CN112721237A - 预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置及方法。本申请所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置包括：上热压板、下热压板、驱动器、上水冷钢板、下水冷钢板、冷却水管、安装板、第一张拉组件以及第一加载组件；所述第一张拉组件包括第一挡块、第一加载卷棒以及第一固定卷棒；所述上水冷钢板的一侧面和所述下水冷钢板的一侧面分别形成有容纳空间，当所述上水冷钢板和所述下水冷钢板扣合时，两个所述容纳空间拼接并形成成型腔体；所述上水冷钢板内和所述下水冷钢板内分别形成有冷却水路。本申请所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置具有保证碳纤维的平直度同时，提高了碳纤维与基体结合的紧密性的优点。

Description

预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置及方法

技术领域

本申请涉及复合材料成型领域，特别是涉及预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置及方法。

背景技术

碳纤维增强热塑性复合材料凭借其优异的性能，在航空、军事和汽车等产业有着广泛的应用，并且需求量日益增加。因此，研究并制造出更高性能的碳纤维增强热塑性复合材料显得尤为重要。

目前的碳纤维增强热塑性复合材料普遍采用的是热压工艺，然而为了保证碳纤维的丝束在热压过程中不被熔融基体冲散，其压力通常会很小。这就导致基体与纤维之间无法很好的结合，从而在工作过程中会出现“层间剥离”现象，进而降低材料的强度和刚度，影响其可靠性。

发明内容

基于此，本申请的目的在于，提供预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置及方法，其具有保证碳纤维的平直度同时，提高了碳纤维与基体的结合紧密性的优点。

本申请的一方面，提供一种预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，包括上热压板、下热压板、驱动器、上水冷钢板、下水冷钢板、冷却水管、安装板、第一张拉组件以及第一加载组件；所述第一张拉组件包括第一挡块、第一加载卷棒以及第一固定卷棒；

所述上水冷钢板的一侧面和所述下水冷钢板的一侧面分别形成有容纳空间，当所述上水冷钢板和所述下水冷钢板扣合时，两个所述容纳空间拼接并形成成型腔体；所述上水冷钢板内和所述下水冷钢板内分别形成有冷却水路，所述冷却水管分别与多个所述冷却水路连接；

所述下热压板放置在所述下水冷钢板下方，所述上热压板置于所述上水冷钢板上方，所述驱动器置于所述下热压板的下方，通过所述驱动器推动所述下热压板上升，使得所述上冷却钢板与所述下冷却钢板夹紧；

所述安装板放置在所述下水冷钢板和所述下热压板之间，两个所述第一挡块安装在所述安装板上，并置于所述下水冷钢板的一侧；所述第一加载卷棒放置在所述下水冷钢板的另一侧；所述第一挡块上形成有挡块卡槽，该挡块卡槽的开口方向背朝所述第一加载卷棒，所述第一固定卷棒的两端限位放置在对应的挡块卡槽中；

所述第一加载组件与所述第一加载卷棒连接。

本申请所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，在加热树脂材料的同时，对碳纤维布进行张紧，碳纤维布的一端裹紧在第一固定卷棒上，另一端裹紧在第一加载卷棒上。

通过第一固定卷棒对碳纤维布的一端缠绕紧，并将第一固定卷棒放置在第一挡块上，通过第一加载卷棒对碳纤维布的另一端张拉，第一加载卷棒的一端连接第一加载组件，从而使得碳纤维布能够被张拉。这样，树脂与碳纤维布能够在高压情况下形成致密的粘合效果，实现树脂与碳纤维布的紧固连接，而且又能保证碳纤维布具有很好的单向平直度。

进一步地，所述第一张拉组件还包括第一限位块，两个所述第一限位块分别固定设置在所述安装板上，并置于所述第一挡块的另一侧；所述第一限位块上开设有限位槽，两个所述限位槽相向设置；

所述第一加载卷棒的两端分别限位放置在两个所述限位槽内。

进一步地，所述第一加载卷棒包括两个加载半圆柱，两个加载半圆柱扣合形成圆柱状的所述第一加载卷棒；

所述第一固定卷棒包括两个固定半圆柱，两个所述固定半圆柱扣合形成圆柱状的所述第一固定卷棒。

进一步地，所述第一加载卷棒的两端分别形成有凹槽，所述第一固定卷棒的两端分别形成有凹槽。

进一步地，所述第一加载组件包括第一加载支架、第一V形板、第一连接绳、第一定滑轮以及第一砝码；

所述第一加载支架放置在所述第一加载卷棒旁，所述第一V形板的两端分别紧固连接在所述第一加载卷棒上；所述第一连接绳绕过所述第一定滑轮，并且所述第一连接绳的一端与所述第一V形板连接，其另一端与所述第一砝码连接，所述第一砝码在重力作用下吊挂状态放置。

