CN109648895B - 一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法 - Google Patents

Abstract

一种连续导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，其特征是通过在成型机构上设置若干具有电势差的金属触点，使动态传送的导电纤维与其发生滑动或滚动接触，导电纤维在多级金属触点间发生电损耗产生热量，根据传感器监测的各级温度，动态调控各级输入电能，将复合材料逐级加热至成型温度，完成快速原位成型。本发明利用材料自身电导损耗作为热源，无需施加外热源，在挤出、铺放、拉挤等纤维复材定向运动的成型过程中，实现复合材料的高速加热最终原位成型，其热响应速度快，纤维均匀发热，能量利用率高，该方法可大幅提高复材原位成型质量，缩短纤维增强复合材料的制造周期，降低制造成本。

Description

一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料成型方法，尤其是一种连续导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，具体地说是一种利用电损耗加热的导电纤维增强复合材料快速原位固化成型方法。

背景技术

导电纤维增强的复合材料如碳纤维增强复合材料在航空航天、汽车、船舶等领域具有极高的重量占比，成为了交通运输业中不可或缺的关键材料。然而目前复合材料依然大量采用“预成型-固化-加工”三步制造工序，即纤维或纤维预浸料首先通过自动铺放、缠绕、挤出、拉挤等预成型方法在模具或模腔中形成一定的外形形状，在通过空气、模具或是辐照等方法对预成型好的材料进行加热，冷却或者固化，最后再通过裁切修边钻孔等加工步骤完成整个零件的制造。

上述方法分为三个步骤成型复合材料，效率低、能耗高，尤其针对大型、复杂度高的复合材料，成型及固化所花费的时间及能耗都达到了极高的数量级，且两个过程中的过程参数，以及质量控制需要单独考虑不同的过程变量，以适应不同工步的特点。难以适应大量高性能复合材料的制造。再加之，传统的固化过程，采用外部热源的加热方式，加热过程依靠传热机理，热量由材料表面传递至材料内部，这将直接导致复合材料厚度方向形成较大的温差。又由于热利用率低，温度滞后性大，现有的固化方法也难以满足快速的复材制造要求。

目前有单位或研究机构提出复合材料原位固化的方法，即将固化过程集成在预成型过程原位，也即预成型完成，整个零件就固化完成。如西安交通大学专利（CN103358564B）保护了一种紫外光/电子束原位固化纤维铺放成型装置及方法，东北林业大学专利（CN106273533B）保护了一种利用感应加热的纤维缠绕原位固化方法，还有部分方案是利用激光、红外辐照、微波或者热风枪等方法在复合材料成型装备上集成，尝试实现连续复合材料成型过程中的原位固化。然而，截止目前，大部分原位成型的装置及方法主要还是面向热塑性树脂基复合材料的原位固化，因为热塑性复合材料在加热后可以迅速冷却结晶形成实体，实现秒级的成型。但目前的加热工艺还存在热影响区温度不均匀，制件热应力大，成型质量差等问题。对于热固性复合材料，其固化过程必然发生交联反应，需要一定的反应时间，上述高能束集中加热的方法，还无法实现最终材料可持续的完全固化。

申请者团队前期保护了一种利用碳纤维自身综合电损耗发热固化复合材料的方法（公开号CN201710975475.6），该方法针对大型复合材料层合板铺放成型完成的后的固化过程，可以实现高质量、高效率、低能耗的固化。然而目前针对于整体构件铺放完成后的独立电损耗加热固化方法，无法直接应用于预成型和固化同时进行的原位成型过程中。其主要原因在于，虽然电损耗加热可以实现较快的自加热升温速率，但是整体的均匀加热难以适应丝束动态传送过程中的多级分布加热，且导电丝束原位成型也需要在较短时间内完成，整体加热的方法无法适用于动态的原位成型。故本发明提出一种连续导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，以实现热影响区温度均匀，制件热应力小，成型质量好的导电纤维复材原位成型过程。

