CN110001078B - 一种碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备装置及方法，方法包括：将第一凹模和第二凹模合模，紧固加热；在由第一凹模和第二凹模组成的模具型腔内涂抹脱模剂；将碳/芳混杂纤维预浸料铺敷在脱模剂表面；在碳/芳混杂纤维预浸料表面依次铺敷隔离膜和透气毡；将加热后的颗粒介质送入模具型腔内；将颗粒介质压实；对模具型腔进行升温；成形完成后对模具型腔进行降温，自然冷却；自然冷却至第二设定范围，升起压头；取出颗粒介质，将第一凹模和第二凹模水平分开，并将隔离膜和透气毡剥离，得到碳/芳混杂纤维成品。本发明中的上述方法能够解决增强纤维与树脂之间的浸润性不足的问题，使成形后的制件纤维与树脂具有良好的结合度，形成优异的力学性能。

Description

一种碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备装置及方法
技术领域
本发明涉及混杂纤维制备领域，特别是涉及一种碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备装置及方法。
背景技术
混杂纤维增强复合材料可以综合不同纤维的优点，改善单一纤维复合材料的某些性能。碳纤维复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer/Plastic，CFRP)虽然以模量高、强度高，但性脆、韧性差,其应用在很大程度上受到了限制。而芳纶纤维韧性好、抗局部冲击能力强，若将芳纶纤维代替部分碳纤维,即制成碳纤维/芳纶纤维混杂复合材料,在不太损失其它性能的前提下可以大大提高CFRP的冲击韧性。实验证明，混杂化是改善CFRP韧性的一个切实可行的途径。由于碳纤维/树脂基体的界面粘接强度高于芳纶纤维/树脂基体的界面粘接强度，制得的碳纤维/芳纶纤维混杂纤维制品在承受较大拉伸应力时，碳纤维先断裂，树脂基体不能有效地将载荷重新分配到断裂的碳纤维和芳纶纤维上，拉伸强度低。因此应用碳纤维/芳纶纤维混杂纤维复合材料需要增强纤维与树脂基体之间的浸润性，使成形后的制件纤维与树脂具有良好的结合度，形成优异的力学性能。为保证成形质量稳定，通常采用复合纤维布预浸料，预浸料确保均匀的树脂分布，避免成形加压过程中出现常见的干点和富树脂区。
现有工艺针对碳纤维/芳纶纤维混杂纤维树脂基体与纤维的浸润性的改善非常有限，例如：
真空袋成形工艺用抽真空方法使制件在压力下密实，固化成形。该工艺操作简单、加温均匀。但较低的压力(0.1MPa即大气压力)，复合纤维与树脂基体的粘接性能差；且固化压力分布不均，成形压力低，纤维的密实程度不均匀、纤维浸润性不理想，成品容易发生脱胶剥离的现象。
热压罐成形是指将预浸料按预定方向铺叠成的复合材料铺在模具上是材料与模具贴合，放在热压罐内，在一定温度和压力下完成固化过程的工艺方法，通常热压罐所能提供的压力在2MPa左右，制品增强纤维与树脂基体界面的结合度较差，且罐体较大时，加热效率低。
复合材料液体模塑成形工艺(Liquid ComPosite Molding，LCM)是指将液态聚合物注入铺有纤维预成形体的闭合模腔中，或将预先放入模腔中的树脂膜加热熔化，使液态聚合物在流动充模的同时完成对纤维的浸润并固化成形为复合材料制品。可按结构要求定向铺放纤维，制品性能较高，成本低。但树脂对纤维的浸润不理想，成形时间长，制品空隙率较高；在大面积、结构复杂的模具型腔内，树脂流动不均衡，压力不均，成形复杂形状制品的适应性不强。
缠绕成形工艺受加工形状的限制，不能缠任意结构形式的制品，且应用到混杂纤维复合材料成形较为困难，设备非常复杂，技术难度大，只有大批量生产时才能降低成本，才能获得较高的技术经济效益；且无法满足成形后退模的工艺需求，成形复杂制品的适应性差。
