CN108943758A - 一种具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法，该方法采用的芯模在加热到一定温度后可以软化，便于脱模，且软化温度远远低于碳纤维复合材料的玻璃态转变温度。芯模为空心结构，通过内部加压等方式保证其在碳纤维产品固化成型阶段形状不变。芯模在软化取出后便于重塑外形，即同一个芯模可以循环反复使用，以此降低成本。此种可重塑外形芯模可以极大简化碳纤维复合材料产品的生产流程，大幅度降低碳纤维复合材料产品的生产成本和生产工时，且便于大批量生产制造内腔形状较为复杂的产品。

Description

一种具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料的的制作领域，特别是涉及一种具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法。

背景技术

碳纤维复合材料在未来的应用将会越来越广泛。随着碳纤维的大量使用，复合材料产品的形状尺寸日趋复杂。但复合材料的生产属于增材制造，碳纤维复合材料的机械加工难度远大于传统金属产品。现阶段碳纤维复合材料产品的制造，不论何种制造方法，均十分依靠工装模具实现其生产。

然而在加工制造含有内腔的空心产品时，尤其是内腔外形尺寸极为复杂的情况下，传统的工装模具会遇到脱模困难的问题。目前已有的常规解决手段存在多种缺陷，每一种方法都无法解决快速大批量制造的问题，成本十分高昂。目前碳纤维空心腔体产品的制造所采用的工艺分为分体式和一体式两种。

分体式即将含内腔碳纤维产品重新设计成上下或是左右两部分，然后再进行拼接。拼接的方法有进行机械连接的，如铆接、螺接等，也有进行胶接的。然而上述连接方法在连接部位需要对结构重新设计，也需要有一些结构加强部分，会大幅度增加产品自重，得不偿失；更为严重的问题便是连接处将会存在一定的缺陷。另一种拼接方式便是进行二次胶接，但二次胶接的方法需要让产品多进一次热压罐，造成生产效率的大幅度降低。不论何种分体式制造方法，均会在进行产品拼接时带来额外的工时和成本，造成生产效率降低生产成本提高。

一体式的产品制造有多种思路。第一种是使用热熔型芯模，即加热后会融化的芯模，但此类芯模如蜡模等。其为一次性模具，生产多少个产品就需要生产多少模具，成本及工时并不低，且碳纤维产品成型固化后，由于其玻璃态转变温度的限制，无法再加热到很高的温度使芯模融化；另一类是水溶性芯模，即芯模材质脱水固化，遇水融化，这一类芯模的材质以石膏等为主，和热熔型芯模一样，此类模具也是一次性使用模具，每次生产需要重新制作模具，其内部需要复杂的型架支撑，整个模具的结构比较复杂，需要依赖内部型架来保证外部石膏模具尺寸，型架装配较为困难，且极难应用于长径比较大的产品的制造；还有一种方法是采用组合型模具，及芯模本身由多个金属模具装配而成，脱模时逐个拆除脱模，模具极其复杂昂贵，且模具本身精度难以保证。因此，研究一种可重塑外形芯模就变得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，简化碳纤维复合材料产品的生产流程，大幅度降低碳纤维复合材料产品的生产成本和生产工时，且便于大批量生产制造内腔形状较为复杂的产品。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法，包括如下步骤：

步骤一；根据产品的结构，制备产品外模和内部中空的芯模；

步骤二；在芯模两端制作能实现旋转以及加压的金属端；

步骤三；将预浸润的碳纤维材料缠绕在芯模上；

步骤四；将完成缠绕的芯模放入外模中，进行加热；

步骤五；对芯模进行加压，保证产品的表面成型压力；

步骤六；对芯模进行加热，使芯模软化并抽负压，将芯模抽出，实现脱模；

步骤七；取出得到的产品，并将产品两端多余的复合材料进行切除，完成产品生产。

可选的，所述步骤二中，芯模两端切削有螺纹孔，金属端通过螺纹与芯模两端的螺纹孔密封连接。

可选的，所述步骤四中，加热温度为175℃—200℃。

可选的，所述步骤五中芯模加压压力为0.15～0.7MPa。

可选的，所述步骤六中芯模加热温度低于碳纤维复合材料产品的转化温度。

可选的，所述步骤五中，产品冷却过程时始终保持芯模内部压力为0.15～0.7MPa。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法不用对产品进行分体制造，减少了模具数量，从而缩短了模具的设计生产的过程。