进一步地，还包括第二张拉组件和第二加载组件，所述第二张拉组件安装在所述安装板上，并且所述第二张拉组件与所述第一张拉组件的放置方向斜向交叉；

所述第二加载组件放置在所述第二张拉组件的一侧。

进一步地，所述第二张拉组件包括第二挡块、第二加载卷棒、第二固定卷棒以及第二限位块；

两个所述第二挡块安装在所述安装板上，并置于所述下水冷钢板的一侧；所述第二加载卷棒放置在所述下水冷钢板的另一侧；所述第二挡块上形成有挡块卡槽，该挡块卡槽的开口方向背朝所述第二加载卷棒，所述第二固定卷棒的两端限位放置在对应的挡块卡槽中；

两个所述第二限位块分别固定设置在所述安装板上，并置于所述第二挡块的另一侧；所述第二限位块上开设有限位槽，两个所述限位槽相向设置；所述第二加载卷棒的两端分别限位放置在该两个所述第二限位块的限位槽内；

所述第二加载组件与所述第二加载卷棒连接。

进一步地，所述第二加载组件包括第二加载支架、第二V形板、第二连接绳、第二定滑轮以及第二砝码；

所述第二加载支架放置在所述第二加载卷棒旁，所述第二V形板的两端分别紧固连接在所述第二加载卷棒上；所述第二连接绳绕过所述第二定滑轮，并且所述第二连接绳的一端与所述第二V形板连接，其另一端与所述第二砝码连接，所述第二砝码在重力作用下吊挂状态放置。

进一步地，所述第一加载支架包括第一方管和第一钢板，多个所述第一方管竖向安装在所述第一钢板的底面；所述第一定滑轮安装在所述第一钢板的底面；

所述第二加载支架包括第二方管和第二钢板，多个所述第二方管竖向安装在所述第二钢板的底面；所述第二定滑轮安装在所述第二钢板的底面。

本申请的另一方面，提供一种预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型方法，包括步骤：

设置两个开口相对的容纳空间；

将塑料的物料放入所述容纳空间中，在两个所述容纳空间之间放置碳纤维布；

采用高于物料熔点且低于碳纤维布熔点的温度，对物料进行加热，加热过程中将两个容纳空间紧密扣合；并且加热过程中，从一个方向或者两个相反的方向张紧所述碳纤维布；

物料达到热熔状态后，停止加热并对物料进行冷却，以制得产品。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本申请。

附图说明

图1为本申请示例性的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置的立体结构示意图；

图2为本申请示例性的第一加载组件的立体结构示意图；

图3为本申请示例性的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置的部分结构的立体结构示意图；

图4为图3所示结构移除上热压板的立体结构示意图；

图5为图4所示结构移除上水冷钢板、相关的冷却水管以及第二张拉组件的立体结构示意图。

具体实施方式

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本申请中，在碳纤维的方向施加一个可控的预应力，并在热压条件下，使碳纤维在张紧的同时与热塑性树脂结合，保证碳纤维在热压过程中能最大程度的不被熔融物料冲散，并在保压冷却过程中持续施加预应力，实现碳纤维在较好单向性的情况下与基体的紧密结合，从而将碳纤维的性能在基体中体现出来。

图1为本申请示例性的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置的立体结构示意图；图2为本申请示例性的第一加载组件的立体结构示意图；图3为本申请示例性的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置的部分结构的立体结构示意图；图4为图3所示结构移除上热压板的立体结构示意图；图5为图4所示结构移除上水冷钢板、相关的冷却水管以及第二张拉组件的立体结构示意图。

请参阅图1-图5，本申请示例性的一种预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，包括上热压板11、下热压板12、驱动器16、上水冷钢板13、下水冷钢板14、冷却水管60、安装板15、第一张拉组件20以及第一加载组件40；所述第一张拉组件20包括第一挡块21、第一加载卷棒24以及第一固定卷棒22；

所述上水冷钢板13的一侧面和所述下水冷钢板14的一侧面分别形成有容纳空间A，当所述上水冷钢板13和所述下水冷钢板14扣合时，两个所述容纳空间A拼接并形成成型腔体；所述上水冷钢板13内和所述下水冷钢板14内分别形成有冷却水路，所述冷却水管60分别与多个所述冷却水路连接；

所述下热压板12放置在所述下水冷钢板14下方，所述上热压板11置于所述上水冷钢板13上方，所述驱动器16置于所述下热压板12的下方，通过所述驱动器16推动所述下热压板12上升，使得所述上水冷钢板与所述下水冷钢板夹紧；

