CN108568978B - 纤维强化复合材料的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种纤维强化复合材料的制造方法，在强化纤维片中含浸树脂并使其固化时，在模具的内部产生磁场，使树脂在模具内部良好地流动，由此能够防止在强化纤维片中树脂变为未填充状态。本发明的成型模具由上模具和下模具构成。作为上模具和下模具闭合时形成的二者的空隙，构成有空腔。另外，为了使含有磁性体粉的树脂良好地流动，成型模具沿着面对空腔的内壁配置有磁体。上模具从注入口向空腔的周边部，列状配置有多个磁体。同样，下模具也从注入口向空腔的周边部，列状配置有多个磁体。

Description

纤维强化复合材料的制造方法
技术领域
本发明涉及纤维强化复合材料的制造方法，尤其涉及在成型模具的内部将树脂含浸在强化纤维片中并使其固化时使用磁力以将树脂良好地含浸的纤维强化复合材料的制造方法。
背景技术
近年来，作为纤维强化复合材料的制造方法，使用树脂传递成型(RTM)法和反应注射成型(RIM)法等。这些方法是将层叠多个强化纤维片而成的层叠体设置在模具内，合模后，注入未固化的树脂，并且含浸在层叠体中而固化。通过该方法，可以对由未含浸有树脂的干燥基材组成的层叠体进行赋形，因此可以制造形状较为复杂的成型品。
但是，含浸树脂之前的强化纤维片在运送中，层叠的强化纤维片会变得散乱等，操作性差。因此，通常在含浸树脂的正式赋形之前，设置预备赋形工序(专利文献1)。
预备赋形工序是在预备赋形用的模具中设置一个强化纤维片，在其表面散布粉末状的粘合材料，在上面层叠下一强化纤维片。依次反复进行这些操作，形成强化纤维片的层叠体，之后通过预备赋形模具进行合模。由此，在将强化纤维片彼此粘合的同时，形成预备赋形为适合于之后的正式赋形的形状的预成型体。在正式赋形工序中，通过将该预成型体设置在正式赋形用的模具中来使定位更加容易，防止正式赋形时的错位。
另一方面，专利文献2和专利文献3记载了使用磁力对纤维强化复合材料进行树脂成型的方法。专利文献2是在使用模具对FRP制部件进行成型时，在成型模具的内部配置磁体，将混入有磁性粉末的熔融树脂注入到成型模具的内部，由此使磁性粉末集中在磁体附近，提高该部分的耐摩耗性。专利文献3是在进行预备赋形时，用磁性体的套盒与磁体夹着强化纤维基材，向模具的模孔插入套盒，由此使强化纤维基材沿着模具弯曲。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2008-179130号公报
专利文献2：(日本)特开平7-266374号公报
专利文献3：(日本)特开2016-10926号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在如上述专利文献1记载的在正式赋形工序之前进行预备赋形的纤维强化复合材料的制造方法中，由于制造工序复杂化且用于制造的模具增加，因此存在制造成本增加的问题。
作为该问题的应对方法，考虑有不通过上述预备赋形，而是将强化纤维片设置在模具(金型)中，向模具内部注入树脂，由此将该树脂含浸在强化纤维片中，之后，将注入的树脂在模具内部固化。
当不进行这种预备赋形，而是要通过将树脂注入到模具中来在强化纤维片中含浸树脂并使其固化时，形状复杂的部分有可能会产生树脂未充分含浸在强化纤维片中的未含浸区域。当为了避免这种问题而在形状变复杂部分的成型模具中形成多个树脂注入口时，成型模具的形状会变得复杂，注入树脂时的控制工序也会变得复杂，结果可能会产生制造成本变高的问题。
另外，专利文献2记载的成型方法虽然是通过模具空腔内置的磁体(磁石)来使磁性粉末集中，但由于其不会提高树脂的流动性，因此没有解决产生上述未含浸区域的问题。此外，专利文献3记载的成型方法只是为了在模具内部将强化纤维基材制成规定形状而使用磁力，该方法也不会提高树脂的流动性，因此没有解决产生上述未含浸区域的问题。
