剂，制得树脂含量为45％的半固化片。将得到的半固化片5片叠置，在其上下配置厚度35微米的离型膜，置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态，在0.3PMa的压力条件，制品温度在180℃条件下固化1小时，制成1.5mm厚度的层压复合材料。据产品的尺寸要求，用自动裁切机裁切精准半固化片纤维复合材料，大小约为1.2*1.6M；将裁剪好的半固化片，放到模具具加热到120℃，软化时间为1min；二次加热，加热温度为200℃；压制成型，压力为200N，压制成型时间为2min；固化完成后，脱模，修边，完成产品制作。
其余同具体实施例1。
本发明的其他具体实施例的特点是：
基于半固化片的纤维复合材料的成型方法，其特征在于包括如下步骤：
1)准备好成型设备和材料；设置具有预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、预热、加热和模压成型结构的专用设备，准备好可热塑成型的树脂和纤维增强材料；
2)制得半固化片，将纤维增强材料浸入可热塑成型的树脂溶液中，使可热塑成型树脂充分浸润在纤维增强材料上，然后在50℃、60℃、70℃、80℃、100℃、120℃、150℃、180℃或200℃条件下烘烤30分钟、27分钟、25分钟、22分钟、20分钟、18分钟、15分钟、12分钟、8分钟、5分钟、3分钟或10分钟，以去除溶剂，制得半固化片；
3)制作半固化片复合材料；取步骤2)所述的半固化片1-5片叠置，并在层叠结构的上、下表配置厚度10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、35微米、40微米、45微米或50微米的离型膜，然后置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态、在0.1PMa、0.5PMa、1.0PMa、1.5PMa、2.0PMa、2.5PMa、3.0PMa、3.5PMa、4.0PMa、5PMa、5.5PMa、6PMa、7PMa、7.5PMa、8PMa、8.5PMa、9.0PMa、9.5PMa或10PMa的压力条件，工件在温度50℃、80℃、100℃、130℃、150℃、200℃、220℃、250℃或300℃条件下固化0.5小时、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、5小时、5.5小时、6小时、7小时、7.5小时、8.5小时、9小时、9.5小时或10小时，制成0.2-2mm厚度的半固化片复合材料；
4)剪裁模板，根据产品的尺寸要求，用裁切机构裁切成可热塑半固化片纤维复合材料的模板；
5)工件预热，将裁剪好的半固化片纤维复合材料的模板放入模具中，进行首次预热软化，预热温度50℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、100℃、11℃或120℃，预热时间3min、4min或5min；
6)工件软化，首次预热时间到后，进入二次加热软化阶段，同步模具也进行加热，加热温度为130℃、135℃、140℃、150℃、160℃、165℃、175℃、180℃、190℃、195℃或200℃，软化时间10s、15s、20s、25s、30s、35s、40s、45s或50s；
7)工件压制成型，待工件软化后，进行模具压制成型，压制成型的压力为3KG、5KG、10KG、15KG、20KG、25KG、30KG、35KG、40KG、45KG或50KG，压制成型时间为3min、5min、8min、10min、12min或15min；
8)制得产品成品；工件冷却脱模，修边，制成固化片纤维复合材料成品。
进一步地，所述纤维增强材料，包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维；所述增强材料中的纤维，为长纤维、短纤维、混编纤维或单向纤维；
进一步地，步骤3)所述的离型膜，其厚度为10-50微米，真空压力条件0.1-10PMa，真空度0-100毫米汞柱，固化温度50-300℃，固化时间0.5-10小时，复合材料板材厚度0.2-10mm；
进一步地，步骤3)的压力控制方式，包括多段温度压制、多段压力压制和多段真空压制。
进一步地，步骤2)制得的可热塑半固化片，为可多次热塑成型半固化片。
进一步地，步骤6)所述的工件软化，加热温度为130℃-200℃，成型时间3-15min，形成工件的二次加热使半固化片充分软化，与模具高度贴合，满足异形结构的复杂要求。
进一步地，步骤7)所述工件压制成型，包括模压成型或缠绕成型，压力条件为30-50KG，成型时间为3-15min。