模压成形工艺基本过程是将一定量的经过预处理的模压料放人预热的压模内，施加较高的压力使模压料充满模腔，在预定的温度条件下，模压料在模腔内逐渐固化，然后将制品从压模中取出，再进行必要的辅助加工。与LCM工艺相比，虽然都需要凹模和凸模两个模具，但无需再向型腔内注入液态聚合物，不存在树脂基体流动不均衡的问题。该工艺模具设计制造复杂，开模成本高，无法满足退模的工艺条件；且压制混杂纤维制件时，增强纤维与树脂基体界面之间的浸润性差，成形后制品力学性能较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳/芳混杂纤维制备装置及方法，解决增强纤维与树脂之间的浸润性不足的问题，使成形后的制件纤维与树脂具有良好的结合度，形成优异的力学性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种碳/芳混杂纤维制备装置，所述装置包括：
压头、机械锁死插口、压头进给机构、压机主体、压头压力温控机构、机械锁死插头、颗粒介质进料口、模具-压机锁定螺栓、压紧弹簧、压机锁定螺纹孔、压边圈、模具锁定螺纹孔、模具-压机锁定螺母、凹模压力温控机构、第一凹模以及第二凹模；
所述机械锁死插口和所述压头压力温控机构在垂直方向上由上到下依次布设在所述压头上，所述压头进给机构位于所述压头的两侧，所述压机主体位于所述压头进给机构的两侧，所述机械锁死插头与所述机械锁死插口配合使用，所述颗粒介质进料口开设在所述压机主体的中部，所述压机锁定螺纹孔开设在所述压机主体的下部，所述模具-压机锁定螺栓与所述压机锁定螺纹孔配合使用，所述压紧弹簧位于所述颗粒介质进料口的下方，所述压边圈位于所述压紧弹簧的下方，所述第一凹模以及所述第二凹模位于所述压机主体的下方，所述凹模压力温控机构位于所述第一凹模以及所述第二凹模中。
本发明还另外提供一种碳/芳混杂纤维制备方法，所述方法包括：
将第一凹模和第二凹模合模，通过径向合模力紧固；
对第一凹模和第二凹模加热；
在由第一凹模和第二凹模组成的模具型腔内涂抹脱模剂；
将碳/芳混杂纤维预浸料铺敷在脱模剂表面；
在碳/芳混杂纤维预浸料表面依次铺敷隔离膜和透气毡；
将压机主体、第一凹模以及第二凹模紧固锁定；
通过颗粒介质进料口将加热后的颗粒介质送入模具型腔内；
通过压头将颗粒介质压实；
通过压头压力温控机构和凹模压力温控机构对模具型腔进行升温，使所述碳/芳混杂纤维预浸料成形；
成形完成后对模具型腔进行降温，当温度降低到第一设定范围时，自然冷却；
自然冷却至第二设定范围，升起压头，拧松模具-压机锁定螺栓、模具-压机锁定螺母，机械锁死插头撤出，压头上升，机械锁死插头插入机械锁死插口；
取出颗粒介质，将第一凹模和第二凹模水平分开，并将隔离膜和透气毡剥离，得到碳/芳混杂纤维成品。
可选的，所述方法在碳/芳混杂纤维预浸料表面依次铺敷隔离膜和透气毡之后还包括：将加热至100℃且占总颗粒介质1/4的颗粒介质放在透气毡的表面。
可选的，所述颗粒介质为碳钢珠，粒径为1.0mm。
可选的，所述对第一凹模和第二凹模加热具体是以5℃/min的升温速度加热至100℃。
可选的，所述将压机主体、第一凹模以及第二凹模紧固锁定具体是通过模具-压机锁定螺栓和模具-压机锁定螺母紧固锁定。
可选的，所述通过颗粒介质进料口将加热后的颗粒介质送入模具型腔内具体是将颗粒介质总量的3/4，加热至100℃送入模具型腔内。
可选的，所述通过压头压力温控机构和凹模压力温控机构对模具型腔进行升温具体是将温度升至210℃。
可选的，在所述通过压头压力温控机构和凹模压力温控机构对模具型腔进行升温之后还包括：机械锁死插头撤出，压机主体作用在压头上的压力加至15MPa，压头下行并压实颗粒介质，机械锁死插头插入机械锁死插口，加热加压20min。
可选的，所述成形完成后对模具型腔进行降温，当温度降低到第一设定范围时，自然冷却，自然冷却至第二设定范围具体是以6℃/min的降温速度降温，待凹模压力温控机构监测到温度降低到50℃时，自然冷却，自然冷却至30℃。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中的上述方法，属于柔性半模成形技术，采用颗粒介质与制件接触传热、传压，并代替凸模或凹模的作用，一是在宏观上颗粒介质可完全包覆于制件表面，方便对制件复杂表面施加均匀的、可控的法向压力，提高制件的贴模性和定形性，从而提高成形性能；二是在细观上颗粒与制件表面为点接触状态，固化过程中形成密集的“钉扎”点压效果，而且颗粒介质具有良好的传热性能，提高混杂纤维与树脂基体之间的浸润性，从而提高复合材料的力学性能，固化效率高。可解决现有工艺难以压制的复杂形状零件的加工问题，可用于传统模压不能退模的工艺条件，提高制件综合性能；且本发明中上述方法采用通用设备加载，卸载和回收方便，降低生产成本，适用于高强度、小批量制件加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备装置结构示意图；