本发明是鉴于上述情况而进行的发明，其目的在于提供一种纤维强化复合材料的制造方法，将树脂含浸在强化纤维片中并使其固化时，在模具的内部产生磁场，使树脂在模具内部良好地流动，由此能够防止在强化纤维片中树脂变为未填充状态。
解决课题的手段
一种纤维强化复合材料的制造方法，通过在强化纤维片中含浸树脂使其固化来使纤维强化复合材料成型，其特征在于，所述制造方法包括：收纳工序，将所述强化纤维片收纳在成型模具的空腔中；以及成型工序，通过向所述成型模具的所述空腔中注入所述树脂来使所述树脂含浸在所述强化纤维片中，使所述树脂固化，其中，在所述成型工序中，将添加有磁性体粉的所述树脂注入到所述空腔中，在所述空腔中产生磁场，以使添加有所述磁性体粉的所述树脂流动。
另外，本发明的纤维强化复合材料的制造方法，其特征在于，以含有所述磁性体粉的所述树脂向所述强化纤维片的弯曲成型的部位流动的方式，产生所述磁场。
另外，本发明的纤维强化复合材料的制造方法，其特征在于，所述磁场是通过所述成型模具所具有的电磁体产生的。
另外，本发明的纤维强化复合材料的制造方法，其特征在于，所述成型模具形成有第一注入口和第二注入口，含有所述磁性体粉的所述树脂从所述第一注入口注入所述空腔，含有由与所述磁性体粉不同的材料组成的添加粉末的所述树脂从所述第二注入口注入所述空腔。
发明效果
一种纤维强化复合材料的制造方法，通过在强化纤维片中含浸树脂使其固化来使纤维强化复合材料成型，其特征在于，所述制造方法包括：收纳工序，将所述强化纤维片收纳在成型模具的空腔中；以及成型工序，通过向所述成型模具的所述空腔中注入所述树脂来在所述强化纤维片中含浸所述树脂，使所述树脂固化，其中，在所述成型工序中，通过将添加有磁性体粉的所述树脂注入到所述空腔中并且在所述空腔中产生磁场，从而使添加有所述磁性体粉的所述树脂流动。因此，通过在空腔中产生磁场，可以使添加有磁性体粉的树脂向规定方向流动，因此能够抑制空隙的产生，防止强化纤维片中出现树脂未填充的状况。
另外，本发明的纤维强化复合材料的制造方法，其特征在于，以含有所述磁性体粉的所述树脂向所述强化纤维片的弯曲成型的部位流动的方式，产生所述磁场。因此，在树脂一般难以含浸的强化纤维片的弯曲成型的部位，可以利用磁场切实地进行树脂的填充和含浸。
另外，本发明的纤维强化复合材料的制造方法，其特征在于，所述磁场是通过所述成型模具所具有的电磁体产生的。因此，通过利用电磁体产生用于使树脂流动的磁场，可以适宜地控制磁场的强度和方向，使树脂在空腔内部良好地流动。
另外，本发明的纤维强化复合材料的制造方法，其特征在于，所述成型模具形成有第一注入口和第二注入口，含有所述磁性体粉的所述树脂从所述第一注入口向所述空腔注入，含有由与所述磁性体粉不同的材料组成的添加粉末的所述树脂从所述第二注入口向所述空腔注入。因此，通过从第二注入口向空腔注入添加粉末，例如二氧化硅粉末，可以通过添加粉末来使纤维强化复合材料的表面的规定部位粗糙化。由此可以提高粗糙化的纤维强化复合材料表面与粘合剂的紧贴强度。
附图说明
图1(A)和图1(B)是表示通过本发明一实施方式的纤维强化复合材料的制造方法制造的纤维强化复合材料的图，图1(A)是立体图，图1(B)是剖面图；
图2是表示本发明一实施方式的纤维强化复合材料的制造方法所使用的成型模具的剖面图；
图3(A)和图3(B)是表示本发明一实施方式的纤维强化复合材料的制造方法的图，图3(A)和图3(B)是剖面图；
图4(A)-图4(C)是表示本发明一实施方式的纤维强化复合材料的制造方法的图，图4(A)、图4(B)和图4(C)是放大剖面图；