进一步地，步骤8)所述工件冷却脱模，指产品温度达到20-50℃，即可脱模成功。
综上所述，本发明所提出的成型工艺，可以快速一体成型，简化了工艺流程，特别是针对大型的复杂结构异形件，产品精度更度，成型速度加快，提高产品生产效率和整体性能，降低产品成本，快速实现量产化。

Claims (10)

1.基于半固化片的纤维复合材料，其特征在于：由若干层半固化片叠合，经1-2次加热软化后模压成型构成；所述半固化片为可热塑成型的半固化片，由纤维增强材料层浸润可热塑型树脂构成；所述可热塑型树脂在加热后具有多次塑型的性能特点，使所述半固化片可反复受热形变。
2.根据权利要求1所述的基于半固化片的纤维复合材料，其特征在于：构成半固化片的可热塑型树脂为不饱和树脂组合物，该半固化片是用不饱和树脂组合物浸渍或涂覆纤维增强材料层而成，半固化片中，不饱和树脂组合物的在半固化片中的质量含量为25-95％，纤维增强材料层的质量含量为75-5％。
3.根据权利要求1所述的基于半固化片的纤维复合材料，其特征在于：所述纤维增强材料层由玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、超高分子量聚乙烯纤维或芳纶纤维构成；不饱和树脂组合物对上述纤维增强材料层进行浸渍或涂覆后，在100-250℃温度范围内、在干燥器中加热1-3分钟，以清除溶剂使不饱和树脂组合物达到半固化，形成半固化片。
4.基于半固化片的纤维复合材料的成型方法，其特征在于包括如下步骤：
1)准备好成型设备和材料；设置具有预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、预热、加热和模压成型结构的专用设备，准备好可热塑成型的树脂和纤维增强材料；
2)制得半固化片，将纤维增强材料浸入可热塑成型的树脂溶液中，使可热塑成型树脂充分浸润在纤维增强材料上，然后在50℃-200℃条件下烘烤1-30分钟以去除溶剂，制得半固化片；
3)制作半固化片复合材料；取步骤2)所述的半固化片1-5片叠置，并在层叠结构的上、下表配置厚度10-50微米的离型膜，然后置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态、在0.1-10PMa的压力条件，工件在温度50-300℃条件下固化0.5-10小时，制成0.2-2mm厚度的半固化片复合材料；
4)剪裁模板，根据产品的尺寸要求，用裁切机构裁切成可热塑半固化片纤维复合材料的模板；
5)工件预热，将裁剪好的半固化片纤维复合材料的模板放入模具中，进行首次预热软化，预热温度50℃-120℃，预热时间3-5min；
6)工件软化，首次预热时间到后，进入二次加热软化阶段，同步模具也进行加热，加热温度为130℃-200℃，软化时间10s-50s；
7)工件压制成型，待工件软化后，进行模具压制成型，压制成型的压力为3-50KG，压制成型时间为3-15min；
8)制得产品成品；工件冷却脱模，修边，制成固化片纤维复合材料成品。
5.根据权利要求4所述的基于半固化片的纤维复合材料，其特征在于：所述纤维增强材料，包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维；所述增强材料中的纤维，为长纤维、短纤维、混编纤维或单向纤维。
6.根据权利要求4或5所述的基于半固化片的纤维复合材料，其特征在于：步骤2)制得的可热塑半固化片，为可多次热塑成型半固化片。
7.根据权利要求4或5所述的基于半固化片的纤维复合材料，其特征在于：步骤3)所述的离型膜，其厚度为10-50微米，真空压力条件0.1-10PMa，真空度0-100毫米汞柱，固化温度50-300℃，固化时间0.5-10小时，复合材料板材厚度0.2-10mm；该步骤3)的压力控制方式，包括多段温度压制、多段压力压制和多段真空压制。
8.根据权利要求4或5所述的基于半固化片的纤维复合材料，其特征在于：步骤6)所述的工件软化，加热温度为130℃-200℃，成型时间3-15min，形成工件的二次加热使半固化片充分软化，与模具高度贴合，满足异形结构的复杂要求。
9.根据权利要求4或5所述的基于半固化片的纤维复合材料，其特征在于：步骤7)所述工件压制成型，包括模压成型或缠绕成型，压力条件为30-50KG，成型时间为3-15min。
10.根据权利要求4或5所述的基于半固化片的纤维复合材料，其特征在于：步骤8)所述工件冷却脱模，指产品温度达到20-50℃，即可脱模成功。
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