相较于分体成型的生产方式，减少了进热压罐的次数，降低了生产成本，提高了生产的效率，并且由于产品是一体成型，不会出现分体连接处产品强度减弱的情况。

在脱模的过程中采用加热加负压的方式使得芯模脱模，相较于必须要进行水溶加热的传统水溶性芯模，脱模更加简单高效，从而实现降低成本，环保高效。

在大型产品的生产过程中，相较于需要制造大型金属芯模的传统的生产方式，该生产方式减轻了芯模质量，使得制造过程更加方便，便于把控。

本生产方法克服了在具有复杂内腔结构的碳纤维复合材料产品的生产过程中的内腔成型困难，无法脱模的问题，提供了一种该类型的产品切实可行的成产方法。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，简化碳纤维复合材料产品的生产流程，大幅度降低碳纤维复合材料产品的生产成本和生产工时，且便于大批量生产制造内腔形状较为复杂的产品。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的具有复杂内腔结构的碳纤维复合材料产品的生产方法主要是将复合材料通过芯模和外模之间的相互配合，通过加温加压的方式，使复合材料产品成型；具体步骤如下:

步骤一：根据产品的外型结构，生成三维模型图，并设计生产过程中产品的芯模以及外模的三维模型。根据芯模与外模的三维模型图，设计生产产品的外模和芯模。

步骤二：将制作好的产品芯模两端进行螺纹切削，生成螺纹孔，将能与复合材料缠绕机器相连接并保证气密性，且能够进行加压的金属端通过螺纹与产品芯模连接，并测试芯模的气密性。在保证芯模能实现在加热条件下对芯模加压的情况下，进行下一步骤。

步骤三：将芯模两个金属端连接到复合材料缠绕机上，通过复合材料缠绕机器将预浸润的碳纤维根据设计的缠绕方案缠绕到芯模上。

步骤四：将缠绕完成碳纤维复合材料的芯模，放入产品外模中，并加热到175℃—200℃。

步骤五：在复合材料的加热过程中，通过产品芯模金属端对芯模加压，压力需保证超过0.15Mpa，最高可达0.7Mpa，保证产品的内腔成型质量。

步骤六：在产品冷却过程中，保持芯模内部压力，且压力保持与步骤五相同。

步骤七：将产品从外模中取出。加热产品和芯模至芯模软化温度，该温度为90℃左右，在芯模内部抽负压，芯模在大气压力下坍缩，取出芯模。过程中对芯模加热温度远低于碳纤维复合材料产品的转化温度。

步骤八：将得到的碳纤维产品进行后续机械加工，最终得到符合设计要求的含内腔的碳纤维复合材料零部件。

本发明的芯模在加热到一定温度后可以软化，便于脱模，且软化温度远远低于碳纤维复合材料的玻璃态转变温度。

芯模为空心结构，通过内部加压等方式保证其在碳纤维产品固化成型阶段形状不变。

芯模在软化取出后便于重塑外形，即同一个芯模可以循环反复使用，以此降低成本。此种可重塑外形芯模可以极大简化碳纤维复合材料产品的生产流程，大幅度降低碳纤维复合材料产品的生产成本和生产工时，且便于大批量生产制造内腔形状较为复杂的产品。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一；根据产品的结构，制备产品外模和内部中空的芯模；

步骤二；在芯模两端制作能实现旋转以及加压的金属端；

步骤三；将预浸润的碳纤维材料缠绕在芯模上；

步骤四；将完成缠绕的芯模放入外模中，进行加热；

步骤五；对芯模进行加压，保证产品的表面成型压力；

步骤六；对芯模进行加热，使芯模软化并抽负压，将芯模抽出，实现脱模；

步骤七；取出得到的产品，并将产品两端多余的复合材料进行切除，完成产品生产。

2.根据权利要求1所述的具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，芯模两端切削有螺纹孔，金属端通过螺纹与芯模两端的螺纹孔密封连接。

3.根据权利要求1所述的具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，加热温度为175℃—200℃。

4.根据权利要求1所述的具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法，其特征在于：所述步骤五中芯模加压压力为0.15～0.7MPa。

5.根据权利要求1所述的具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法，其特征在于：所述步骤六中芯模加热温度低于碳纤维复合材料产品的转化温度。

6.根据权利要求1所述的具有复杂内腔的碳纤维复合材料产品的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，产品冷却过程时始终保持芯模内部压力为0.15～0.7MPa。