图5(A)-图5(C)是表示本发明另一实施方式的纤维强化复合材料的制造方法的图，图5(A)、图5(B)和图5(C)是放大剖面图；
图6(A)和图6(B)是表示本发明另一实施方式的纤维强化复合材料的制造方法的图，图6(A)是成型模具的剖面图，图6(B)是表示使用该成型模具对纤维强化复合材料进行成型的方法的放大剖面图。
符号说明
10 纤维强化复合材料
11 强化纤维片
12 树脂
13 弯曲部
14 弯曲部
20 成型模具
21 上模具
22 下模具
23 空腔
24 磁体
25 磁体
28 注入口
30 注入口
31 注入口
32 树脂
33 树脂
具体实施方式
下面基于附图，对本发明一实施方式的纤维强化复合材料10的制造方法进行详细说明。以下说明中，同一部件原则上使用同一符号编号，并省略重复说明。
参考图1(A)和图1(B)，对通过本方式的纤维强化复合材料10的制造方法制造的纤维强化复合材料10进行说明。图1(A)是整体表示纤维强化复合材料10的立体图，图1(B)是图1(A)的B-B线上的剖面图。
图1(A)所示的纤维强化复合材料10例如为CFRP(Carbon Fiber ReinforcedPlastics，碳纤维增强塑料)，作为一例呈大致盘形(トレー形状)。在此所示的是后述的成型工序结束并从成型模具中取出之后的纤维强化复合材料10。纤维强化复合材料10在成型工序结束后，在周边部规定的点划线所示的位置被切断。比点划线更靠内侧的部分的纤维强化复合材料10是成为产品的产品区域。具有该构成的纤维强化复合材料10例如用作轿车等车辆的部件等。
参考图1(B)，纤维强化复合材料10由强化纤维片11，以及含浸在强化纤维片11中并固化的树脂12构成。
作为构成强化纤维片11的强化纤维，例如可使用碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等。另外，作为强化纤维片11的形态，可采用编织物、针织物等织物材料、UD材料(单向材料)。强化纤维片11作为将多张片状强化纤维层叠而成的层叠体而构成。
作为树脂12，可采用环氧树脂等热硬化型树脂，或者聚酰胺(PA)和聚丙烯(PP)等热可塑性树脂。树脂12在含浸在强化纤维片11中的状态下固化。
另外，本方式的树脂12中混入有由铁粉等磁性体构成的磁性体粉。树脂12中磁性体粉的含有比例为可通过从外部作用的磁力促进树脂12的流动性的程度，且为不使固化的树脂12的强度等特性降低的程度。磁性体粉的粒径设为不会阻碍树脂12向强化纤维片11含浸的程度。另外，通过在树脂12中混入磁性体粉，可以使磁性体粉存在于树脂12的表面附近，使纤维强化复合材料10的表面粗糙化。由此，在使用粘合剂将纤维强化复合材料10与其他部件粘合时，可以提高粘合剂与纤维强化复合材料10的紧贴强度，提高纤维强化复合材料10与其他部件的粘合强度。
本方式的纤维强化复合材料10例如具有作为碳纤维的强化纤维片11，由此具有电磁屏蔽功能。另外，本方式的纤维强化复合材料10，由于树脂12含有铁粉等磁性体粉，因此可以加强该电磁屏蔽功能。
参考图2，对本方式的纤维强化复合材料10的制造方法所使用的成型模具20进行说明。成型模具20由上模具21和下模具22构成。作为上模具21和下模具22闭合时形成的二者的空隙，构成有空腔23。空腔23与本方式制造的纤维强化复合材料10的形状相同。
贯通上模具21，形成有注入口28。在注入口28，从外部向成型模具20供给有液状或粘度低的树脂。在此，在上模具21的中央部形成有一个注入口28，而注入口28也可以在上模具21的周边部形成，还可以形成有多个注入口28。另外，注入口28也可以在下模具22中形成。
