CN110978559A - 一种碳纤维复合材料零件的制备方法 - Google Patents

一种碳纤维复合材料零件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维复合材料零件的制备方法，属于零件加工技术领域。本发明提供的碳纤维复合材料零件的制备方法，包括以下步骤：(1)在树脂基复合材料的表面包裹热塑性材料制备成待加工零件模具的芯模，将碳纤维织物预浸料铺设在所述芯模上形成铺层；(2)将步骤(1)所得待加工零件模具中的铺层进行固化处理，使所述铺层固化形成碳纤维复合材料零件；(3)将步骤(2)所得待加工零件模具的芯模进行软化处理，之后将软化后的芯模与碳纤维复合材料零件分离，并将软化后的芯模进行形状恢复处理。本发明提供的方法可以方便、快速地实现脱模，降低了脱模过程中损坏待加工零件的风险；且芯模经处理后可以重复使用，耐腐蚀性好。

Description

一种碳纤维复合材料零件的制备方法
技术领域
本发明涉及零件加工技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料零件的制备方法。
背景技术
模具在传统制造业中具有重要地位，传统模具的材质通常为金属，结构上包括阴模、阳模和芯模，三者配合形成与待加工零件形状一致的腔体，通过在腔体内注入原料，使原料成型为待加工零件。为了便于待加工零件与模具的分离，一般芯模采用分块或分瓣设计，以便成型后在不损坏待加工零件的情况下实现脱模。随着技术的不断进步，人们对于模具的精度以及复杂程度要求越来越高，传统的模具制造显现出芯模脱模困难、耐腐蚀性差等问题，且使用时需要拆分及组合，成本高，效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纤维复合材料零件的制备方法，本发明提供的方法可以方便、快速地实现脱模，降低了脱模过程中损坏待加工零件的风险；且芯模经处理后可以重复使用，耐腐蚀性好。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明他提供了一种碳纤维复合材料零件的制备方法，包括以下步骤：
(1)在树脂基复合材料的表面包裹热塑性材料制备成待加工零件模具的芯模，将碳纤维织物预浸料铺设在所述芯模上形成铺层；
(2)将步骤(1)所得待加工零件模具中的铺层进行固化处理，使所述铺层固化形成碳纤维复合材料零件；
(3)将步骤(2)所得待加工零件模具的芯模进行软化处理，之后将软化后的芯模与碳纤维复合材料零件分离，并将软化后的芯模进行形状恢复处理。
优选地，步骤(1)中所述待加工零件模具使用前进行预处理，所述预处理包括：对待加工零件模具的芯模表面进行清洁处理，之后涂覆脱模剂。
优选地，步骤(1)中所述铺设完成后还包括：对所述铺层进行真空压实处理。
优选地，所述待加工零件模具还包括底座模具，步骤(2)中所述固化处理前还包括：将铺设有铺层的芯模定位到待加工零件模具的底座模具上，在所述底座模具、芯模和铺层上建立真空系统。
优选地，建立所述真空系统的方法包括：将铺设有铺层的待加工零件模具置于真空袋内，抽取所述真空袋内气体至真空度满足预设的真空条件。
优选地，抽取所述真空袋内气体至真空度满足预设的真空条件后还包括：检测所述真空袋在预设的时间内的真空泄漏量，若所述真空泄漏量≤预设的泄漏量，则确定所述真空系统建立完成。
优选地，步骤(2)中所述固化处理包括加热和/或加压处理。
优选地，步骤(3)中所述软化处理包括加热处理，所述加热处理的温度低于碳纤维复合材料零件的玻璃化温度。
优选地，步骤(3)中所述形状恢复处理包括：将软化后的芯模放入形状恢复模具中，进行加热加压处理。
优选地，所述碳纤维复合材料零件为双扭闭角碳纤维复合材料梁。
本发明提供了一种碳纤维复合材料零件的制备方法，包括以下步骤：(1)在树脂基复合材料的表面包裹热塑性材料制备成待加工零件模具的芯模，将碳纤维织物预浸料铺设在所述芯模上形成铺层；(2)将步骤(1)所得待加工零件模具中的铺层进行固化处理，使所述铺层固化形成碳纤维复合材料零件；(3)将步骤(2)所得待加工零件模具的芯模进行软化处理，之后将软化后的芯模与碳纤维复合材料零件分离，并将软化后的芯模进行形状恢复处理。采用本发明提供的方法制备待加工零件时，将表面包裹有热塑性材料的树脂基复合材料制成芯模，通过在芯模上铺设铺层、对铺层进行固化处理使其固化形成待加工零件；之后通过对芯模进行软化处理，使芯模软化而更加容易形变，从而可以更加方便、快速地实现脱模，降低了脱模过程中损坏待加工零件的风险；在脱模后对芯模进行形状恢复处理，使芯模形状恢复到初始状态，从而使芯模可以重复使用，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明中双扭闭角碳纤维复合材料梁的第一视角的立体结构示意图；
图2为本发明中双扭闭角碳纤维复合材料梁的第二视角的立体结构示意图；
图3为本发明中制备双扭闭角碳纤维复合材料梁时所用待加工零件模具中芯模的立体结构示意图(包含第一端盖和第二端盖)；
图4为本发明中制备双扭闭角碳纤维复合材料梁时所用待加工零件模具中芯模与底座模具配合的俯视结构示意图(包含第一端盖和第二端盖)；
图5为本发明实施例1中制备双扭闭角碳纤维复合材料梁的流程图；
图6为本发明实施例1中热压罐的温度随时间变化的工作曲线；
图7为本发明实施例2中制备双扭闭角碳纤维复合材料梁的流程图；
图8为本发明实施例3中制备双扭闭角碳纤维复合材料梁的流程图；
图中，10-芯模；11-第一端盖；12-第二端盖；20-双扭闭角碳纤维复合材料梁；30-底座模具。
具体实施方式
本发明提供了一种碳纤维复合材料零件的制备方法，包括以下步骤：
(1)在树脂基复合材料的表面包裹热塑性材料制备成待加工零件模具的芯模，将碳纤维织物预浸料铺设在所述芯模上形成铺层；
(2)将步骤(1)所得待加工零件模具中的铺层进行固化处理，使所述铺层固化形成碳纤维复合材料零件；
(3)将步骤(2)所得待加工零件模具的芯模进行软化处理，之后将软化后的芯模与碳纤维复合材料零件分离，并将软化后的芯模进行形状恢复处理。
本发明在树脂基复合材料的表面包裹热塑性材料制备成待加工零件模具的芯模，将碳纤维织物预浸料铺设在所述芯模上形成铺层。在本发明中，所述芯模的TG温度优选<100℃，最终所得碳纤维复合材料零件的TG温度优选≥135℃。
在本发明中，所述待加工零件模具包括芯模，制备芯模所用树脂基复合材料优选为碳纤维与改性环氧树脂的复合材料，本发明对所述碳纤维与改性环氧树脂的配比不作特殊限定，保证芯模具有所需强度即可。本发明对所述碳纤维的具体种类及尺寸等不作特殊限定，采用本领域技术人员熟知的碳纤维即可，具体如东丽T300碳纤维。所述改性环氧树脂的TG温度优选<100℃，以便于芯模进行后续软化处理及形状恢复处理；本发明对改性环氧树脂的来源不作特殊限定，满足上述TG温度要求即可。制备芯模所用热塑性材料的TG温度优选<100℃，熔点优选>200℃；本发明对所述热塑性材料的具体种类不作特殊限定，能够满足上述TG温度和熔点要求即可，具体如聚苯硫醚(PPS)；所述热塑性材料能够起到隔离作用，将芯模中的树脂基复合材料与碳纤维织物预浸料形成的铺层隔离，便于铺层顺利进行后续固化处理。本发明对所述热塑性材料的包裹量以及包裹热塑性材料的具体操作没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方案即可。
本发明将表面包裹有热塑性材料的树脂基复合材料制成芯模，通过在芯模上铺设铺层、对铺层进行固化处理使其固化形成待加工零件；之后通过对芯模进行软化处理，使芯模软化而更加容易形变，从而可以更加方便、快速地实现脱模，降低了脱模过程中损坏待加工零件的风险；在脱模后对芯模进行形状恢复处理，使芯模形状恢复到初始状态，从而使芯模可以重复使用，降低了生产成本。而且，与传统金属材质芯模相比，本发明提供的芯模具有优异的耐腐蚀性。
作为本发明的一个实施例，所述待加工零件模具还包括设置在所述芯模两端的第一端盖和第二端盖，所述第一端盖和第二端盖的材质优选为不锈钢。本发明具体是根据所需碳纤维复合材料零件的形状、尺寸确定待加工零件模具的形状、尺寸；在本发明的实施例中，所述碳纤维复合材料零件具体为双扭闭角碳纤维复合材料梁(其结构如图1和2所示)，所述芯模、第一端盖和第二端盖的位置关系立体结构示意图如图3所示。
在本发明中，所述待加工零件模具使用前优选进行预处理，所述预处理优选包括：对待加工零件模具的芯模表面进行清洁处理，之后涂覆脱模剂。清洁处理能够去除芯模表面的灰尘等杂质，避免成型出的待加工零件中包含杂质而影响待加工零件的力学性能、可靠性等，本领域技术人员可以采用任何适当的方式对芯模进行清洁处理，本发明对此不作限定。在芯模表面涂覆脱模剂有利于后续步骤中对待加工零件进行脱模，根据待加工零件的材料不同，本领域技术人员可以采用适当种类的脱模剂以及涂覆方法、涂覆量，本发明对此不作限定。
得到芯模后，本发明将碳纤维织物预浸料铺设在所述芯模上形成铺层。本发明对所述碳纤维织物预浸料所用原料以及制备方法没有特殊限定，根据实际需要采用本领域常规方法制备或者是直接使用市售商品均可。在本发明中，最终所得碳纤维复合材料零件的TG温度具体是由碳纤维织物预浸料中的环氧树脂确定；所述碳纤维织物预浸料中的环氧树脂的TG温度优选≥135℃；在本发明的实施例中，所述碳纤维织物预浸料具体为东丽T300碳纤维预浸料；碳纤维织物预浸料的层数可以为15～30层，具体以使待加工零件的结构强度满足需求为宜。在本发明中，所述铺设过程中，优选利用激光投影仪或铺贴卡板控制铺层位置的准确性，进而确保待加工零件的质量。在本发明的实施例中，以双扭闭角碳纤维复合材料梁为待加工零件，具体是将铺层铺设在芯模的外底面以及两个外侧面，并采用第一端盖和第二端盖进行固定。
在本发明中，所述铺设完成后优选还包括：对所述铺层进行真空压实处理。真空压实处理能够排出铺层中的气体，有利于避免铺层中含有气泡影响待加工零件的结构强度、力学性能等。在本发明中，所述真空压实处理优选是将铺设有铺层的待加工零件模具置于真空袋内，然后抽取所述真空袋内的气体，以去除铺层中的气体，并使铺层压实；本发明对于所述真空袋内的真空度没有特殊限定，根据实际需要设定，保证铺层中气体充分排出即可。
在待加工零件模具的芯模上形成铺层后，本发明将待加工零件模具中的铺层进行固化处理，使所述铺层固化形成碳纤维复合材料零件。作为本发明的一个实施例，所述待加工零件模具还包括底座模具30，材质优选为不锈钢；底座模具一方面可以用于承载芯模，另一方面可以与芯模配合构成成型腔，从而使铺层形成的待加工零件的形状与实际需求一致；根据待加工零件的形状不同，选择合适形状的底座模具即可，本发明对此不作特殊限定；在本发明的实施例中，以双扭闭角碳纤维复合材料梁为待加工零件，底座模具的形状如图4所示。
在本发明中，在进行所述固化处理前优选还包括：将铺设有铺层的芯模定位到待加工零件模具的底座模具上，在所述底座模具、芯模和铺层上建立真空系统。本发明需要将铺设有铺层的芯模精准放置到待加工零件模具的底座模具上，以满足精密零件加工要求。本发明在底座模具、芯模和铺层上建立真空系统，有利于去除固化处理过程中产生的气泡，从而改善成型出的待加工零件的质量。在本发明中，建立所述真空系统的方法优选包括：将铺设有铺层的待加工零件模具置于真空袋内，抽取所述真空袋内气体至真空度满足预设的真空条件。在本发明中，所述预设的真空条件优选是将真空袋内真空度控制在≤-85kPa，在该真空度条件下，可以快速、充分去除固化处理过程中产生的气泡，从而提升成型出的待加工零件的质量。
在铺设真空袋时真空袋可能由于外力破坏而产生泄露孔，为了保证真空系统内的真空度能够满足所需要求，进而保证待加工零件的质量，本发明中抽取所述真空袋内气体至真空度满足预设的真空条件后优选还包括：检测所述真空袋在预设的时间内的真空泄漏量，若所述真空泄漏量≤预设的泄漏量，则确定所述真空系统建立完成。其中，所述预设的时间可以是1min、5min或10min等，本领域技术人员可以根据需要确定；以预设的时间是5min为例，预设的泄漏量可以是17kPa。
本发明将待加工零件模具中的铺层进行固化处理，使所述铺层固化形成碳纤维复合材料零件；其中，所述固化处理优选包括加热和/或加压处理，所述固化处理优选在热压罐中进行，具体是将铺设有铺层的待加工零件模具输送至热压罐中，在加热和/或加压条件下使铺层固化形成碳纤维复合材料零件。本发明优选根据铺层材料的不同，将热压罐调整为适当的温度和/或压力，保证铺层可以固化，形成待加工零件；具体的，将待加工零件模具输送到热压罐内之后，根据铺层材料的特性，设定热压罐温度和/或压力随时间变化的工作曲线，并使热压罐根据设定的曲线工作提供加热和/或加压条件，以保证固化的可靠性，确保成型出的待加工零件的结构强度能够满足需求。需要说明的是，针对不同的待加工零件，其使用的铺层材料可能不同，相应地，设定的加热罐的温度和/或压力随时间变化的工作曲线也可以不同，如温度可以为20～180℃，压力可以为0.1～0.7MPa。在本发明的实施例中，以双扭闭角碳纤维复合材料梁为待加工零件，固化过程中当温度>100℃时，TG温度<100℃的芯模会出现软化情况，由于芯模内部也处于压力作用下，即此时芯模内部和外部的压力平衡，待加工零件被压实，最终得到所需形状。
完成所述固化处理后，本发明将待加工零件模具的芯模进行软化处理，之后将软化后的芯模与碳纤维复合材料零件分离，并将软化后的芯模进行形状恢复处理。在待加工零件固化成型后，为了使脱模更加快速、方便且不会损坏成型的待加工零件，本发明通过对芯模进行软化处理，使芯模可以进行变形，从而使芯模与待加工零件分离，完成脱模，采用这种方式脱模，芯模不需进行分块或分片，从而使待加工零件的加工精度可以更高。本发明在进行软化处理时，可以根据芯模的材质，选择适当的处理方式使其软化。例如，可以通过对芯模进行加热处理使其软化，其中，所述加热处理的温度低于待加工零件的玻璃化温度，从而保证加热不会损坏待加工零件。
将软化后的芯模与碳纤维复合材料零件分离后，本发明将软化后的芯模进行形状恢复处理；所述形状恢复处理优选包括：将软化后的芯模放入形状恢复模具中，进行加热加压处理；优选是使用电热鼓风机向芯模内部通入热空气，即可实现加热加压处理；热空气的温度优选为85～100℃，更优选为100℃；压力优选>0.1MPa，更优选为0.2～0.4MPa；热空气的通入时间优选为5～15min，更优选为10min。在本发明中，所述形状恢复模具上具有容纳芯模的凹槽，该凹槽的形状与芯模初始形状一致，在对芯模加热加压过程中，所述芯模的形状会逐渐恢复为凹槽的形状，即初始形状，从而使恢复后的芯模可以再次利用；这样可以提高芯模的利用率，其可以重复使用50～80次，从而降低生产成本。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
实施例1
参照图5所示流程制备双扭闭角碳纤维复合材料梁，包括以下步骤：
步骤S102：待加工零件模具包括芯模10和设置在所述芯模10两端的第一端盖11和第二端盖12；其中，所述芯模10由在树脂基复合材料的表面包裹热塑性材料形成，所述树脂基复合材料为东丽T300碳纤维与改性环氧树脂(TG温度<100℃)的复合材料，所述热塑性材料为聚苯硫醚(PPS)；所述第一端盖11和第二端盖12的材质均为不锈钢；
将20层碳纤维织物预浸料(东丽T300碳纤维预浸料，其中所含环氧树脂的TG温度为135℃)叠层铺设在所述芯模10的外底面以及两个外侧面，形成铺层，并采用第一端盖11和第二端盖12进行固定；
步骤S104：将待加工零件模具输送至热压罐中，通过热压罐加热加压使芯模10上的铺层固化成型并形成待加工零件，其中，热压罐的压力为0.3MPa，温度随时间变化的工作曲线如图6所示；
步骤S106：将待加工零件模具的芯模10加热至100℃使其软化变形，之后将软化的芯模10与待加工零件分离，完成脱模；
步骤S108：将软化的芯模10放入形状恢复模具中，使用电热鼓风机向芯模内部通入热空气进行加热加压处理(热空气的温度为100℃，压力为0.3MPa，热空气的通入时间为10min)，使软化的芯模10形状恢复到初始状态，便于芯模10重复使用。
实施例2
参照图7所示流程制备双扭闭角碳纤维复合材料梁，与实施例1的区别在于步骤S102包括以下子步骤：
子步骤S1021：将待加工零件模具的芯模10表面进行清洁操作，并涂覆脱模剂；
子步骤S1022：利用激光投影仪在涂覆有脱模剂的芯模10上铺设碳纤维织物预浸料，形成铺层；
子步骤S1023：将铺设有铺层的待加工零件模具置于真空袋内，然后抽取所述真空袋内的气体，以去除铺层中的气体，并使铺层压实。
实施例3
参照图8所示流程制备双扭闭角碳纤维复合材料梁，与实施例1的区别在于所用待加工零件模具还包括底座模具30(材质为不锈钢)，同时步骤S102之后且步骤S104之前，还包括以下步骤：
步骤S104a：将铺设有铺层的芯模10定位到待加工零件模具的底座模具30上，在底座模具30、芯模10和铺层上建立真空系统，具体是将铺设有铺层的待加工零件模具置于真空袋内，抽取真空袋内气体，至真空袋内的真空度为-85kPa，之后对真空系统的真空泄露量进行检测，5min的泄露量≤17kPa，则确定真空系统建立完成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料零件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在树脂基复合材料的表面包裹热塑性材料制备成待加工零件模具的芯模，将碳纤维织物预浸料铺设在所述芯模上形成铺层；
(2)将步骤(1)所得待加工零件模具中的铺层进行固化处理，使所述铺层固化形成碳纤维复合材料零件；
(3)将步骤(2)所得待加工零件模具的芯模进行软化处理，之后将软化后的芯模与碳纤维复合材料零件分离，并将软化后的芯模进行形状恢复处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述待加工零件模具使用前进行预处理，所述预处理包括：对待加工零件模具的芯模表面进行清洁处理，之后涂覆脱模剂。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述铺设完成后还包括：对所述铺层进行真空压实处理。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述待加工零件模具还包括底座模具，步骤(2)中所述固化处理前还包括：将铺设有铺层的芯模定位到待加工零件模具的底座模具上，在所述底座模具、芯模和铺层上建立真空系统。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，建立所述真空系统的方法包括：将铺设有铺层的待加工零件模具置于真空袋内，抽取所述真空袋内气体至真空度满足预设的真空条件。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，抽取所述真空袋内气体至真空度满足预设的真空条件后还包括：检测所述真空袋在预设的时间内的真空泄漏量，若所述真空泄漏量≤预设的泄漏量，则确定所述真空系统建立完成。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述固化处理包括加热和/或加压处理。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述软化处理包括加热处理，所述加热处理的温度低于碳纤维复合材料零件的玻璃化温度。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述形状恢复处理包括：将软化后的芯模放入形状恢复模具中，进行加热加压处理。
10.根据权利要求1～9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料零件为双扭闭角碳纤维复合材料梁。
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