所述安装板15放置在所述下水冷钢板14和所述下热压板12之间，两个所述第一挡块21安装在所述安装板15上，并置于所述下水冷钢板14的一侧；所述第一加载卷棒24放置在所述下水冷钢板14的另一侧；所述第一挡块21上形成有挡块卡槽，该挡块卡槽的开口方向背朝所述第一加载卷棒24，所述第一固定卷棒22的两端限位放置在对应的挡块卡槽中；

所述第一加载组件40与所述第一加载卷棒24连接。

在一些优选实施例中，所述第一张拉组件20还包括第一限位块23，两个所述第一限位块23分别固定设置在所述安装板15上，并置于所述第一挡块21的另一侧；所述第一限位块23上开设有限位槽，两个所述限位槽相向设置；

所述第一加载卷棒24的两端分别限位放置在两个所述限位槽内。

在一些优选实施例中，所述第一加载卷棒24包括两个加载半圆柱，两个加载半圆柱扣合形成圆柱状的所述第一加载卷棒24；

所述第一固定卷棒22包括两个固定半圆柱，两个所述固定半圆柱扣合形成圆柱状的所述第一固定卷棒22。

在一些优选实施例中，所述第一加载卷棒24的两端分别形成有凹槽，所述第一固定卷棒22的两端分别形成有凹槽。

在一些优选实施例中，为了防止碳纤维在受预应力过程中将上热压板11与上水冷钢板13绷起，须保证碳纤维略贴紧下水冷钢板14。此外，将碳纤维与下水冷钢板14贴紧可以保证碳纤维与下方的容纳空间A内的物料紧密接触。

在一些优选实施例中，所述第一加载组件40包括第一加载支架、第一V形板46、第一连接绳44、第一定滑轮43以及第一砝码45；

所述第一加载支架放置在所述第一加载卷棒24旁，所述第一V形板46的两端分别紧固连接在所述第一加载卷棒24上；所述第一连接绳44绕过所述第一定滑轮43，并且所述第一连接绳44的一端与所述第一V形板46连接，其另一端与所述第一砝码45连接，所述第一砝码45在重力作用下吊挂状态放置。

在一些优选实施例中，还包括第二张拉组件30和第二加载组件50，所述第二张拉组件30安装在所述安装板15上，并且所述第二张拉组件30与所述第一张拉组件20的放置方向斜向交叉；

所述第二加载组件50放置在所述第二张拉组件30的一侧。进一步的示例中，所述第二张拉组件30与所述第一张拉组件20的放置方向垂直交叉。

在一些优选实施例中，所述第二张拉组件30包括第二挡块31、第二加载卷棒34、第二固定卷棒32以及第二限位块33；

两个所述第二挡块31安装在所述安装板15上，并置于所述下水冷钢板14的一侧；所述第二加载卷棒34放置在所述下水冷钢板14的另一侧；所述第二挡块31上形成有挡块卡槽，该挡块卡槽的开口方向背朝所述第二加载卷棒34，所述第二固定卷棒32的两端限位放置在对应的挡块卡槽中；

两个所述第二限位块33分别固定设置在所述安装板15上，并置于所述第二挡块31的另一侧；所述第二限位块33上开设有限位槽，两个所述限位槽相向设置；所述第二加载卷棒34的两端分别限位放置在该两个所述第二限位块33的限位槽内；

所述第二加载组件50与所述第二加载卷棒34连接。

在一些优选实施例中，所述第二加载组件50包括第二加载支架、第二V形板56、第二连接绳、第二定滑轮以及第二砝码；

所述第二加载支架放置在所述第二加载卷棒34旁，所述第二V形板56的两端分别紧固连接在所述第二加载卷棒34上；所述第二连接绳绕过所述第二定滑轮，并且所述第二连接绳的一端与所述第二V形板56连接，其另一端与所述第二砝码连接，所述第二砝码在重力作用下吊挂状态放置。

在一些优选实施例中，所述第一加载支架包括第一方管42和第一钢板41，多个所述第一方管42竖向安装在所述第一钢板41的底面；所述第一定滑轮43安装在所述第一钢板41的底面；

所述第二加载支架包括第二方管和第二钢板，多个所述第二方管竖向安装在所述第二钢板的底面；所述第二定滑轮安装在所述第二钢板的底面。

在一些优选实施例中，驱动器16为液压缸。

在一些优选实施例中，所述冷却水路呈四横四纵的交错排布。上水冷钢板13和下水冷钢板14，其内部分别纵横方向钻有4x4的通孔用于冷却水流动，并用堵头堵住其中14个孔，剩余2个孔作为冷却水进出口，通过接头与冷却水路连接。