图2为本发明实施例碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备方法流程图；
图3为本发明实施例填装颗粒介质压头下行工步示意图；
图4为本发明实施例压头缓慢压实颗粒介质工步示意图；
图5为本发明实施例高温保压成形工步示意图；
图6为本发明实施例成形结束、退模工步示意图；
图7为本发明实施例材料铺层放大示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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碳/芳混杂纤维制备装置及方法，解决增强纤维与树脂之间的浸润性不足的问题，使成形后的制件纤维与树脂具有良好的结合度，形成优异的力学性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例碳/芳混杂纤维制备装置结构示意图，如图1所示，所述装置包括：
压头1、机械锁死插口2、压头进给机构3、压机主体4、压头压力温控机构5、机械锁死插头6、颗粒介质进料口7、模具-压机锁定螺栓8、压紧弹簧9、压机锁定螺纹孔10、压边圈11、模具锁定螺纹孔14、模具-压机锁定螺母15、凹模压力温控机构17、第一凹模18以及第二凹模20。
所述机械锁死插口2和所述压头压力温控机构5在垂直方向上由上到下依次布设在所述压头1上，所述压头进给机构3位于所述压头1的两侧，所述压机主体4位于所述压头进给机构3的两侧，所述机械锁死插头6与所述机械锁死插口2配合使用，所述颗粒介质进料口7开设在所述压机主体4的中部，所述压机锁定螺纹孔10开设在所述压机主体4的下部，所述模具-压机锁定螺栓8与所述压机锁定螺纹孔10配合使用，所述压紧弹簧9位于所述颗粒介质进料口7的下方，所述压边圈11位于所述压紧弹簧9的下方，所述第一凹模18以及所述第二凹模20位于所述压机主体4的下方，所述凹模压力温控机构17位于所述第一凹模18以及所述第二凹模中20。
图2为本发明实施例碳/芳混杂纤维制备方法流程图，结合图1、图3-图6中的装置，所述方法包括：
步骤101：将第一凹模18和第二凹模合模20，通过径向合模力N0紧固；
步骤102：对第一凹模18和第二凹模20加热；
具体的，是用凹模压力温控机构对第一凹模18和第二凹模20进行加热，以5℃/min的升温速度加热至100摄氏度左右，并进行保温。
步骤103：在由第一凹模18和第二凹模20组成的模具型腔内涂抹脱模剂，如图1所示，将碳/芳纶混杂纤维预浸料16铺敷模具(第一凹模18、第二凹模20)型腔，保持平整，与型腔表面良好贴合。
步骤104：将碳/芳混杂纤维预浸料16铺敷在脱模剂表面；
步骤105：在碳/芳混杂纤维预浸料16表面依次铺敷隔离膜13和透气毡12，如图7所示，图7中由上到下依次为透气毡12、隔离膜13和碳/芳混杂纤维预浸料16。
步骤106：将加热至100℃且占总颗粒介质1/4的颗粒介质放在透气毡12的表面。
具体的，将加热至100℃的颗粒介质铺设在透气毡12的表面能够使得使碳/芳纶混杂纤维预浸料16与隔离膜13和透气毡12表面良好贴合，防止产生褶皱影响制品表面平整度。
步骤107：将压机主体4、第一凹模18以及第二凹模20紧固锁定；
具体的，是通过模具-压机锁定螺栓8和模具-压机锁定螺母15紧固锁定，防止成形过程中第一凹模18和第二凹模20与压头1之间发生移动影响成形效果。
且，压紧弹簧9的弹力使得压边圈11压紧隔离膜13和透气毡12以及下方的碳/芳混杂纤维预浸料12，以限制树脂的流动，并防止后续固化过程中制品出现褶皱变形。
步骤108：通过颗粒介质进料口将加热后的颗粒介质送入模具型腔内；
具体的，是将颗粒介质总量的3/4，加热至100℃左右送入模具型腔内，压头1在压机主体4的作用力F0下恒速下降，此时机械锁死插头6处于压机边缘，处于未锁死状态。
步骤109：通过压头将颗粒介质压实；
