CN110406134A - 一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法 - Google Patents

一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110406134A
CN110406134A CN201910707800.XA CN201910707800A CN110406134A CN 110406134 A CN110406134 A CN 110406134A CN 201910707800 A CN201910707800 A CN 201910707800A CN 110406134 A CN110406134 A CN 110406134A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon fiber
fiber reinforced
composite material
forming
plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910707800.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110406134B (zh
Inventor
王礼良
孙雨豪
蔡昭恒
栾禧
丹尼斯J.波利蒂斯
奥马尔·伊法基尔
朱明清
吴冈
林建国
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Imperial Technology Innovation Co Ltd
Original Assignee
Imperial Technology Innovation Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Imperial Technology Innovation Co Ltd filed Critical Imperial Technology Innovation Co Ltd
Priority to CN201910707800.XA priority Critical patent/CN110406134B/zh
Publication of CN110406134A publication Critical patent/CN110406134A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110406134B publication Critical patent/CN110406134B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/40—Shaping or impregnating by compression not applied
    • B29C70/42—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C70/46—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using matched moulds, e.g. for deforming sheet moulding compounds [SMC] or prepregs

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，本发明涉及一种碳纤维增强热塑性复合材料的成形方法。它解决了现有技术的冲压成形需要花费大量时间和能源的问题。它通过下述步骤实现：将碳纤维增强热塑性复合材料板材快速加热到临界成形温度，加热速率在20‑60℃/s范围内；将板料在一定压力下保温；将热板材快速转移到冷模具中，热板料始终处于软化状态；将板料用冷模具的压力冲压成所需的形状；并以临界淬火速率将成形件淬火至室温。本发明提出了一种新的快速热成形方法，可用于生产形状复杂的增强热塑性复合材料零件。满足汽车工业中对于零件大批量生产的要求，可以将生产周期缩短到15秒以内。成形件的强度可达到原板材性能的90％。

