CN112936907A - 一种玻碳纤维复合材料铺层方法及其复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻碳纤维复合材料铺层方法及其复合材料，包括以下步骤：S1、对模具内表面喷涂胶衣保护层；S2、将玻璃纤维层和碳纤维层按铺层方案逐层放置在模具内并压实；S3、将背模密封覆盖在模具上；S4、抽真空，并向模具内注入基体材料；S5、基体材料注入完成后，关闭真空系统，取下背模，测量复合材料铺层背部硬度，达到要求后，准备进行后固化工序；S6、将模具转移至大功率自动对流后固化窑内，进行后固化；S7、完成后固化后，室温下静置脱模，对玻碳纤维复合材料铺层进行切割毛边、钻孔后，打磨并抛光；该方法能够提高固化速度，使应力得到快速释放，降低树脂与纤维内部应力的集中，保证产品的均匀性、以及整体厚度和强度的要求。

Description

一种玻碳纤维复合材料铺层方法及其复合材料

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别是涉及一种玻碳纤维复合材料铺层方法及其复合材料。

背景技术

目前中国高铁动车组有很多部件的材质都采用的玻璃纤维增强材料(俗称玻璃钢)，因其重量轻、强度高，防火性能好等优点，在动车组的内装墙板，卫生间内部墙板，座椅等位置被大量应用。伴随时速400公里动车组的研发及制造，运行速度的提升也对动车组整车的重量要求变得更加严苛。为了最大化的减轻动车组整车重量，全车的部件必须一同减轻，其中玻璃钢部件因使用材料的限制，重量已经很难再大幅降低，如何在满足性能要求的前提下，最大限度的减轻玻璃钢重量成为亟待解决的问题。现有的技术是在玻璃纤维层中掺入碳纤维层，因为碳纤维的比强度和比模量远超结构钢和常用的玻璃纤维，能够有效提高产品强度，同时降低产品的重量。但在增加了碳纤维层之后，对复合材料的结合的要求也变得更高，人工手糊工艺难以保证增加碳纤维后的玻璃钢制品对整体厚度及强度的要求，且人工速度慢，树脂与纤维应力无法得到快速的释放，继而造成内部应力的集中，产品整体的均匀性难以保证。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种玻碳纤维复合材料铺层方法及其复合材料，该方法制能够满足碳纤维和玻璃纤维复合材料的整体厚度及强度要求，且能够进一步提高固化速度，使应力得到快速释放，降低树脂与纤维内部应力的集中，以保证产品整体的均匀性；同时通过用碳纤维层来替换原本玻璃钢内部的普通纤维层制作出的复合材料，能够充分利用碳纤维的高比强度和高比模量，达到降低产品重量目的同时，保证产品的使用强度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种玻碳纤维复合材料铺层方法，包括以下步骤：

S1、在模具的内表面上喷涂胶衣保护层；

S2、待胶衣保护层凝胶至指干后，将剪裁好的玻璃纤维层和碳纤维层按铺层方案逐层放置在模具内，然后压实使铺层总厚度控制在2～2.5mm；

S3、将背模或真空吸附膜密封覆盖在模具上；

S4、打开恒定自动真空发生系统抽真空，压力设定在-0.75～-1Pa，向模具内按预先设定的计量和次数注入基体材料，注入时间为1～3小时；

S5、等待基体材料注入完成后，关闭恒定自动真空发生系统，取下背模或真空吸附膜，测量玻碳纤维复合材料铺层背部硬度，当硬度达到要求时，准备进行后固化工序；

S6、将模具转移至大功率自动对流后固化窑内，设定好温度、湿度、风量以及固化时间参数后，进行后固化；

S7、完成后固化后，在17～30℃的室温下静置1～2小时后脱模，将脱模后的玻碳纤维复合材料铺层按具体图纸切割毛边、钻孔后，打磨并抛光。

优选的，S1步骤中，对模具的内表面均匀地喷涂保护胶衣，喷涂时间5～10分钟，喷涂压力0.45～0.7MPa，控制湿膜厚度为0.3～0.6mm。

优选的，S3步骤中，使用油漆喷枪喷涂保护胶衣，小尺寸模具使用4mm喷嘴，大尺寸模具使用6mm喷嘴。

优选的，根据玻璃纤维的表面要求配备保护胶衣。

优选的，基体材料为树脂材料。

优选的，树脂材料包括热固性不饱和聚酯树脂、色浆、促进剂、稀释剂、氢氧化铝、苯乙烯和DMMP阻燃剂，且在恒温无尘凝胶试验室内使用电动树脂搅拌机按顺时针方向搅动8～10分钟制成。