发明内容

本发明的目的是针对现有导电纤维复合材料的原位成型方法热影响区温度不均匀，制件热应力大，成型质量欠佳，尤其是热固性复材还无法实现原位成型的问题，发明一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，该方法基于增强纤维的导电特性，在成型机构内部及末端设置若干金属触点，与动态运行的导电纤维发生多级电接触，为各接触点接入不同电势，形成电势梯度，利用导电纤维自身导通产生损耗焦耳热加热其自身，所述的多级电接触独立协同调控，动态运行的导电纤维形成动态运行的加热温度梯度，根据不同材料体系的成型要求，结合温度监测仪精确监测复合材料各段温度状态，自适应调控各级输入电能，获得目标温度值及温度分布，导电纤维增强复合材料经过多级加热，在动态传输的过程中实现保温和充分固化，脱离所述的成型机构末端后完成快速原位成型。

本发明的技术方案为：

一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，其特征是通过在成型机构上设置若干具有电势差的金属触点，使动态传送的导电纤维与所述的金属触点发生滑动或滚动接触，使导电纤维与金属触点间发生电损耗而产生热量，再通过传感器监测的各金属触点处的温度，动态调控各金属触点的输入电能，将复合材料逐级加热至成型温度，完成快速原位成型。

所述的金属触点的设置方法根据导电纤维的规格及电特性参数，以电源可以提供的阈值电流和各级最小加热长度为边界条件，以纤维传输阻力和各级纤维加热均匀性优化目标，获得相邻金属触点的间距和角度，在空间中设置排布金属触点。

所述的接触方法为动态传送的导电纤维在成型机构内与金属接触点发生滑动或滚动摩擦，根据具体的成型机构和纤维复合材料形状设置不同的接触结构，控制电接触面积和电接触材料使得接触电阻小于导电纤维复材的体积电阻，所述的滑动摩擦接触为传送的导电纤维与固定的金属触点相对接触，接触点可以是于半球型接触点、片状电刷、电接触喷头、电接触模腔，所述的滚动摩擦接触即导电纤维与滚动的电辊轮或电滚珠等结构摩擦接触。

所述的动态调控方法为以各级导电纤维温度传感器监测到的信号为反馈，调控输入各级电极触点的电势差，进而调整各级导电纤维的电损耗量，根据材料体系的成型工艺特点，控制各级加热区间内的复合材料形成动态移动的温度场，逐级提高材料的成型或固化程度，最终实现原位固化。

所述的成型过程为导电纤维复合材料铺放或缠绕到模具或模板上的过程，也可以是导电纤维复合材料从模腔中挤出的过程，也可以是纤维在模板作用下的拉挤过程，所述的原位成型是指导电纤维复合材料在上述脱离成型机构瞬间完成交联固化、冷却结晶形成硬化材料。

所述的连续导电增强纤维不局限于金属纤维、碳纤维、导电型金属化合物纤维和导电高分子纤维等，纤维外形也不局限于丝、束或带状，所述的复合材料基体可以是热塑性树脂、热固性或者陶瓷基体。

所述温度监测不局限于外部温度传感器或者利用导电纤维温阻特性等不同温度监测形式对复合材料不同部位进行温度监测，并将温度监测信号反馈给控制终端。

所述的成型机构所加电能可以是直流电源、交流电源，或者是脉冲电源，所述为成型机构所通电能依据不同复合材料基体材料成型特性曲线，在控制终端通过温度监测仪的监测反馈做出调整，确保在最后一级电接触通电后，复合材料脱离成型机构末端后完成快速原位成型。

本发明的具体步骤可以概括为：

步骤1:将导电纤维增强复合材料送入成型机构中，成型机构内部或末端设置若干金属触点，作为能量输入点，所述触点与动态运行的导电纤维发生多级电接触，电接触对间间隔一定的距离；

步骤2：为各接触点接入不同电势，形成电势梯度，利用导电纤维自身导通产生电损耗热量加热其自身，动态运行的导电纤维形成动态运行的加热温度梯度；

步骤3：根据不同材料体系的成型要求，结合温度监测仪精确监测复合材料各段温度状态，自适应调控各级输入电能，多级电接触独立协同调控制通入幅值、变化频率不同的电压，获得目标温度值及温度分布；