具体的，由于颗粒介质19具有良好流动性，因此颗粒介质19将均匀的分布到模具型腔内，合模力此时增加到N1，在压机主体4检测到压头1接触到颗粒介质19时，作用力变为F，压头1缓速下降以压实颗粒介质19。
步骤110：通过压头压力温控机构5和凹模压力温控机构17对模具型腔进行升温，使所述碳/芳混杂纤维预浸料成形；
具体的，由压头压力温控机构5和凹模压力温控机构17控制升温至210℃左右，机械锁死插头6撤出，压机主体4作用压头1下降，合模力此时增加到N2，压力一次性加到15MPa；机械锁死插头6，插入机械锁死插口2，加热加压20min，。
步骤111：成形完成后对模具型腔进行降温，当温度降低到第一设定范围时，自然冷却；
具体的，是以6℃/min的降温速度降温，待凹模压力温控机构监测到温度降低到50℃时，自然冷却。
自然冷却后，防止模具撤出过早材料内部应力引起变形；温度降至30℃，升起压头1，拧松模具-压机锁定螺栓8、模具-压机锁定螺母15；机械锁死插头6撤出，压机主体4作用压头1上升，机械锁死插头，插入较低的机械锁死插口2。
步骤112：自然冷却至第二设定范围，升起压头，拧松模具-压机锁定螺栓8、模具-压机锁定螺母15，机械锁死插头6撤出，压头1上升，机械锁死插头6插入机械锁死插口2；
具体的，自然冷却至第二设定范围具体是自然冷却至30℃。
步骤113：取出颗粒介质，将第一凹模18和第二凹模20水平分开，并将隔离膜13和透气毡12剥离，得到碳/芳混杂纤维成品。
本发明中的上述方法具有以下有益效果：
将芳纶纤维代替部分碳纤维，即制成碳纤维/芳纶纤维混杂复合材料，集成了碳纤维高比模量、高拉伸强度的优点以及芳纶纤维韧性好、抗局部冲击能力强的优点，具有非常优异的力学性能。本发明拟采用碳/芳纶混杂纤维复合材料颗粒介质热压成形工艺解决增强纤维与树脂基体之间的浸润性不足的问题，使成形后的制件纤维与树脂具有良好的结合度，形成优异的力学性能。
对比真空袋成形工艺，本发明采用的颗粒介质热压成形工艺可在制件形面上施加均匀的、可控的法向压力，颗粒介质的点接触施加密集的点压力，成品不容易发生脱胶剥离的现象，成形温度可调范围更宽，成形效果更好。
对比热压罐成形工艺，颗粒介质热压成形可提供大而均匀、点接触形式的成形压力和较高的成形温度，纤维与树脂之间的浸润性更好，模具加热效率更高。
对比复合材料液体模塑成形工艺，颗粒介质成形依靠均布压力和柔性软模保证树脂的良好流动性以及树脂与纤维之间的浸润性，柔性半模很好的满足成形后可以退模的工艺需求。
对比缠绕成形工艺，颗粒介质热压成形工艺依靠刚性半模和柔性半模，模具简单且成本低，又能满足成形后可退模的工艺需求，适应新更强。
对比模压成形工艺，颗粒介质热压成形工艺开模成本低，可满足退模的工艺条件；且压制复杂形状的混杂纤维制件时，可以保证增强纤维与树脂基体界面之间良好的浸润性，成形后制品力学性能更好。
本发明提出的碳/芳纶混杂纤维复合材料颗粒介质热压成形工艺，属于柔性半模成形技术，采用颗粒介质与制件接触传热、传压以代替凸模或凹模的作用。在细观上颗粒与制件表面为点接触状态，固化过程中形成密集的“钉扎”点压效果，提高混杂纤维与树脂基体之间的浸润性，也可提高热传递效果，从而提高制品的力学性能；在宏观层面上，颗粒介质相当于柔性软模，对于复杂型面的零件具有良好的法向压力“包覆”作用，方便对制件复杂表面施加均匀的、可控的法向压力，提高制件的贴模性和定形性，可以提高成形性能。同时，可以采用通用设备加载，颗粒介质卸载和回收方便，可用于传统模压工艺不能退模的工艺条件，适用于高强度、复杂型面、小批量制件加工。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文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 (10)

1.一种碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备装置，其特征在于，所述装置包括：
压头、机械锁死插口、压头进给机构、压机主体、压头压力温控机构、机械锁死插头、颗粒介质进料口、模具-压机锁定螺栓、压紧弹簧、压机锁定螺纹孔、压边圈、模具锁定螺纹孔、模具-压机锁定螺母、凹模压力温控机构、第一凹模以及第二凹模；