优选的，S4步骤中注入树脂的固化比例为1.2％～3％，注射压力为1～2bar。

优选的，S5步骤中，当硬度达到巴氏硬度35后，进行后固化工序。

本发明还提供了一种玻碳纤维复合材料，包括玻璃纤维A层，两层玻璃纤维A层之间叠放有碳纤维层和玻璃纤维B层，玻璃纤维A层、玻璃纤维B层和碳纤维层通过基体材料浸润成型。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、在注入基体材料来浸润碳纤维层和玻璃纤维层使其结合时，通过打开恒定自动真空发生系统进行抽真空，使得整个工作环境处于真空状态下，通过真空状态，能够最大程度上隔绝空气的进入，并且消除产品内部形成的气泡，以保证复合材料的致密程度，复合材料的致密程度会直接影响到复合材料的结构强度，因此保证复合材料的致密程度，就能够有效保证复合材料的结构强度。在复合材料达到一定硬度后，采用大功率自动对流后固化窑对复合材料进行后固化工序，通过自动温控、空气对流、自动除湿，能够对复合材料进行高精度的后固化处理，温湿度调控范围更大更精准，有效提高固化速度，以使应力得到快速释放，降低树脂与纤维内部应力的集中，从而保证产品整体的均匀性。

2、根据玻璃纤维的表面要求配备保护胶衣，配方可由无色透明或其他有色胶衣和多种化学添加剂组成，能够满足防水、防酸碱腐蚀、防盐雾腐蚀、抗冲击、耐磨、表面光泽度等要求，起到对复合材料表面保护的作用。

3、玻璃纤维和碳纤维复合后，碳纤维较高的比强度和比模量，能够有效提高产品强度，降低产品重量。且相对于单独使用玻璃纤维的玻璃钢板而言，玻碳纤维复合板通过合理铺层设计后，不仅重量能够大幅减轻，且在抗拉、抗压、抗弯、抗剪切等力学强度方面也大幅提高。

4、玻碳纤维复合材料采用了碳纤维层来替换原本的玻璃纤维B层，因碳纤维材料比强度和比模量远超结构钢和常用的玻璃纤维，因此碳纤维材料的比重均低于常用的玻璃纤维材料，相较于传统玻璃纤维铺层方案厚度显大幅减小，在玻璃钢整体厚度减小的同时，继而减轻了整体复合材料的重量。

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为玻碳纤维复合材料铺层方法流程图；

图2为传统玻璃纤维材料的铺层方案示意图；

图3为使用碳纤维材料的铺层方案示意图。

附图标记说明：1、玻璃纤维层A；2、玻璃纤维层B；3、碳纤维层。

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。

本实施例提供一种玻碳纤维复合材料铺层方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、根据玻碳纤维复合材料产品的形状，选取合适的模具，然后在模具的内表面上喷涂胶衣保护层，起到对产品表面保护的作用；

S2、待胶衣保护层凝胶至指干后，将剪裁好的玻璃纤维层和碳纤维层按铺层方案逐层放置在模具内，可用辊子进行压实，使铺层总厚度控制在2～2.5mm；

S3、将背模或真空吸附膜密封覆盖在模具上，并确保模具封闭良好无泄漏位置，形成完整的模具；将盛放基体材料的密闭容器上的基体材料注入管连接到模具的注入口上，设定计数器至需要的数量，该数决定将要注入进模具基体材料的次数；

S4、打开恒定自动真空发生系统抽真空，压力设定在-0.75～-1Pa，打开盛放基体材料的密闭容器上的开关，向模具内按预先设定的基体材料计量和次数注入基体材料，注入时间根据复合材料产品的形状及大小确定，预计在1～3小时；

S5、等待基体材料注入完成后，关闭恒定自动真空发生系统，关闭盛放基体材料的密闭容器上的开关，拔掉注入管、取下背模或真空吸附膜，测量玻碳纤维复合材料铺层背部硬度，当硬度达到要求时，准备进行后固化工序；

