CN110001079A - 一种碳纤维管件制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碳纤维管件制备装置及方法,方法包括:制备管坯复合件;将第一管件模具、第二管件模具和颗粒介质加热;在第一管件模具和第二管件模具内侧涂抹脱模剂;将带有管坯复合件的气袋放入第一管件模具和第二管件模具之间,并闭合;将加热后的颗粒介质放入管坯复合件内;对颗粒介质、第一管件模具以及第二管件模具加热;对颗粒介质加压至第一设定压力值;继续升温至第三设定温度值;继续对颗粒介质施压,保温保压第一设定时间;继续升温并对颗粒介质施压,保温保压第二设定时间;冷却至室温,逐渐撤去压力,得到碳纤维管件成品。本发明中的上述方法能够提高管件的材料强度及成形精度。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维管件制备领域,特别是涉及一种碳纤维管件制备装置及方法。
背景技术
轻量化是实现节能减排环保目标的有效途径之一。碳纤维复合材料是指碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料,具有高强度(是钢铁的5倍)、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)、出色的抗热冲击性、低热膨胀系数(变形量小)、热容量小(节能)、比重小(钢的1/5)、优秀的抗腐蚀与辐射性能诸多优点,在轻量化方面发挥着关键作用。碳纤维复合材料空心变截面零件是集材质减轻与结构减轻两方面于一体的典型轻量化构件。碳纤维复合材料构件的成形都要经过裁剪,铺层,固化,脱模几个过程。目前成型方法通常有热压罐法、模压法、缠绕法和树脂传递模塑法等。
热压罐法在固化过程中,热压罐为压力容器,固化过程中碳纤维经过预浸层铺后一面贴紧模具,另一面通过空气施加压力,常规热压罐的温度和压力上限一般为500℃和2MPa,压力上限不高。其成本较高,成形过程消耗较大,难以实现结构件的低成本快速制造。模压法是用刚性模具提供压力成形的工艺,不适用于管状零件,容易出现脱模困难,形状缺陷等问题。缠绕法制备具有凹面的零部件较为困难,并且缠绕机的成本较高。这几种方法均在成形空心变截面零件时常由于截面的变化容易出现脱模问题。
树脂传递模塑法是将设计层铺好的碳纤维预制体放入模腔内闭模,采用注胶设备将树脂流体注入到闭合模腔内,充分浸润碳纤维,或者采用真空加注的方式将树脂基体引入到模腔内,再进行固化的工艺。需要按照结构和性能需求设计碳纤维预制体,而且树脂固化时间长,加注和固化总时间一般在2小时以上。
在颗粒介质热成形方法中,首先,固体颗粒可以代替芯模或外模作为传压、传热介质,高压条件可使用通用液压机对颗粒物质在密闭的型腔内进行简单的机械加载而获得;其次,颗粒物质易于密封,即使在高温高压条件下也不存在密封困难的问题;最后,颗粒介质易装填、卸载,不存在脱模问题。因此,此技术在碳纤维复合材料管材成形中有独特的优势和前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维管件制备装置及方法,提高管件的材料强度及成形精度。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种碳纤维管件制备装置,所述装置包括:
模架、导杆、合模油缸、第一管件模具、第二管件模具、加热棒、热电偶、第一压头、第二压头、第一挡块以及第二挡块;
所述导杆设置在所述模架上,且所述导杆与所述模架的剖面呈矩形,所述合模油缸设置在所述导杆上,并沿所述导杆做直线运动,所述第一管件模具和所述第二管件模具对称固定在所述导杆上,所述第一压头和所述第二压头分别位于所述模架的上方和下方,在工作时,所述第一压头和所述第二压头穿入所述第一管件模具和所述第二管件模具之间的缝隙,对所述第一管件模具和所述第二管件模具之间物质进行加压,所述第一挡块位于所述第一压头的外侧,所述第二挡块位于所述第二压头的外侧,所述加热棒布设在所述第一压头和所述第二压头中,所述热电偶布设在所述第一管件模具和所述第二管件模具中。