Description

一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维增强热塑性复合材料的成形方法，属于复合材料成形领域。
背景技术
碳纤维增强热塑性复合材料在航空航天、飞机和汽车工业的应用中，具有大规模生产轻型结构部件的潜力。目前，高压树脂传递模塑成形(High Pressure Resin TransferMoulding)已经被应用于制造增强热塑性复合材料汽车零部件。然而，由于该技术中注射和固化过程持续时间较长，想要采用该技术进行大规模生产会有很大的困难。在该技术中，使用对流炉或红外线炉对增强热塑性复合材料板材进行冲压成形，需要花费大量的时间和能源。若能将热塑性复合材料零件工艺的生产周期缩短至1分钟以内，则碳纤维增强复合材料将能够更加广泛的应用于汽车轻型结构部件，从而达到减轻重量，降低成本的目的。
发明内容
本发明提供一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，以解决现有技术的冲压成形需要花费大量时间和能源的问题。本发明通过下述步骤实现：
一、将碳纤维增强热塑性复合材料板材快速加热到预设温度，该温度为临界成形温度T，加热速率在20-60℃/s范围内；
二、将板料在一定压力下保温；
三、将热板材快速转移到冷模具中，热板料始终处于软化状态；
四、将板料用冷模具的压力冲压成所需的形状；并以临界淬火速率将成形件淬火至室温。
本发明提出了一种新的快速热成形方法，该方法可用于大批量生产形状复杂的增强热塑性复合材料零件。本发明所述热塑性复合材料是优选含有基体和增强体的材料。为了满足汽车工业中对于零件大批量生产的要求，本发明提供了一种低能耗高效率的生产工艺，可以将生产周期缩短到15秒以内。通过进行热塑性复合材料的快速热成形实验，该技术的可行性已经得到了验证。经拉伸试验测试，成形件的强度可以达到原板材性能的90％。
该技术成形过程是在板料与冷模具之间非等温条件下将碳纤维增强热塑性复合板材冲压成所需的几何形状。首先采用大功率接触式加热装置将热塑性复合材料板材加热到适当的温度，该温度略低于树脂熔融温度。该接触加热装置可以实现加热速率高达60℃/s的快速升温，可以显著缩短加热复合材料板材的时间。随即将加热并且已经软化的复合材料板快速转移到成形模具中，然后在冷模具施加一定的压力，将复合材料板材冲压成所需零件，并能以30℃/s的降温速率淬火到室温。
本发明成形的零件强度经测试达到了该热塑性复合材料板料加热成形前性能的90％。与传统热塑性复合材料板材成形相比，本发明降低了在成形过程中对热塑性复合材料加热和保温的时间，从而不仅能提高生产效率，节能效果也十分显著。成形过程中涉及到的加热、保温、转移、成形、淬火过程的总生产周期可缩短至15秒以内，一般在15至30秒，稍长则为60秒，最长不超过120秒。
附图说明
图1是快速热成形碳纤维增强热塑性复合材料的温度曲线以及原理图；图2是碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)的U形成形构件图片；图3是成型件和原材料的拉伸试验应力-应变曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，零件的成形方法通过下述步骤实现：
一、将碳纤维增强热塑性复合材料板材快速加热到预设温度，该温度为临界成形温度T，其略低于热塑性复合材料板材的树脂熔融温度。加热速率在20-60℃/s范围内。加热速率和成形温度的选择取决于成形件的复杂程度。
临界成形温度T可以用以下方法用来确定：将板材加热至不同温度后对材料各项性能进行对比，以便确定材料熔融温度，确保材料在成形前已经足够软化。对于塑料、橡胶等材料的熔融温度，实验室通常采用差示扫描量热仪(即DSC)进行测量。该仪器通过热电偶收集材料在升/降温过程中热流的变化，绘制成曲线，由于材料在熔点时会大量吸热，曲线在此处出现尖锐的峰，峰值温度即是该材料熔融温度。
二、板材加热到预设温度后，将其在一定压力下保温。与传统热成形复合材料相比，该发明所需保温时间极短。
保温时间用以下方法确定：对比板料在不同保温时间后的表面特征，来避免保温时间过长或过短对于材料表面特性的破坏，保证成形构件出色的表面质量。
三、在板料的温度不低于所需成形温度前，将热板材快速转移到冷模具中，热板料始终处于软化状态。
用以下方法确定板料从加热设备到成形模具的传递时间：通过多次试验并记录板料的从加热设备中取出并置于空气中的降温过程，确定该时间。
四、将板料用冷模具的压力下冲压成所需的形状。并以临界淬火速率将成形件淬火至室温。
用以下方法来确定所需成形压力以及临界淬火速率：测试和比较在不同淬火速率和成形压力下，成形件的各项性能以及表面特性，保证成形构件出色的表面质量。
具体实施方式二：下面结合图1、图2和图3具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中的碳纤维增强热塑性复合材料选择碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料。所述零件为“U”形构件，是用于汽车的零件。复合材料板料厚度2.5mm。
步骤一采用大功率接触式加热装置，该接触加热装置可以实现加热速率高达60℃/s的快速升温，加热时间在3秒至5秒之间即可达到临界成形温度T。步骤二的保温时间，在0.5秒至2秒之间之间。步骤四的淬火时间为6秒至8秒，达到40℃/s的降温速率。
采取上述措施后，整个生产周期缩短到15秒以内。经测试，成形的零件强度达到了该热塑性复合材料板料加热成形前性能的91％。图3显示了成型后的零件件与原材料的拉伸试验应力-应变曲线几乎重合。
其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式相对于实施方式二限定了步骤二中，模具保压压力在临界接触压力范围内，模具保压压力为1MPa至20MPa；步骤四的淬火是成形件在冷模具中冷却。
其它步骤与具体实施方式二相同。

Claims (10)