为了使含有磁性体粉的树脂12良好地流动，本方式的成型模具20沿着面对空腔23的内壁配置有磁体24、25。具体地，上模具21从注入口28向空腔23的周边部，成列状地配置有多个磁体24。同样，下模具22也从注入口28向空腔23的周边部，成列状地配置有多个磁体25。在此，磁体24、25可以是永久磁体，也可以是电磁体。如后文所述，通过在成型模具20中配置磁体24、25，可以使添加有磁性体粉的固化前的液状或半固体形的树脂12在空腔23的内部良好地流动。
配置在上模具21中的磁体24，其位置可以是固定的，也可以是可动式的。当磁体24的位置是固定的时，在形成于上模具21的未图示的收纳孔中配置有磁体24。当磁体24为可动式时，使用配置于上模具21的未图示的电机等移动装置，使磁体24例如从注入口28向周边部移动。这些事项对于配置在下模具22中的磁体25也是一样。
当采用电磁体作为磁体24、25时，电磁体的励磁和励磁强度通过未图示的控制装置来控制。即，在从未图示的控制装置向磁体24、25供给电流期间，磁体24、25被励磁，产生磁场。另一方面，在没有电流从未图示的控制装置向磁体24、25供给期间，磁体24、25不被励磁，不产生磁场。
参考图3(A)和图3(B)和图4(A)-图4(C)，对使用上述构成的成型模具20制造纤维强化复合材料10的成型工序进行说明。该成型工序也被称作赋形工序。在此，针对采用电磁体作为成型模具20内置的磁体24、25，对电磁体进行励磁，由此产生磁场，使树脂12在空腔23的内部良好地流动的情况进行说明。
参考图3(A)，首先，上模具21和下模具22之间收纳有强化纤维片11。在此，强化纤维片11不是以预先预赋形的预成型体的状态，而是以将多张纤维状材料层叠而成的层叠体的状态放置在成型模具20的规定位置。
参考图3(B)，之后，在通过使上模具21和下模具22抵接而作为上模具21和下模具22的空隙所形成的空腔23中，收纳强化纤维片11。接着，在该状态下经由注入口28向空腔23中注入树脂12，由此在空腔23的内部使树脂12含浸在强化纤维片11中。向空腔23注入的液状或粘度低的树脂12中，添加有铁粉等磁性体粉。
参考图4(A)-图4(C)，针对在空腔23的内部使树脂12流动的工序进行说明。图4(A)-图4(C)是依次表示该工序的放大剖面图。在此，针对让树脂12从空腔23的中心部向周边部流动的情况进行说明。这些图用影线表示通过励磁产生磁场的磁体24、25。
本方式中，通过将电磁体即磁体24、25从中心部向周边部励磁，使磁体24、25产生的磁场作用于树脂12中添加的磁性体粉，将树脂12向磁体24、25侧牵引，使树脂12向空腔23的周边部流动。另外，向磁体24、25施加脉冲波，由此优选地控制从磁体24、25产生的磁场的磁力。
参考图4(A)，在此，通过对配置在图1(B)所示的弯曲部13的内侧(纸面上为左方)的磁体24、25进行励磁来产生磁场，利用该磁场的磁力使含有磁性体粉的树脂12从空腔23的中心部向周边部流动。
参考图4(B)，接着，通过对配置在夹着弯曲部13、14的位置的磁体24、25进行励磁，使含有磁性体粉的树脂12到达弯曲部13、14。由于弯曲部13、14是空腔23以大致直角弯曲的部分，因此不容易在弯曲部13、14使树脂12含浸在强化纤维片11中并使树脂12流动。本方式是利用从配置在夹着弯曲部13、14的位置的磁体24、25产生的磁场的磁力，来使含有磁性体粉的树脂12沿弯曲部13、14流动，因此，即使是空腔23弯曲成大致直角的部分，也能让树脂12良好地含浸在强化纤维片11中并向空腔23的周边部流动。
参考图4(C)，对配置在成型模具20的周边端部的磁体24、25进行励磁。由此，含有磁性体粉的树脂12含浸在强化纤维片11中，填充至空腔23的周边部，由此树脂12在空腔23的整个区域含浸在强化纤维片11中。因此，可以防止在强化纤维片11中形成未含浸有树脂12的未含浸区域。