在一些优选实施例中，第一连接绳44和第二连接绳分别为钢绳。

本申请示例性的一种平板硫化装置，包括上述任一方案所述预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置和平板硫化机本体，所述预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置安装在所述平板硫化机上。

进一步的，上热压板11安装在平板硫化机本体上。

本申请示例性的一种预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型方法，包括步骤：

设置两个开口相对的容纳空间A；

将塑料的物料放入所述容纳空间A中，在两个所述容纳空间A之间放置碳纤维布；

采用高于物料熔点且低于碳纤维布熔点的温度，对物料进行加热，加热过程中将两个容纳空间A紧密扣合；并且加热过程中，从一个方向或者两个相反的方向张紧所述碳纤维布；

物料达到热熔状态后，停止加热并对物料进行冷却，以制得产品。

进一步的示例中，通过上述任一方案所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，实现该预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型方法。

本申请示例性的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置的工作原理：

先将下水冷钢板14与安装板15放置在下热压板12上，在下水冷钢板14的容纳空间A内放入物料(适当多加，物料可选用PP膜或PP粉)，再用第一固定卷棒22固定好单向碳纤维布(为手工编织)，接着依次放置上水冷钢板13以及物料，并在对应的接头处连接冷却水路。控制上热压板11和下热压板12升到指定温度，并控制液压缸推动下热压板12上升，以缩短上热压板11和下热压板12之间的距离(上水冷钢板13与上热压板11有细微缝隙即可)，一段时间过后物料熔融，开始将第一连接绳44的一端勾住第一V形板46，其另一端连接挂钩并放置第一砝码45，随后根据设定好的工艺参数开始进行排气、热压。热压时间过后，关闭温控且不关闭液压缸压力，通过冷却水管60往冷却水路中供水，开始进行保压冷却；温度和压力由控制系统控制。最后，通过液压缸下降下热压板12，即可取出产品。

此外，对双向编制碳纤维布(为手工编织)的加工时，分别通过第一张拉组件20和第二张拉组件30对该碳纤维布进行张紧。然后进行物料热熔和冷却。

其中，碳纤维的固定方式是通过两根半圆柱棒将其夹在中间，再进行收卷，从而达到固定碳纤维的目的。

本申请中，不仅设置第一张拉组件20和第一加载组件40，还设置有第二张拉组件30和第二加载组件50，这样可以在两个交叉的方向对碳纤维布进行张拉，进而得到更好成型效果。

本申请示例性的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，通过引入纤维预应力，有效保住了碳纤维的平直度，并让碳纤维与基体的结合更紧密，具体体现在以下几方面：

1)、通过预应力可以将碳纤维中那些具有缺陷的碳纤维束破坏来消除纤维中的缺陷部分，从而提高剩余无缺陷碳纤维的均匀性，进而提升碳纤维复合材料的力学性能。

2)、碳纤维的错位对复合材料的整体完整性有不利的影响，然而通过预拉伸碳纤维，可以最大限度保证碳纤维的平直度。当基体受到载荷时，可以让复合材料中的碳纤维立即分担所承受的载荷。

3)、对于热塑性树脂，其粘度远大于热固性树脂，在加工过程中并没有热固性树脂那么好的浸润性能。因此在热压过程中，必须要有一定的措施(预应力)来保证基体能很好的浸润碳纤维(让纤维与基体紧密结合)并且保证纤维有很好的单向平直度，本申请的成型装置可以较好的达到该效果。

4)、基体冷却固化后，施加在碳纤维上的预应力撤去。碳纤维为了释放这些预应力而通过与基体的界面作用把预应力转移到基体上，从而给基体一个压应力。这个压应力可以很好的减少基体上的微小裂纹的产生与扩大，进而提升复合材料的力学性能。由于残余压应力的存在，当材料受到弯曲载荷时，这些压应力会抵消掉一部分由弯矩产生的拉应力。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，其特征在于：包括上热压板、下热压板、驱动器、上水冷钢板、下水冷钢板、冷却水管、安装板、第一张拉组件以及第一加载组件；所述第一张拉组件包括第一挡块、第一加载卷棒以及第一固定卷棒；

所述上水冷钢板的一侧面和所述下水冷钢板的一侧面分别形成有容纳空间，当所述上水冷钢板和所述下水冷钢板扣合时，两个所述容纳空间拼接并形成成型腔体；所述上水冷钢板内和所述下水冷钢板内分别形成有冷却水路，所述冷却水管分别与多个所述冷却水路连接；