本发明另外提供一种碳纤维管件制备方法,所述制备方法应用上述制备装所述制备方法包括:
根据零件形状制备气袋;
在所述气袋外侧层铺辅助材料;
在所述辅助材料外层铺设碳纤维复合层,得到管坯复合件;
将第一管件模具和第二管件模具通过加热棒加热至第一设定温度值;
将颗粒介质预热至第一设定温度值;
在所述第一管件模具和所述第二管件模具内侧涂抹脱模剂;
将带有管坯复合件的气袋放入第一管件模具和第二管件模具之间,闭合所述第一管件模具和所述第二管件模具,取出所述气袋;
将第一压头和第二压头移动到预先设定位置;
将预热后的颗粒介质放入管坯复合件内;
通过加热棒对颗粒介质、第一管件模具以及第二管件模具加热至第二设定温度值;
通过第一压头和第二压头对颗粒介质加压至第一设定压力值;
以第一速率继续升温至第三设定温度值;
继续对颗粒介质施压至第二设定压力值,保温保压第一设定时间;
以第一速率继续升温至第四设定温度值;
继续对颗粒介质施压至第三设定压力值,保温保压第二设定时间;
冷却至室温,逐渐撤去压力,得到碳纤维管件成品。
可选的,所述在所述气袋外侧层铺辅助材料具体包括:
在所述气袋外侧依次层铺透气毡、无孔隔离膜、吸胶布以及有孔隔离膜。
可选的,所述第一设定温度值为50℃。
可选的,第二设定温度值为70℃,所述第一设定压力值为0.1MPa。
可选的,所述第一速率为2.5℃/min,所述第三设定温度值为110℃。
可选的,所述第二设定压力值为10MPa,所述第一设定时间为10min。
可选的,第四设定温度值为250℃,所述第三设定压力值为20MPa,第二设定时间为15min。
可选的,所述颗粒介质的粒径为1mm。
可选的,所述颗粒介质的材质为钢珠。
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:
本发明中的上述装置和方法,通过固体颗粒代替刚性芯模或外模,在设定温压下对颗粒介质加载,使管坯在介质压力下贴模,从而将成形和固化同时完成。固体颗粒代替芯模或外模作为传压、传热介质,高压条件可使用通用液压机对颗粒物质在密闭的型腔内进行简单的机械加载而获得,提高了工艺的温压上限,工艺设备和控制更加简便。更高的压力上限能够成形出形状更复杂、圆角精度更高的碳纤维管件,并且能够适用于碳纤维复合材料管件的快速热压成形,保证了成形精度和效率。同时,颗粒物质易于密封,易于装填、卸载,不存在密封和脱模问题。
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管件制备装置初始状态结构示意图;
图2为本发明实施例碳纤维管件制备装置模具闭合状态示意图;
图3为本发明实施例预制管坯结构示意图;
图4为本发明实施例碳纤维管件制备方法流程图。
附图标记说明
模架1、导杆2、合模油缸3、第一管件模具4、第二管件模具5、加热棒6、热电偶7、第一压头8、第二压头9、第一挡块10以及第二挡块11、导杆螺母12、层铺透气毡13、无孔隔离膜14、吸胶布15、有孔隔离膜16、碳纤维复合层17、颗粒介质18、气袋19、气袋外壁20。
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纤维管件制备装置及方法,提高管件的材料强度及成形精度。
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为本发明实施例碳纤维管件制备装置初始状态结构示意图,图2为本发明实施例碳纤维管件制备装置模具闭合状态示意图,如图1-图2所示,所述装置包括:
模架1、导杆2、合模油缸3、第一管件模具4、第二管件模具5、加热棒6、热电偶7、第一压头8、第二压头9、第一挡块10、第二挡块11以及导杆螺母12;
所述导杆2设置在所述模架1上,且所述导杆2与所述模架1的剖面呈矩形,所述合模油缸3设置在所述导杆2上,并沿所述导杆2做直线运动,所述第一管件模具4和所述第二管件模具5对称固定在所述导杆2上,所述第一压头8和所述第二压头9分别位于所述模架1的上方和下方,在工作时,所述第一压头8和所述第二压头9穿入所述第一管件模具4和所述第二管件模具5之间的缝隙,对所述第一管件模具4和所述第二管件模具5之间物质进行加压,所述第一挡块10位于所述第一压头8的外侧,所述第二挡块11位于所述第二压头9的外侧,所述加热棒6布设在所述第一压头8和所述第二压头9中,所述热电偶7布设在所述第一管件模具4和所述第二管件模具5中,所述导杆螺母12用于固定所述导杆2。
在处于初始状态时,第一压头8和第二压头9分别处于上下限位置,固化过程中均通过压力设备驱动对模腔内的固体颗粒直接施加压力;第一挡块10和第二挡块11分别处于上下限位置,固化中两个环形挡块用于贴紧管件两侧,能够限制树脂从边缘流出,有助于提高构件纤维含量;第一管件模具4和第二管件模具5处于开模状态,通过合模油缸3直接驱动,并安装在导杆2上实现滑动导向,导杆2通过导杆螺母12固定在模架1上。开模状态下要保证将气袋和复合管坯能够顺利装入。
如图4所示,图4为本发明实施例碳纤维管件制备方法流程图,所述制备方法包括:
步骤101:根据零件形状制备气袋19。
步骤102:在所述气袋外侧层铺辅助材料。
其中,层铺辅助材料具体包括:层铺透气毡13、无孔隔离膜14、吸胶布15以及有孔隔离膜16,具体结构如图3所示。辅助材料有助于固化过程中排出多余气体以及吸收多余的胶水液。
步骤103:在所述辅助材料外层铺设碳纤维复合层17,得到管坯复合件。
其中,是对碳纤维布进行裁剪,按照设计需求的层铺顺序和层数将碳纤维预浸料在辅助材料表面进行层铺,本发明中的层铺方向为正交层铺法,厚度为10层,材料的种类为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维单向布(T700)和聚酰胺树脂(PA6)。
步骤104:将第一管件模具和第二管件模具通过加热棒加热至第一设定温度值。
所述第一设定温度值为50℃。
步骤105:将颗粒介质18预热至第一设定温度值。
其中,对于颗粒介质的加热,采用加热炉外部加热,为节约工艺时间模具、颗粒介质的预热与碳纤维层铺同时进行。所述颗粒介质为粒径为1mm,材质为钢珠。
步骤106:在所述第一管件模具和所述第二管件模具内侧涂抹脱模剂。
步骤107:将带有管坯复合件的气袋放入第一管件模具和第二管件模具之间,闭合所述第一管件模具和所述第二管件模具,取出所述气袋19。
步骤108:将第一压头和第二压头移动到预先设定位置,此时,第一挡块和第二挡块紧贴管件两侧。
步骤109:将加热后的颗粒介质18放入管坯复合件内。
步骤110:通过加热棒对颗粒介质、第一管件模具以及第二管件模具加热至第二设定温度值。
具体的,是通过热电偶对温度进行检测,所述第二设定温度值为70℃。
步骤111:通过第一压头和第二压头对颗粒介质加压至第一设定压力值。
其中,所述第一设定压力值为0.1MPa。
步骤112:以第一速率继续升温至第三设定温度值。此时的树脂融化为玻璃态。
所述第一速率为2.5℃/min,所述第三设定温度值为110℃。
步骤113:继续对颗粒介质施压至第二设定压力值,保温保压第一设定时间。
其中,所述第二设定压力值为10MPa,所述第一设定时间为10min。
即,是在压头处对压头与颗粒介质接触面施加10MPa的机械压力,采用机械方式锁止保压,保温保压10min,使树脂充分浸泽纤维,同时除去树脂中的气泡和挥发物。
步骤114:以第一速率继续升温至第四设定温度值。
第四设定温度值为250℃,所述第三设定压力值为20MPa。