步骤4：导电纤维增强复合材料经过多级动态加热，完成交联化学反应或熔融共混-冷却凝结等过程后，脱离所述的成型机构末端后完成快速原位成型。

本发明的有益效果是：

针对其他现有原位成型方法难以实现热固性复合材料的原位固化，本发明通过动态传输导电纤维的多级电接触电损耗，实现导电纤维增强复合材料逐级加热，通过动态调控输入电能，最终实现原位成型，本发明可节约时间成本，提高生产效率，并为复合材料快速成型提供了一种思路；

利用导电纤维电阻损耗电能即热其自身，电能利用率可达98%以上，提高了能源利用率；采用多级加热方式弱化成型过程中局部快速升温带来的内应力集中，改善成品应力分布；以电势、温度作控制信号、反馈信号，使整个加热固化成型过程构成一个闭环系统，实现成型过程中动态调节，通过控制终端设定合理的温度阈值，减少温度不均引起的成型缺陷，可以较好地改善开环加热条件下的复合材料成型的成型质量。

本发明利用一种多级电损耗自加热的方法，实现了在纤维复材动态往前输送的过程中的加热及保温，最终在材料刚好脱离成型机构时，完成原位秒级固化或结晶，首次可以实现传统高性能复合材料在各类成型机构下的原位成型。

附图说明

图1 是本发明的快速原位成型方法原理示意图。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的阐述，应当指出的是，下述实施例仅用于说明本方法的某些实施特例，并不用于限制本发明的保护范围，在本发明公开后，本领域技术人员基于本发明中方法实现导电纤维增强复合材料快速原位固化方法的原理所做出任何修改和变化，都属于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示。

一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，它通过在成型机构上设置若干具有电势差的金属触点，使动态传送的导电纤维与所述的金属触点发生滑动或滚动接触，使导电纤维与金属触点间发生电损耗而产生热量，再通过传感器监测的各金属触点处的温度，动态调控各金属触点的输入电能，将复合材料逐级加热至成型温度，完成快速原位成型，也就是导电纤维复合材料在脱离成型机构瞬间完成交联固化、冷却结晶形成硬化材料，导电纤维可以是金属纤维、碳纤维、导电型金属化合物纤维或导电高分子纤维，导电纤维的外形为丝、束或带状，所述的复合材料基体为热塑性树脂、热固性或者陶瓷基体。具体而言，金属触点位置的设置可根据导电纤维的规格及电特性参数，以电源可以提供的阈值电流和各级最小加热长度为边界条件，以纤维传输阻力和各级纤维加热均匀性优化目标，获得相邻金属触点的间距和角度，在空间中设置排布金属触点。接触方法可采用动态传送的导电纤维在成型机构内与金属触点发生滑动或滚动摩擦，根据成型机构和纤维复合材料形状设置不同的接触结构，控制电接触面积和电接触材料使得接触电阻小于导电纤维复材的体积电阻；所述的滑动摩擦接触为传送的导电纤维与固定的金属触点相对接触，接触点为半球型接触点、片状电刷、电接触喷头或电接触模腔，所述的滚动摩擦接触为导电纤维与滚动的电辊轮或电滚珠结构摩擦接触；所述的金属触点布置在复合材料的单面或双面，实现单面接触或双面接触，优选双面接触并使复合材料呈正弦状通过成型模具，如图1所示。具体的动态调控方法可以各级导电纤维温度传感器监测到的信号为反馈，调控输入各级电极触点的电势差，进而调整各级导电纤维的电损耗量，根据材料体系的成型工艺特点，控制各级加热区间内的复合材料形成动态移动的温度场，逐级提高材料的成型或固化程度，最终实现原位固化。成型过程为导电纤维复合材料铺放或缠绕到模具或模板上的过程、导电纤维复合材料从模腔中挤出的过程或纤维在模板作用下的拉挤过程。温度监测是通过外部温度传感器或者利用导电纤维温阻特性的监测形式对复合材料不同部位进行温度监测，并将温度监测信号反馈给控制终端。成型机构所加电能为直流电源、交流电源或者脉冲电源，所述成型机构所通电能依据不同复合材料基体材料成型特性曲线，在控制终端通过温度监测仪的监测反馈做出调整，确保在最后一级电接触通电后，复合材料脱离成型机构末端后完成快速原位成型。