1.一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，其特征在于它通过下述步骤实现：一、将碳纤维增强热塑性复合材料板材快速加热到预设温度，该温度为临界成形温度T，加热速率在20-60℃/s范围内；
二、将板料在一定压力下保温；
三、将热板材快速转移到冷模具中，热板料始终处于软化状态；
四、将板料用冷模具的压力冲压成所需的形状；并以临界淬火速率将成形件淬火至室温。
2.根据权利要求1所述的一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，其特征在于临界成形温度T可以用以下方法用来确定：将板材加热至不同温度后对材料各项性能进行对比，以便确定材料熔融温度，确保材料在成形前已经足够软化。
3.根据权利要求1所述的一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，其特征在于保温时间用以下方法确定：对比板料在不同保温时间后的表面特征，来避免保温时间过长或过短对于材料表面特性的破坏，保证成形构件出色的表面质量。
4.根据权利要求1所述的一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，其特征在于用以下方法确定板料从加热设备到成形模具的传递时间：通过多次试验并记录板料的从加热设备中取出并置于空气中的降温过程，确定该时间。
5.根据权利要求1所述的一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，其特征在于用以下方法来确定所需成形压力以及临界淬火速率：测试和比较在不同淬火速率和成形压力下，成形件的各项性能以及表面特性，保证成形构件出色的表面质量。
6.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，其特征在于碳纤维增强热塑性复合材料选择碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，所述零件为“U”形构件，复合材料板料厚度2.5mm。
7.根据权利要求6所述的一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，其特征在于步骤一采用大功率接触式加热装置，该接触加热装置可以实现加热速率高达60℃/s的快速升温，加热时间在3秒至5秒之间即可达到临界成形温度T；步骤二的保温时间，在1.2秒至1.5秒之间；步骤四的淬火时间为7秒至8秒，达到30℃/s的降温速率。
8.根据权利要求7所述的一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，其特征在于步骤二中，模具保压压力在临界接触压力范围内，模具保压压力为1 MPa至20 MPa。
9.根据权利要求7所述的一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，其特征在于步骤四的淬火是成形件在冷模具中冷却。
10.根据权利要求1所述的一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法，其特征在于是用于汽车的零件。
CN201910707800.XA 2019-08-01 2019-08-01 一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法 Active CN110406134B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910707800.XA CN110406134B (zh) 2019-08-01 2019-08-01 一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910707800.XA CN110406134B (zh) 2019-08-01 2019-08-01 一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110406134A true CN110406134A (zh) 2019-11-05
CN110406134B CN110406134B (zh) 2021-08-13

Family

ID=68365186

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910707800.XA Active CN110406134B (zh) 2019-08-01 2019-08-01 一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110406134B (zh)

Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0544501A2 (en) * 1991-11-28 1993-06-02 Mitsui Petrochemical Industries, Ltd. Process for preparing composite foamed molded article
WO2003078164A1 (en) * 2002-03-13 2003-09-25 Delphi Technologies, Inc. Formed composite structural members and methods and apparatus for making the same
CN101495282A (zh) * 2006-05-31 2009-07-29 陶氏环球技术公司 使用微波能选择性加热热塑性聚合物体系
EP2647486A1 (en) * 2010-12-02 2013-10-09 Toray Industries, Inc. Method for producing metal composite, and chassis for electronic equipment
CN103482994A (zh) * 2013-10-17 2014-01-01 山东工业陶瓷研究设计院有限公司 碳纤维增强石英陶瓷基复合材料的制备方法
CN104044315A (zh) * 2013-03-12 2014-09-17 上海通用汽车有限公司 具有塑料件外观特征的竹纤维汽车零件及制造方法、汽车
CN204894561U (zh) * 2015-09-01 2015-12-23 吉林大学 碳纤维复合材料真空模压成型装置
CN105922601A (zh) * 2016-05-18 2016-09-07 广东新秀新材料股份有限公司 纤维增强热塑性复合材料部件的制备方法
CN106799849A (zh) * 2016-12-28 2017-06-06 贺州思通信息技术有限公司 电子产品金属后壳的制造方法
CN106863839A (zh) * 2017-03-23 2017-06-20 哈尔滨工业大学 一种高性能热塑性复合材料板筋件的制备方法
CN107571482A (zh) * 2017-08-18 2018-01-12 武汉理工大学 一种热塑性碳纤维复合板材快速冲压成型工艺
CN107775872A (zh) * 2016-08-24 2018-03-09 汉达精密电子(昆山)有限公司 热塑性复合材料产品的制作方法及其相应的产品
CN108367466A (zh) * 2015-12-18 2018-08-03 帝人株式会社 压制成型体的制造方法
US10086540B2 (en) * 2015-02-27 2018-10-02 Teijin Limited Method for manufacturing press molded product and manufacturing apparatus for press molded product
CN208452039U (zh) * 2018-06-26 2019-02-01 惠州市海龙模具塑料制品有限公司 一种复合材料快速成型的hp-rtm模具
CN109501313A (zh) * 2018-12-20 2019-03-22 武汉理工大学 一种连续纤维增强热塑性复材非等温成形装置及工艺