所述下热压板放置在所述下水冷钢板下方，所述上热压板置于所述上水冷钢板上方，所述驱动器置于所述下热压板的下方，通过所述驱动器推动所述下热压板上升，使得所述上冷却钢板与所述下冷却钢板夹紧；

所述安装板放置在所述下水冷钢板和所述下热压板之间，两个所述第一挡块安装在所述安装板上，并置于所述下水冷钢板的一侧；所述第一加载卷棒放置在所述下水冷钢板的另一侧；所述第一挡块上形成有挡块卡槽，该挡块卡槽的开口方向背朝所述第一加载卷棒，所述第一固定卷棒的两端限位放置在对应的挡块卡槽中；

所述第一加载组件与所述第一加载卷棒连接。

2.根据权利要求1所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，其特征在于：所述第一张拉组件还包括第一限位块，两个所述第一限位块分别固定设置在所述安装板上，并置于所述第一挡块的另一侧；所述第一限位块上开设有限位槽，两个所述限位槽相向设置；

所述第一加载卷棒的两端分别限位放置在两个所述限位槽内。

3.根据权利要求2所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，其特征在于：所述第一加载卷棒包括两个加载半圆柱，两个加载半圆柱扣合形成圆柱状的所述第一加载卷棒；

所述第一固定卷棒包括两个固定半圆柱，两个所述固定半圆柱扣合形成圆柱状的所述第一固定卷棒。

4.根据权利要求3所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，其特征在于：所述第一加载卷棒的两端分别形成有凹槽，所述第一固定卷棒的两端分别形成有凹槽。

5.根据权利要求4所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，其特征在于：所述第一加载组件包括第一加载支架、第一V形板、第一连接绳、第一定滑轮以及第一砝码；

所述第一加载支架放置在所述第一加载卷棒旁，所述第一V形板的两端分别紧固连接在所述第一加载卷棒上；所述第一连接绳绕过所述第一定滑轮，并且所述第一连接绳的一端与所述第一V形板连接，其另一端与所述第一砝码连接，所述第一砝码在重力作用下吊挂状态放置。

6.根据权利要求5所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，其特征在于：还包括第二张拉组件和第二加载组件，所述第二张拉组件安装在所述安装板上，并且所述第二张拉组件与所述第一张拉组件的放置方向斜向交叉；

所述第二加载组件放置在所述第二张拉组件的一侧。

7.根据权利要求6所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，其特征在于：所述第二张拉组件包括第二挡块、第二加载卷棒、第二固定卷棒以及第二限位块；

两个所述第二挡块安装在所述安装板上，并置于所述下水冷钢板的一侧；所述第二加载卷棒放置在所述下水冷钢板的另一侧；所述第二挡块上形成有挡块卡槽，该挡块卡槽的开口方向背朝所述第二加载卷棒，所述第二固定卷棒的两端限位放置在对应的挡块卡槽中；

两个所述第二限位块分别固定设置在所述安装板上，并置于所述第二挡块的另一侧；所述第二限位块上开设有限位槽，两个所述限位槽相向设置；所述第二加载卷棒的两端分别限位放置在该两个所述第二限位块的限位槽内；

所述第二加载组件与所述第二加载卷棒连接。

8.根据权利要求7所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，其特征在于：所述第二加载组件包括第二加载支架、第二V形板、第二连接绳、第二定滑轮以及第二砝码；

所述第二加载支架放置在所述第二加载卷棒旁，所述第二V形板的两端分别紧固连接在所述第二加载卷棒上；所述第二连接绳绕过所述第二定滑轮，并且所述第二连接绳的一端与所述第二V形板连接，其另一端与所述第二砝码连接，所述第二砝码在重力作用下吊挂状态放置。

9.根据权利要求8所述的预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型装置，其特征在于：所述第一加载支架包括第一方管和第一钢板，多个所述第一方管竖向安装在所述第一钢板的底面；所述第一定滑轮安装在所述第一钢板的底面；

所述第二加载支架包括第二方管和第二钢板，多个所述第二方管竖向安装在所述第二钢板的底面；所述第二定滑轮安装在所述第二钢板的底面。

10.一种预应力碳纤维增强热塑性复合材料成型方法，其特征在于，包括步骤：

设置两个开口相对的容纳空间；

将塑料的物料放入所述容纳空间中，在两个所述容纳空间之间放置碳纤维布；

采用高于物料熔点且低于碳纤维布熔点的温度，对物料进行加热，加热过程中将两个容纳空间紧密扣合；并且加热过程中，从一个方向或者两个相反的方向张紧所述碳纤维布；

物料达到热熔状态后，停止加热并对物料进行冷却，以制得产品。

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