实例1。

本实施例是在连续碳纤维增强热固性树脂基复合材料自动铺丝原位成型中应用。所述连续碳纤维增强树脂基复合材料原材料UIN10000以碳纤维作为增强体，以中温固化的环氧树脂为基体的预浸料体系。所述的待成型预浸料通过铺丝机搭载铺丝头，在三维曲面模具上运动并将材料铺叠在模具表面，铺放的过程中同时进行本发明所提出的快速原位成型方法，铺放完成也同时完成交联固化，实现快速原位成型过程。具体操作步骤如下：

步骤1：清洗待铺放的模具表面：利用酒精丙酮等有机溶剂清洗模具的表面，做好铺放-成型准备；

步骤2：在铺丝头中设置8个，共4对金属辊轮作为快速加热能量输入点，最后一对金属辊轮靠近铺丝头压实辊轮，碳纤维环氧预浸料以此经过4对金属辊轮后被最终的铺放压辊压实于模具表面；

步骤3：布置温度传感器：在靠近与4对金属辊轮形成的4段加热区段内安装4个红外温度传感器，实时监测不同加热段碳纤维预浸料的温度状态并将信号传递给控制计算机；

步骤4：设置温度工艺阈值：结合其固化过程，在整个升温过程中设置4个温度区间，其中最依次可使得树脂的复合材料的固化度达到30%，60%，80%，90%，直到铺放到模具面板上，在热影响区的影响下完成固化，在控制计算机上为各个温度节点设定温度阈值，时刻与反馈回来的温度信号作对比，并通过系数变换使得温度差值转化为铺丝头金属辊轮上加热电动势；

步骤5：信号转换系数标定：温度调节过程在标定时是迭代过程，先为 “温度-电压”转换系数设定初值为

，将转换系数设置为可调模式，以反馈温度为信号调整转换系数使得在整个成型过程中各监测点温度均在温度阈值以内。温度与电势的准换关系为

，其中

为金属触点处电势的实际增量，K为标定好的准换系数，

为最新一次测量温度与上一次测量温度的差值。

步骤5：铺丝-原位固化过程：输入铺放的轨迹代码后，铺丝头开始在模具上实施原位成型过程，其各金属辊轮的加热电压根据铺放速度动态调整，空走铺丝头时，停止输入电能。

实例2。

本实施例是在连续导电纤维增强热固性树脂基复合材料筒体零件缠绕原位成型中的应用。所述连续导电纤维增强树脂基复合材料以碳纤维为连续导电纤维增强体，以热固性酚醛树脂为基体的复合材料。所述的待成型热固性复合材料为碳纤维预浸料，经加热达到一定温度后碳纤维表面涂覆的酚醛树脂与碳纤维发生交联化学反应，使得碳纤维预浸料实现固化。以宽为10mm,厚度为0.1mm的碳纤维预浸料卷作为原材料，采用湿法缠绕机进行筒体的成型制造。依照热固性酚醛树脂固化特性曲线，可设定5个温度梯度为预浸料进行加热。本实施例的具体步骤如下：

步骤1：布置金属触点：在缠绕头内纤维的疏松路径上设置7个导电辊轮作为金属触点，且最后一个导电辊轮位于缠绕机出口处，既用来加热碳纤维预浸料，又作为碾压轮为碳纤维预浸料固化时提供一定压力，又在张紧装置的作用下使得导电辊轮在铺带过程中与碳纤预浸料能够良好导通；

步骤2：布置温度传感器：在靠近与7个金属触点形成的6段加热区段安装6个红外温度传感器，实时监测不同加热段碳纤维预浸料的温度状态并将信号传递给控制计算机；

步骤3：设置温度阈值：结合热固性酚醛树脂固化温度曲线，在整个升温过程中设置6个温度节点，可实现材料在经过6段温度区间后刚好实现15%，25%，45%,55%,75%,90%固化度，其中最高一个为酚醛树脂实现最佳固化的加热温度,并在控制计算机上为各个温度节点设定温度阈值，时刻与反馈回来的温度信号作对比，并通过系数变换使得温度差值转化为导电辊轮上电势的调节电势；