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0544501A2 (en) * 1991-11-28 1993-06-02 Mitsui Petrochemical Industries, Ltd. Process for preparing composite foamed molded article
WO2003078164A1 (en) * 2002-03-13 2003-09-25 Delphi Technologies, Inc. Formed composite structural members and methods and apparatus for making the same
CN101495282A (zh) * 2006-05-31 2009-07-29 陶氏环球技术公司 使用微波能选择性加热热塑性聚合物体系
EP2647486A1 (en) * 2010-12-02 2013-10-09 Toray Industries, Inc. Method for producing metal composite, and chassis for electronic equipment
CN104044315A (zh) * 2013-03-12 2014-09-17 上海通用汽车有限公司 具有塑料件外观特征的竹纤维汽车零件及制造方法、汽车
CN103482994A (zh) * 2013-10-17 2014-01-01 山东工业陶瓷研究设计院有限公司 碳纤维增强石英陶瓷基复合材料的制备方法
US10086540B2 (en) * 2015-02-27 2018-10-02 Teijin Limited Method for manufacturing press molded product and manufacturing apparatus for press molded product
CN204894561U (zh) * 2015-09-01 2015-12-23 吉林大学 碳纤维复合材料真空模压成型装置
CN108367466A (zh) * 2015-12-18 2018-08-03 帝人株式会社 压制成型体的制造方法
CN105922601A (zh) * 2016-05-18 2016-09-07 广东新秀新材料股份有限公司 纤维增强热塑性复合材料部件的制备方法
CN107775872A (zh) * 2016-08-24 2018-03-09 汉达精密电子(昆山)有限公司 热塑性复合材料产品的制作方法及其相应的产品
CN106799849A (zh) * 2016-12-28 2017-06-06 贺州思通信息技术有限公司 电子产品金属后壳的制造方法
CN106863839A (zh) * 2017-03-23 2017-06-20 哈尔滨工业大学 一种高性能热塑性复合材料板筋件的制备方法
CN107571482A (zh) * 2017-08-18 2018-01-12 武汉理工大学 一种热塑性碳纤维复合板材快速冲压成型工艺
CN208452039U (zh) * 2018-06-26 2019-02-01 惠州市海龙模具塑料制品有限公司 一种复合材料快速成型的hp-rtm模具
CN109501313A (zh) * 2018-12-20 2019-03-22 武汉理工大学 一种连续纤维增强热塑性复材非等温成形装置及工艺

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王善元，张汝光: "《纤维增强复合材料》", 30 November 1998 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110406134B (zh) 2021-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107187078B (zh) 一种碳纤维预浸料快速模压成型工艺
Akkerman et al. Analysis of the thermoplastic composite overmolding process: Interface strength
US9469067B2 (en) Method and apparatus for fabricating a fibre reinforced thermoplastic composite structure
Zhang et al. Effect of rapid curing process on the properties of carbon fiber/epoxy composite fabricated using vacuum assisted resin infusion molding
CN103192536B (zh) 纤维增强树脂基复合材料的微波高压间歇固化法及模具
JP6271130B2 (ja) 複合材の製造方法
Avenet et al. Adhesion of high performance thermoplastic composites: Development of a bench and procedure for kinetics identification
Agius et al. Fracture behaviour of a rapidly cured polyethersulfone toughened carbon fibre/epoxy composite
Sacchetti et al. Effect of cooling rate on the interlaminar fracture toughness of unidirectional Carbon/PPS laminates
Benkaddour et al. Thermostamping of [0/90] n carbon/peek laminates: Influence of support configuration and demolding temperature on part consolidation
Land et al. Technology review of thermal forming techniques for use in composite component manufacture
CN110406134A (zh) 一种成形碳纤维增强热塑性复合材料零件的方法
JP5568388B2 (ja) 外観の良い繊維強化樹脂成形品
JP6796280B2 (ja) 繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法
US20220009136A1 (en) Rapid heat cycle molding
GB2515316A (en) Methods for composite material processing
Bezerra et al. Manufacturing of complex shape composite parts through the combination of pull-braiding and blow moulding
Hergan et al. Influence of processing temperatures on the deflection of hybrid-metal-carbon composites made by resin transfer moulding
US8796413B2 (en) Polymer material and method for producing same
Rimmel et al. Effects of fast prepreg pressing on laminate quality and mechanical properties
JP5603149B2 (ja) 繊維強化樹脂成形品及び賦形成形方法
Schlimbach et al. Quickstep: beyond out of autoclave curing
Taylor et al. Feasibility of a concept out-of-autoclave carbon fibre reinforced polymer part manufacturing process
JPH0361515A (ja) 繊維強化熱可塑性合成樹脂の成形方法
JPH02209223A (ja) 繊維強化熱可塑性合成樹脂の成形用金型

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant