CN112265181A - 一种包含pcb的frp预制体及其制造和固化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种包含PCB和电子元器件的FRP预制体，并给出了这种FRP预制体的制作方法，还给出了这种FRP预制体的固化方法。所述PCB和电子元器件的功能包括实时定位、身份识别、音频采集和视频采集中的至少一种。所述PCB预封装后的形状为流线形，所述预制体的固化包括从不同的注胶口分别注入导热型树脂和普通树脂。

Description

一种包含PCB的FRP预制体及其制造和固化方法

技术领域

本发明专利涉及一种包含PCB的FRP预制体及其制造和固化方法，属于纤维增强树脂基复合材料（即FRP）产品的制造范畴。

背景技术

复合材料在工业各领域的应用日益广泛，而且越来越多地应用在一些价值较高的重要结构部件，这些结构部件一般都有轻质高强的性能要求，轻质高强也是复合材料最重要的优点。比如集装箱、航空托盘、武器装备、警用器械、汽车结构、飞机部件、游艇、运动器材和医疗设施，等等，这些结构器件部件都大量使用了复合材料结构，在使用过程中，我们发现，这些结构部件如果能实现各种实时监控功能，会产生很多良好的效果。比如，航空托盘的即时定位，可以随时掌握相关物流的动态位置，可极大提高物流管理的效率。再比如，老人或者伤员使用的复合材料拐杖，如果能与监控设备固化在一起，对于随时掌握老人或者伤员的情况是意义重大的，同时这种固化在日常设施内部的监控设备还不易引起使用者的抵触。随着物联网和通信技术的发展，满足这种监控要求的独立电子设备已经可以生产。但是，对很多结构部件而言，受空间位置和物品管理等诸多限制，这种电子设备不宜在结构部件之外单独安放，如果能固化在结构部件内部，显然是最有利的。

从另一方面来说，很多独立的物联网设备，大多数也需要轻质高强的结构。比如，野生动物的监控项圈，如果比较重则会给野生动物带来困扰，如果强度比较低，则易于损坏。再比如各种智能卡，普通材料大都存在易损老化腐蚀等问题。对这些物联网设备而言，轻质高强不腐蚀的复合材料成为首选材料。

综上，两方面的需求都指向了一个共同的目标，即把电子设备固化在复合材料结构内部。

针对上述需求，目前的常规做法是，先做好复合材料产品的半成品（这些半成品是完成了复合材料固化工艺的），在相应位置给PCB和电子元器件预留足够的空间，然后再组装成最终的产品。这种做法显然有很多不足：（1）破坏了复合材料产品的完整结构，在重量和力学性能上都会有较大的损失；（2）增加了复合材料产品的制造难度，会显著增加成本，降低生产效率；（3）如果把PCB安置在预留空间的内部，则难以解决PCB的散热问题，因为在未预置PCB的情况下，难以局部加注导热树脂，有关局部加注导热树脂在后文中由详述；（4）如果把PCB安置在复合材料产品的表面，则容易在使用中带来PCB的意外损伤，也难以布置效果良好的天线，表面布置的电子设备也容易引起使用者的抵触。

那么，是否可以利用复合材料的成型特点，在复合材料未固化时就把PCB和电子元器件预先布置在复合材料产品的内部呢。实际上，这种想法固然颇有道理，但在实际运作中存在很多困难，目前在复合材料工业界尚未能实施。

在工业领域，各种结构部件使用的复合材料（Composite Material）以纤维增强树脂基复合材料（Fiber Reinforced Plastic，通用缩写是FRP）为主，也可称之为纤维增强塑料，当然这里的塑料包括热塑性和热固性两种。FRP产品的成型方法是先使用各种纤维制作一个接近产品最终形状的预制体，预制体是未固化的可变形的。制作预制体的纤维可以是未浸渍树脂的干纤维，也可以是浸渍了树脂的预浸料。把制作完成的预制体放入模具并实施固化工艺，然后得到最终的复合材料产品。

电子设备主要是由印刷电路板（Printed Circuit Board，通用缩写是PCB）、电子元器件和必要的结构件组成的，制作包含PCB和电子元器件的复合材料预制体，存在很多困难。首先，电子设备在工作中通常会发热，而树脂的导热性一般是比较差的，随着热量的聚集和温度的升高，电子设备的性能会显著下降。再者，实现无线通信的电子设备都需要天线，传统金属天线的重量比较大，如果为了追求更好的通信效果而布置较多的天线，对重量的影响会比较严重，而且，为了布置较大较多的天线以取得更好的通信效果，则需要更大的空间，这对于独立安放的电子设备通常是很困难的。还有，为了防止电子元器件在固化时的损伤，对PCB进行预封装形成一个相对坚固的整体是容易想到的做法，但是这个预封装体安装在FRP预制体中，在实施固化工艺注入树脂时会严重阻碍树脂的流动，在PCB的周围还会形成树脂紊流区，造成局部的气泡和贫脂现象，引起力学性能的下降。此外，有些电子元器件需要通过导线外接在PCB上，比如信号输入设备、数据传输端口和充电口等等，如何把这些外接元器件稳妥地固化在复合材料部件的表面，也是颇为困难的事情。

综上，制作包含PCB的各种FRP预制体。进而通过这种方式生产含有电子设备的各种复合材料部件，是具有重大意义的一件事情，同时需要克服包括上述诸多困难。

发明内容

基于上述背景，本发明提出了一种包含PCB和电子元器件的FRP预制体102、205，并给出了这种FRP预制体的制作方法，还给出了这种FRP预制体进行后期固化得到FRP产品的固化方法。

基于前述背景技术，本发明的技术方案迎难而上，利用复合材料的成型特点，在复合材料未固化时，把PCB和电子元器件预先布置在复合材料产品的内部，即把PCB和电子元器件与复合材料预制体固定在一起，共同固化后形成一个内涵PCB和电子元器件的统一整体结构，这是一种合理而且有效的创新做法，当然，这种做法克服了设计和工艺环节的很多困难。

所述电子元器件包括直接安装在PCB上的元器件和/或通过导线与PCB连接的外接元器件106，所述电子元器件还包括天线111、205。所述FRP预制体的原材料包括未浸渍树脂的干纤维和/或已浸渍树脂的预浸料，所述干纤维或预浸料的纤维包括连续纤维、长纤维、短切纤维和粉末纤维中的至少一种。

实际上，基于本发明的技术方案，考虑到PCB和电子元器件的易损性和位置的固定性，不建议采用短纤维预浸料作为所述FRP预制体的原料，因为这种原料的预制体通常要采用模压工艺来固化，会对PCB和电子元器件造成损伤和移位。

基于本发明的技术方案，推荐的预制体原料是连续干纤维。进一步的，本发明的推荐工艺包括树脂转移模塑（Resin Transform Moulding, 通用缩写是RTM）和/或真空导流成型，这两种工艺也叫液体成型法，因为树脂是在后期以液体形式加入预制体的。

基于物联网和电子设备功能的多样性，前述外接元器件106、208包括视频输入设备、音频输入设备、数据传输接口和充电接口中的至少一种，前述的PCB和电子元器件的功能包括实时定位、身份识别、音频采集和视频采集中的至少一种。在本技术方案中，电子元器件还包括天线111、205，下文有关于天线的详述。

如背景技术所述，制作包含PCB的FRP预制体，为避免PCB和固化在PCB上的电子元器件的损伤，PCB要做预封装，而这种预封装后的PCB一般具有较大的体积，这各较大体积的预封装后的PCB会使得树脂注入FRP预制体时产生紊流并阻碍树脂流动。依据流体力学原理，要避免流体在物体周围产生紊流和受阻，需要把相应的物体做成流线型，例如水滴、机翼和海豚的形状。本发明的一个要点在于，进行PCB预封装时，预封装后的PCB110、201形状为流线型。这样可以确保树脂注入预制体时不会因为PCB的存在而产生过大的阻力，也不会在PCB周围产生紊流，PCB周围不会有气泡和贫脂现象，使得整个FRP产品获得良好的固化性能。

关于天线问题，本发明的技术方案包括采用碳纤维丝束做导线205。碳纤维具有良好导电性，同时也是目前性能最好的增强纤维。基于此，本发明的技术方案包括用碳纤维丝束作为天线，所述天线包括1-6个天线，分别分布在PCB的上下左右前后的不同方向。作为天线的碳纤维丝束同时也是复合材料的增强纤维，完全不会因为天线的存在而降低复合材料部件的力学性能。但是，要说明的是，也正是因为碳纤维的导电性，碳纤维对电磁波具有屏蔽和干扰，为确保天线的净空环境，除天线以外的增强纤维不能使用碳纤维，而需要使用包括玄武岩纤维和/或玻璃纤维在内的非导电纤维。除了可以使用碳纤维丝束作为天线外，对于轻量化要求不高的结构部件，还依旧可以使用铜作为天线材料，当然也需要保证净空环境。

在本发明的技术方案中，PCB的预封装树脂、预浸料的树脂和预制体固化时的树脂均包括导热型树脂，所述导热型树脂包括导热型环氧树脂和/或导热型聚氨酯。导热型树脂的应用，使得PCB在工作状态下产生的热量可以良好地散发出去，从而使得电子设备可以长期保持有效工作状态。

需要强调的是，导热型树脂添加了导热填料，这种填料通常也是导电的，因此导热型树脂对电磁信号有一定的屏蔽和干扰作用，而且导热型树脂的固化性能和力学性能也因导热填料的加入而受到一定影响。因此，本专利的技术方案还包括以下重要内容，实施所述RTM固化工艺或者真空导流固化工艺时，通过注胶口（103、204、209）和出胶口（112、202）位置的合理设置，通过不同的注胶口往预制体中分别注入导热型树脂和普通树脂，使得导热型树脂分布在PCB周围，而普通树脂则分布在包含天线在内的其他区域，这样就可以确保天线的净空环境和FRP产品的良好力学性能。这也是本发明技术方案的一个要点。

在本发明专利的技术方案中，所述的普通树脂即为不添加导热填料的非导热型树脂，普通树脂具有更好的固化性能和力学性能。

进一步的，采用预浸料制作预制体时，也要确保导热型树脂分布在PCB周围，普通树脂分布在包含天线在内的其他区域，以确保PCB的良好散热和天线的净空环境。

采用干纤维制作的预制体在后期固化时需要注入树脂，树脂的流动会对天线、外接元器件、封装后的PCB和导线109产生冲击并使之存在错位的可能。为解决这个问题，本发明的技术方案包括，导线109和天线111、205分别通过与预制体的纤维绞合缠绕固定在一起；预封装后的PCB设置了定位装置，FRP预制体的纤维通过定位装置把PCB和预制体固定在一起；外接元器件则通过预制连接座固定在FRP预制体表面，所述预制连接座在后文有详述。进一步的，所述定位装置包括定位孔。

在本发明的技术方案中，所述FRP预制体的固化方法包括：所述预制体和电子元器件一起放入模具的下模，闭合上模后实施共同固化工艺，所述预制体和电子元器件共同固化在一起形成最终的复合材料产品。采用RTM工艺或者真空导流工艺进行所述的共同固化时，技术要点还包括，流线型PCB110、201的较大一端对着树脂流过来的方向（即对着某个注胶口），流线型PCB的较小一端对着树脂流走的方向（即对着某个出胶口），这样可以确保树脂流动时不会因为PCB的存在而产生阻碍和气泡。进行上述共同固化操作时，所述外接元器件包括预制连接座108、207，外接元器件通过预制连接座固定在预制体外表面并使之紧密贴合在模具内表面。

较长时间的高温环境会造成电子元器件的损坏，基于此，按本发明的技术方案，上述共同固化的温度为常温或者固化温度不超过60℃左右。

所述外接元器件包含带有螺纹盲孔105的预制连接座108，连接座外形与FRP预制体外形保持一致；使用贯穿模具的固定螺栓107把连接座108和相应的外接元器件固定在FRP预制体表面，使得连接座和相应的外接元器件与模具内表面紧密贴合固定；共同固化完成后，退出固定螺栓107，用普通树脂将最终的FRP产品表面残留的螺栓盲孔105填平并固化。

基于本发明的技术方案，考虑到PCB本身并不具备良好的力学性能，因此，本发明的技术方案还包括一点重要的力学考量，即PCB的位置应当布置在所述FRP产品受力较少的位置，以减少PCB对FRP构件力学性能的影响。这种合理位置的选择，一般要通过对结构的受力分析来完成。

附图说明

图1是本发明技术方案所述FRP预制体及其制造和固化方法的剖面示意图。101是共同固化模具的上模，102是FRP预制体，103是共同固化模具的注胶口，104是共同固化模具的下模，105是外接元器件连接座的螺纹盲孔，106是外接元器件，107是固定外接元器件连接座的螺栓，108是外接元器件的连接座，109是连接外接元器件和PCB的导线，110是预封装的流线型PCB，111是天线，112是共同固化模具的出胶口。

图2是符合本发明技术方案的一个具体实施例的剖面示意图，所述实施例为一种FRP拐杖产品。

201是预封装的流线型PCB；202是实施共同固化时的出胶口；203是实施共同固化时的模具；204是实施共同固化时的普通树脂注胶口；205是碳纤维天线；206是连接外接元器件（在本实施例中为USB端口）的导线；207是USB端口的预制连接座；208是USB端口（即所述外接元器件）；209是实施共同固化时的导热型树脂注胶口；210是所述FRP拐杖产品的预制体。

具体实施方式

图2是符合本发明技术方案的一个具体实施例的剖面示意图，所述实施例为一种FRP拐杖产品。

所述FRP拐杖产品具有实时定位功能。

首先，把安装了电子元器件的PCB进行预封装，所述电子元器件可以实现实时定位功能。

所述预封装采用导热型环氧树脂。封装后的形状为流线型，封装后的PCB周边有预制小孔，预制小孔的位置避开固化在PCB上的电子元器件。所述PCB的外接元器件包括可以充电和传输数据的USB端口208（即外接电子元器件）和碳纤维天线205。碳纤维天线与PCB相应触点保持良好连接，

在产品模具203的图示位置布置实施共同固化时的普通树脂注胶口204；在产品模具203的图示位置布置实施共同固化时的出胶口202，在产品模具203的图示位置布置实施共同固化时的导热型树脂注胶口209。

以未浸渍树脂的玄武岩纤维为原料，采用三维编织方法制作预制体210，进行三维体编织时，把预封装的PCB201、碳纤维天线205、预制连接座的USB端口208、导线206和FRP预制体210按相应位置编织在一起，FRP预制体的纤维要穿过PCB的预制小孔以起到固定作用，导线206和天线205分别与预制体210的纤维绞合在一起以起到固定作用。

预封装的PCB位置布置在FRP拐杖产品的半圆形把手的末端内部，对拐杖产品的受力分析表明，这个位置是FRP拐杖产品在使用时的最小受力位置，这样可以最大程度减少PCB对FRP产品力学性能的影响，这一点是一个重要的力学考量。

所述FRP拐杖产品的尺寸可以做成多种不同的规格，以适应使用者的不同身高。

后续的固化方法包括RTM工艺，所述RTM工艺具体包括：所述预制体和电子元器件一起放入模具203后，实施共同固化工艺。预制体放入模具203时，流线型PCB的较大一端对着注胶口209（即对着树脂流过来的方向），流线型PCB的较小一端对着出胶口202（即对着树脂流走的方向），这样可以确保树脂流动时不会因为PCB的存在而产生阻碍和气泡。进行上述共同固化操作时，所述USB端口208通过预制连接座207固定在预制体210外表面并使之紧密贴合在模具203内表面。

较长时间的高温环境会造成电子元器件的损坏，为避免这种损坏，上述共同固化的温度为常温。

实施上述共同固化工艺时，通过注胶口209注入导热型环氧树脂，通过注胶口204注入普通树脂，所述普通树脂为环氧树脂。两种树脂都通过出胶口202流出。按图2这种注胶口和出胶口的布置，导热型环氧树脂会分布在PCB周围区域，普通环氧树脂则分布在包含天线在内的其他区域，既保证了PCB的散热需求，也满足了天线的净空需求，同时获得了优化的固化性能和力学性能。

共同固化完成后，退出固定所述连接座的固定螺栓，用普通树脂将FRP拐杖产品表面残留的螺栓盲孔填平并固化，即得到最终的FRP拐杖产品。

需要说明的是，按照本发明的技术方案，技术人员可以制造多种FRP产品，这些产品包括：具有实时定位功能的拐杖、具有实时定位功能的复合材料航空托盘、具有实时定位和身份识别功能的复合材料学生卡、具有实时定位功能的野生动物复合材料项圈、具有实时定位和音频采集功能的汽车复合材料零件、具有实时定位功能的救生艇复合材料零件和具有实时定位功能的复合材料行李箱，等等。

Claims (13)

1.一种FRP预制体，其特征是，所述预制体包含已安装了电子元器件的PCB（110、201），所述电子元器件包括直接安装在PCB上的元器件和/或通过导线（109）与PCB连接的外接元器件（106、208），所述电子元器件还包括天线（111、205），所述FRP预制体的原材料包括未浸渍树脂的干纤维和/或已浸渍树脂的预浸料，所述干纤维或预浸料的纤维包括连续纤维、长纤维、短切纤维和粉末纤维中的至少一种。

2.如权利要求1所述的FRP预制体，其特征是，所述外接元器件（106、208）包括视频输入设备、音频输入设备、数据传输接口和充电接口中的至少一种，所述外接元器件（106、208）还包括天线（111、205）。

3.如权利要求1所述的FRP预制体，其特征是，所述天线（111、205）的数量为1-6个，分别分布在PCB的上下前后左右的不同方向；所述天线的材料包括铜和/或碳纤维。

4.如权利要求1所述的FRP预制体，其特征是，所述的PCB和电子元器件的功能包括实时定位、身份识别、音频采集和视频采集中的至少一种。

5.一种制造如权利要求1所述FRP预制体的方法，其特征是，所述方法包括：所述PCB（110、201）通过PCB上预制的定位装置与预制体固定在一起；所述FRP预制体的成型方法包括由未浸渍树脂的干纤维通过编织工艺加工而成和/或由已浸渍树脂的预浸料通过铺叠工艺加工而成；所述PCB用导热型树脂进行预封装，预封装后的PCB为流线型（110、201）；所述PCB的位置布置在FRP产品受力较小的位置。

6.如权利要求5所述的方法，其特征为，所述连接外接元器件和PCB的导线（109、206）与所述预制体的纤维通过编织绞合的方法固定在一起；所述电子元器件中的天线（111、205）与所述预制体的纤维通过编织绞合的方法固定在一起。

7.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述定位装置为定位孔，所述预制体（102、210）和PCB（110、201）通过穿过所述定位孔的纤维固定在一起，。

8.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述预浸料的树脂原料包括导热型树脂和普通树脂，所述导热型树脂分布在PCB周围，所述普通树脂分布在包含天线的其他区域。

9.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述导热型树脂包括导热型环氧树脂和/或导热性聚氨酯。

10.一种如权利要求1所述FRP预制体的固化方法，其特征是，所述固化方法包括：所述预制体（102、210）和电子元器件一起放入模具的下模（104），闭合上模（101）后共同固化在一起形成最终的FRP产品；采用RTM工艺或者真空导流工艺进行所述共同固化，流线型PCB（110、201）的较大一端对着树脂流过来的方向，流线型PCB（110、201）的较小一端对着树脂流走的方向；所述外接元器件（106、208）通过预制连接座固定在预制体外表面并使之紧密贴合在模具内表面。

11.如权利要求10所述的固化方法，其特征是，所述共同固化的固化温度为常温或者固化温度不超过60℃左右。

12.如权利要10所述的固化方法，其特征是，固化时用的树脂包括导热型树脂和普通树脂，所述导热型树脂和普通树脂分别从不同的注胶口（209、204）注入所述FRP预制体，所述导热型树脂分布在PCB周围区域，所述普通树脂分布在包含天线在内的其他区域。

13.如权利要求10所述的固化方法，其特征是，所述外接元器件（106、208）包含带有螺纹盲孔（105）的预制连接座（108、207），所述预制连接座外形与所述FRP预制体外形保持一致；使用贯穿模具的固定螺栓（107）把所述连接座（108、207）和所述外接元器件（106、208）固定在FRP预制体（102、210）表面，使得所述连接座（108、207）和所述外接元器件（106、208）与所述模具内表面紧密贴合固定；所述共同固化完成后，退出所述固定螺栓（107），用普通树脂将最终的FRP产品表面残留的螺栓盲孔（105）填平并固化。

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