步骤4：信号转换系数标定：温度调节过程在标定时是迭代过程，先为 “温度-电压”转换系数设定初值为

，将转换系数设置为可调模式，以反馈温度为信号调整转换系数使得在整个成型过程中各监测点温度均在温度阈值以内。温度与电势的准换关系为

，其中

为金属触点处电势的实际增量，K为标定好的准换系数，

为最新一次测量温度与上一次测量温度的差值。

步骤5：开始缠绕-原位固化;将转换系数设定为固定模式，开始缠绕设备与脉冲电源设备，通过控制计算机实时监测各监测点的温度及铺带头出口处的固化状况，必要时可适当调整缠绕运行速度来匹配碳纤维预浸料固化速率。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (11)

1.一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，其特征是通过在成型机构上设置若干具有电势差的金属触点，使动态传送的导电纤维与所述的金属触点发生滑动或滚动接触，使导电纤维与金属触点间发生电损耗而产生热量，再通过传感器监测的各金属触点处的温度，动态调控各金属触点的输入电能，将复合材料逐级加热至成型温度，完成快速原位成型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的金属触点位置的设置方法根据导电纤维的规格及电特性参数，以电源可以提供的阈值电流和各级最小加热长度为边界条件，以纤维传输阻力和各级纤维加热均匀性优化目标，获得相邻金属触点的间距和角度，在空间中设置排布金属触点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于接触方法为动态传送的导电纤维在成型机构内与金属触点发生滑动或滚动摩擦，根据成型机构和纤维复合材料形状设置不同的接触结构，控制电接触面积和电接触材料使得接触电阻小于导电纤维复材的体积电阻；所述的滑动摩擦接触为传送的导电纤维与固定的金属触点相对接触，接触点为半球型接触点、片状电刷、电接触喷头或电接触模腔，所述的滚动摩擦接触为导电纤维与滚动的电辊轮或电滚珠结构摩擦接触；所述的金属触点布置在复合材料的单面或双面，实现单面接触或双面接触。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于金属触点布置在复合材料的双面，实现双面接触，并使复合材料呈波纹状通过成型模具。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的动态调控方法为以各级导电纤维温度传感器监测到的信号为反馈，调控输入各级电极触点的电势差，进而调整各级导电纤维的电损耗量，根据材料体系的成型工艺特点，控制各级加热区间内的复合材料形成动态移动的温度场，逐级提高材料的成型或固化程度，最终实现原位固化。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于成型过程为导电纤维复合材料铺放或缠绕到模具或模板上的过程、导电纤维复合材料从模腔中挤出的过程或纤维在模板作用下的拉挤过程。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是在于所述的原位成型是指导电纤维复合材料在脱离成型机构瞬间完成交联固化、冷却结晶形成硬化材料。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的导电纤维为金属纤维、碳纤维、导电型金属化合物纤维或导电高分子纤维，纤维外形为丝、束或带状，所述的复合材料基体为热塑性树脂、热固性或者陶瓷基体。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于温度监测是通过外部温度传感器或者利用导电纤维温阻特性的监测形式对复合材料不同部位进行温度监测，并将温度监测信号反馈给控制终端。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征于成型机构所加电能为直流电源、交流电源或者脉冲电源，所述成型机构所通电能依据不同复合材料基体材料成型特性曲线，在控制终端通过温度监测仪的监测反馈做出调整，确保在最后一级电接触通电后，复合材料脱离成型机构末端后完成快速原位成型。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1:将导电纤维增强复合材料送入成型机构中，成型机构内部或末端设置若干金属触点，所述金属触点与动态运行的导电纤维发生多级双面或单面电接触；

步骤2：为各接触点接入不同电势，形成电势梯度，利用导电纤维自身导通产生电损耗热量加热其自身，动态运行的导电纤维形成动态运行的加热温度梯度；

步骤3：根据不同材料体系的成型要求，结合温度监测仪精确监测复合材料各段温度状态，自适应调控各级输入电能，各级电接触独立协调控制，获得目标温度值及温度分布；

步骤4：导电纤维增强复合材料经过多级动态加热，完成交联化学反应或熔融共混-冷却凝结过程后，脱离所述的成型机构末端后完成快速原位成型。

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