上述填充工序结束后，在空腔23的内部使树脂12固化。若树脂12为环氧树脂等热硬化型树脂，则将树脂12加热到大致100℃以上，来使树脂12发生固化反应。在此，本方式中，由于树脂12中添加有磁性体粉，例如铁粉，因此可以通过感应加热来对树脂12进行加热固化。另一方面，若树脂12为聚丙烯等热可塑性树脂，则将树脂12冷却到20℃～60℃以下(例如优选40℃左右)来使其固化。
树脂12在空腔23的内部充分固化后，将上模具21和下模具22脱模，之后取出图1(A)所示的纤维强化复合材料10。
上述说明中，通过横跨空腔23的整个区域配置作为电磁体的磁体24、25，并且向磁体24、25依次供给电流进行励磁来使含有磁性体粉的树脂12良好地流动，但也可以通过利用其他方法产生磁场来让树脂12流动。
例如，也可以通过只在图4(A)所示的弯曲部13、14的附近配置作为电磁体或永久磁体的磁体24、25，来提高弯曲部13、14附近的空腔23中的树脂12的流动性。
另外，还可以通过让作为永久磁体的磁体24、25从空腔23的中心部向周边部移动，来利用移动的磁体24、25的磁力让含有磁性体粉的树脂12向周边部良好地流动。
参考图5(A)-图5(C)，对其他方式的成型方法进行说明。图5(A)、图5(B)和图5(C)是依次表示其他方式的成型方法的剖面图。在此，在向空腔23的内部填充树脂12时，利用磁场控制树脂12的流动，由此矫正强化纤维片11在空腔23内部的形状。
参考图5(A)，当成型模具20的空腔23中收纳强化纤维片11时，由于强化纤维片11的形状跟随性不够，因此强化纤维片11在弯曲部13、14的位置会发生偏离。具体地，在弯曲部13，强化纤维片11偏向空腔23的下方部分。另外，在弯曲部14，强化纤维片11偏向空腔23的上方部分。因此，在这种状态下，当在弯曲部13、14进行树脂12的填充和固化时，强化纤维片11的偏向可能会使制造的纤维强化复合材料10的强度下降。在此，利用从磁体24、25产生的磁力让含有磁性体粉的树脂12向规定方向流动，由此可以矫正强化纤维片11在空腔23的内部的偏向。
具体地，在此，当从未图示的注入口28注入的树脂12填充至弯曲部13附近时，对配置在弯曲部13的最近的外侧(纸面上为右方)的磁体24进行励磁以产生磁场，使含有磁性体粉的树脂12在空腔23内部向外侧(纸面上为右方)流动。由此，在弯曲部13的附近，随着树脂12的流动，使强化纤维片11向外侧(纸面上的右方侧)移动的力产生作用，强化纤维片11变为与弯曲部13的弯曲形状相对应的形状。同时，在弯曲部13的附近，树脂12含浸在强化纤维片11中。此时，下模具22的磁体25也可以为未被励磁的状态。
参考图5(B)，接着，通过对配置在弯曲部14的下方和内侧(纸面上的左方)的磁体25进行励磁，使含有磁性体粉的树脂12向下方流动。由此，在弯曲部14的附近，随着树脂12的流动，使强化纤维片11向左斜下方移动的力产生作用，强化纤维片11变为与弯曲部14的弯曲形状相对应的形状。同时，在弯曲部14的附近，树脂12含浸在强化纤维片11中。此时，上模具21的磁体24也可以为未被励磁的状态。
参考图5(C)，最后，对配置在成型模具20的周边部的磁体24、25进行励磁以产生磁场，使树脂12遍及到空腔23的周边端部。
上述工序结束后，在进行了使树脂12固化的固化处理之后，从成型模具20中取出图1(A)和图1(B)所示的纤维强化复合材料10。
根据上述制造方法，通过控制从磁体24、25产生的磁场，可以让强化纤维片11跟随空腔23的内部形状而变形。因此，强化纤维片11在纤维强化复合材料10的内部的位置得以矫正，能够提高纤维强化复合材料10的强度。
图6(A)是表示其他方式的成型方法的剖面图，图6(B)是其剖面放大图。在此，从上模具21和下模具22这二者向空腔23注入成分不同的树脂。