步骤115:继续对颗粒介质施压至第三设定压力值,保温保压第二设定时间。
其中,所述第三设定压力值为20MPa,第二设定时间为15min。
即,是在压头处对压头与颗粒介质接触面施加20MPa的机械压力,由于颗粒介质存在横向的传压比在管壁上生成约8~9MPa的压力,采用机械方式锁止保压,保持250℃的热压温度15min完成固化。
步骤116:冷却至室温,逐渐撤去压力,得到碳纤维管件成品。
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)
1.一种碳纤维管件制备装置,其特征在于,所述装置包括:
模架、导杆、合模油缸、第一管件模具、第二管件模具、加热棒、热电偶、第一压头、第二压头、第一挡块以及第二挡块;
所述导杆设置在所述模架上,且所述导杆与所述模架的剖面呈矩形,所述合模油缸设置在所述导杆上,并沿所述导杆做直线运动,所述第一管件模具和所述第二管件模具对称固定在所述导杆上,所述第一压头和所述第二压头分别位于所述模架的上方和下方,在工作时,所述第一压头和所述第二压头穿入所述第一管件模具和所述第二管件模具之间的缝隙,对所述第一管件模具和所述第二管件模具之间物质进行加压,所述第一挡块位于所述第一压头的外侧,所述第二挡块位于所述第二压头的外侧,所述加热棒布设在所述第一压头和所述第二压头中,所述热电偶布设在所述第一管件模具和所述第二管件模具中。
2.一种碳纤维管件制备方法,其特征在于,所述制备方法应用于如权利要求1所述的制备装置,所述制备方法包括:
根据零件形状制备气袋;
在所述气袋外侧层铺辅助材料;
在所述辅助材料外层铺设碳纤维复合层,得到管坯复合件;
将第一管件模具和第二管件模具通过加热棒加热至第一设定温度值;
将颗粒介质预热至第一设定温度值;
在所述第一管件模具和所述第二管件模具内侧涂抹脱模剂;
将带有管坯复合件的气袋放入第一管件模具和第二管件模具之间,闭合所述第一管件模具和所述第二管件模具,取出所述气袋;
将第一压头和第二压头移动到预先设定位置;
将预热后的颗粒介质放入管坯复合件内;
通过加热棒对颗粒介质、第一管件模具以及第二管件模具加热至第二设定温度值;
通过第一压头和第二压头对颗粒介质加压至第一设定压力值;
以第一速率继续升温至第三设定温度值;
继续对颗粒介质施压至第二设定压力值,保温保压第一设定时间;
以第一速率继续升温至第四设定温度值;
继续对颗粒介质施压至第三设定压力值,保温保压第二设定时间;
冷却至室温,逐渐撤去压力,得到碳纤维管件成品。
3.根据权利要求2所述的碳纤维管件制备方法,其特征在于,所述在所述气袋外侧层铺辅助材料具体包括:
在所述气袋外侧依次层铺透气毡、无孔隔离膜、吸胶布以及有孔隔离膜。
4.根据权利要求2所述的碳纤维管件制备方法,其特征在于,所述第一设定温度值为50℃。
5.根据权利要求2所述的碳纤维管件制备方法,其特征在于,第二设定温度值为70℃,所述第一设定压力值为0.1MPa。
6.根据权利要求2所述的碳纤维管件制备方法,其特征在于,所述第一速率为2.5℃/min,所述第三设定温度值为110℃。
7.根据权利要求2所述的碳纤维管件制备方法,其特征在于,所述第二设定压力值为10MPa,所述第一设定时间为10min。
8.根据权利要求2所述的碳纤维管件制备方法,其特征在于,第四设定温度值为250℃,所述第三设定压力值为20MPa,所述第二设定时间为15min。
9.根据权利要求2所述的碳纤维管件制备方法,其特征在于,所述颗粒介质的粒径为1mm。
10.根据权利要求2所述的碳纤维管件制备方法,其特征在于,所述颗粒介质的材质为钢珠。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190712 |
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