所述机械锁死插口和所述压头压力温控机构在垂直方向上由上到下依次布设在所述压头上，所述压头进给机构位于所述压头的两侧，所述压机主体位于所述压头进给机构的两侧，所述机械锁死插头与所述机械锁死插口配合使用，所述颗粒介质进料口开设在所述压机主体的中部，所述压机锁定螺纹孔开设在所述压机主体的下部，所述模具-压机锁定螺栓与所述压机锁定螺纹孔配合使用，所述压紧弹簧位于所述颗粒介质进料口的下方，所述压边圈位于所述压紧弹簧的下方，所述第一凹模以及所述第二凹模位于所述压机主体的下方，所述凹模压力温控机构位于所述第一凹模以及所述第二凹模中；采用颗粒介质与制件接触传热、传压以代替凹模或凸模的作用。
2.一种碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将第一凹模和第二凹模合模，通过径向合模力紧固；
对第一凹模和第二凹模加热；
在由第一凹模和第二凹模组成的模具型腔内涂抹脱模剂；
将碳/芳混杂纤维预浸料铺敷在脱模剂表面；
在碳/芳混杂纤维预浸料表面依次铺敷隔离膜和透气毡；
将压机主体、第一凹模以及第二凹模紧固锁定；
通过颗粒介质进料口将加热后的颗粒介质送入模具型腔内；
通过压头将颗粒介质压实；
通过压头压力温控机构和凹模压力温控机构对模具型腔进行升温，使所述碳/芳混杂纤维预浸料成形；
成形完成后对模具型腔进行降温，当温度降低到第一设定范围时，自然冷却；
自然冷却至第二设定范围，升起压头，拧松模具-压机锁定螺栓、模具-压机锁定螺母，机械锁死插头撤出，压头上升，机械锁死插头插入机械锁死插口；
取出颗粒介质，将第一凹模和第二凹模水平分开，并将隔离膜和透气毡剥离，得到碳/芳混杂纤维成品。
3.根据权利要求2所述的碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备方法，其特征在于，所述方法在碳/芳混杂纤维预浸料表面依次铺敷隔离膜和透气毡之后还包括：将加热至100℃且占总颗粒介质1/4的颗粒介质放在透气毡的表面。
4.根据权利要求2所述的碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备方法，其特征在于，所述颗粒介质为碳钢珠，粒径为1.0mm。
5.根据权利要求2所述的碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备方法，其特征在于，所述对第一凹模和第二凹模加热具体是以5℃/min的升温速度加热至100℃。
6.根据权利要求2所述的碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备方法，其特征在于，所述将压机主体、第一凹模以及第二凹模紧固锁定具体是通过模具-压机锁定螺栓和模具-压机锁定螺母紧固锁定。
7.根据权利要求2所述的碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备方法，其特征在于，所述通过颗粒介质进料口将加热后的颗粒介质送入模具型腔内具体是将颗粒介质总量的3/4，加热至100℃送入模具型腔内。
8.根据权利要求2所述的碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备方法，其特征在于，所述通过压头压力温控机构和凹模压力温控机构对模具型腔进行升温具体是将温度升至210℃。
9.根据权利要求2所述的碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备方法，其特征在于，在所述通过压头压力温控机构和凹模压力温控机构对模具型腔进行升温之后还包括：机械锁死插头撤出，压机主体作用在压头上的压力加至15MPa，机械锁死插头插入机械锁死插口，加热加压20min。
10.根据权利要求2所述的碳纤维/芳纶混杂纤维复合材料制备方法，其特征在于，所述成形完成后对模具型腔进行降温，当温度降低到第一设定范围时，自然冷却，自然冷却至第二设定范围具体是以6℃/min的降温速度降温，待凹模压力温控机构监测到温度降低到50℃时，自然冷却，自然冷却至30℃。
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