参考图6(A)，在此使用的成型模具20与上述一样是由上模具21和下模具22构成。成型模具20形成有用于向空腔23注入树脂的多个注入口28等。具体地，在上模具21的中心部形成有注入口28，在下模具22的周边部形成有2个注入口30、31。如后所述，从注入口28(第一注入口)注入含有磁性体粉的树脂32，从注入口30、31(第二注入口)注入含有磁性体粉以外的添加粉末的树脂33。
参考图6(B)，树脂32从形成于上模具21的注入口28注入到空腔23中。由于树脂32中添加有磁性体粉，因此通过从成型模具20内置的磁体24、25产生的磁场，树脂32可以向空腔23的周边部良好地流动。
另一方面，含有陶瓷粉、氧化铝粉、玻璃粉等添加粉末的树脂33从配置在下模具22的周边部的注入口31注入到空腔23中。从注入口31注入的树脂33填充到空腔23的周边部。将含有添加粉末的树脂33填充到空腔23的周边部，使得制造的纤维强化复合材料10的表面形成有因含有添加粉末而产生的细微的凹凸表面。因此，在使用粘合剂将纤维强化复合材料10与其他部件粘合时，在纤维强化复合材料10的凹凸表面涂布粘合剂，使得粘合剂与凹凸表面之间产生锚固效果，可以提高纤维强化复合材料10与其他部件的粘合强度。
当在上述多点注入法中使用环氧树脂等热硬化型树脂时，注入时的粘度较小；而当使用聚丙烯(PP)等热可塑性树脂时，由于注入时的树脂粘度高，因此容易产生焊接线汇合部位。焊接线周围的机械强度有可能降低，也影响外观质量。作为控制焊接线位置的方法，可以通过控制树脂32和树脂33的注入时机来在较大外力作用的部位以外的部位形成焊接线。
另外，本方式中，在从中央注入的树脂32与从周边部注入的树脂33汇合的汇合部位，可以利用磁体24、25让汇合部位的树脂流动，以此抑制焊接线的产生。由此可以抑制汇合部位的机械强度下降和外观质量下降。
上述注入工序结束后，进行加热处理等，使在空腔23的内部含浸在强化纤维片11中的树脂32、33固化，将上模具21和下模具22脱模后，取出图1(A)和图1(B)所示的纤维强化复合材料10。
以上示出本发明的实施方式，但本发明不仅限于上述实施方式。

Claims (5)

1.一种纤维强化复合材料的制造方法，通过将树脂含浸在强化纤维片中并使其固化来使纤维强化复合材料成型，所述制造方法包括：
收纳工序，将所述强化纤维片收纳在成型模具的空腔中；以及
成型工序，通过向所述成型模具的所述空腔中注入所述树脂来使所述树脂含浸在所述强化纤维片中，并且使所述树脂固化，
其中，在所述成型工序中，通过将添加有磁性体粉的所述树脂注入到所述空腔中并且通过如下方式产生磁场，从而使添加有所述磁性体粉的所述树脂流动：
使沿着所述空腔的内壁从注入口朝向周边部依次排列在所述成型模具中的磁体依次产生磁场，或者，
使沿着所述空腔的内壁可移动地配置的磁体从注入口方向朝向周边部方向移动来产生磁场。
2.根据权利要求1所述的纤维强化复合材料的制造方法，其特征在于，以使含有所述磁性体粉的所述树脂向所述强化纤维片的弯曲成型的部位流动的方式，产生所述磁场。
3.根据权利要求1所述的纤维强化复合材料的制造方法，其特征在于，所述磁场是通过所述成型模具所具有的电磁体产生的。
4.根据权利要求2所述的纤维强化复合材料的制造方法，其特征在于，所述磁场是通过所述成型模具所具有的电磁体产生的。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的纤维强化复合材料的制造方法，其特征在于，
所述成型模具形成有第一注入口和第二注入口，
含有所述磁性体粉的所述树脂从所述第一注入口注入所述空腔，
含有由与所述磁性体粉不同的材料组成的添加粉末的树脂从所述第二注入口注入所述空腔。
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