S6、将模具连同复合材料一同转移至大功率自动对流后固化窑内，设定好温度、湿度、风量以及固化时间等参数后，进行后固化处理；

S7、完成后固化后，在17～30℃的室温下静置1～2小时后脱模，将脱模后的玻碳纤维复合材料铺层按具体图纸切割毛边、钻孔后，打磨并抛光。

大功率自动对流后固化窑可实现自动温控、空气对流和自动除湿的功能，能够对玻碳纤维复合材料进行高精度的后固化处理，满足玻碳纤维复合材料工艺操作规程对产品固化处理的技术要求，固化速度更快、温湿度调控范围更大更精准，可满足不同铺层方案的固化要求；同时在批处理方面，后固化窑的存储空间较大，满足批量生产时对较高的工作效率的要求。恒定自动真空发生系统由PLC控制器、进口真空泵、真空存储罐、冷却管路、真空管路等组成，能够高精度的输出真空负压，保证各纤维在复合时受力均匀大小可控、基体材料浸入速度稳定一致，使复合材料的整体厚度差控制在±0.6mm以内。

进一步，本实施例中，S1步骤中，在模具的内表面均匀地喷涂保护胶衣，喷涂时间5～10分钟，喷涂压力0.45～0.7MPa，控制湿膜厚度为0.3～0.6mm。

进一步，本实施例中，S3步骤中，使用油漆喷枪在模具表面喷涂保护胶衣，使用油漆喷枪选择合适的喷嘴，例如小尺寸模具使用4mm喷嘴，大尺寸模具使用6mm喷嘴，以满足不同的精度要求。

本实施例中，根据玻璃纤维的表面要求配备保护胶衣。保护胶衣可由无色透明胶衣或其他有色胶衣和多种化学添加剂组成，以满足防水、防酸碱腐蚀、防盐雾腐蚀、抗冲击、耐磨、表面光泽度等要求，起到对复合材料产品表面的保护作用。

本实施例中，基体材料为树脂材料。

进一步，本实施例中，树脂材料由热固性不饱和聚酯树脂、色浆、促进剂、稀释剂、氢氧化铝、苯乙烯和DMMP阻燃剂及其它化学添加试剂等按照一定比例组成，并在恒温无尘凝胶试验室内使用电动树脂搅拌机按顺时针方向搅动8～10分钟制成，保证树脂的致密性和均匀性，继而保证最后复合材料整体的结构强度。当然为了避免树脂中存有气泡，可以搅拌完之后，将装有树脂的容器放入抽真空，并静置一段时间，以消除树脂中存有的气泡。

本实施例中，在S4步骤中注入树脂的固化比例为1.2％～3％，注射压力为1～2bar，以保证固化效果和注射的均匀性。

本实施例中，S5步骤中，当硬度达到巴氏硬度35后，进行后固化工序，通过后固化工序，显著提高复合材料整体的固化速度，使复合材料中的应力得到快速释放，避免树脂与纤维内部应力的集中，以保证产品整体的均匀性。

本实施例中还提供了一种玻碳纤维复合材料，包括玻璃纤维A层1，两层玻璃纤维A层1之间叠放有碳纤维层3和玻璃纤维B层2，玻璃纤维A层1、玻璃纤维B层2和碳纤维层3通过基体材料浸润成型。

进一步，本实施例中，碳纤维和玻璃纤维的复合材料铺层方案为：

如图2所示，传统玻璃纤维材料的铺层方案是：一层玻璃纤维A层1加三层玻璃纤维B层2加一层玻璃纤维A层1，玻璃纤维A层和B层所使用的玻璃纤维均为市面常用的玻璃纤维，此种铺层方案制作的玻璃钢厚度约为4mm。

如图3所示，碳纤维和玻璃纤维的复合材料铺层方案为：一层玻璃纤维A层1加一层碳纤维层3加一层玻璃纤维B层2加一层玻璃纤维A层1，玻璃纤维A层和B层所使用的玻璃纤维均为市面常用的玻璃纤维，此方案制作的玻璃钢厚度约为3mm，较传统玻璃纤维铺层方案厚度减少了25％，此方案中使用一层碳纤维层3替换传统方案中的两层玻璃纤维B层2，因碳纤维材料比强度和比模量远超结构钢和常用的玻璃纤维，因此碳纤维材料的比重均低于常用的玻璃纤维材料，所以在减小玻璃钢整体厚度的同时也减轻了整体复合材料的重量。

本实施例中的铺层方案也可根据产品的要求进行调整，碳纤维材料与玻璃纤维材料的铺层数量、铺层位置均可调整。对比同样铺层数量的方案，每增加一层碳纤维层同时减少一层玻璃纤维层，可减小玻璃钢制件厚度约5％，重量减少情况根据不同的玻璃纤维而不同。

利用碳纤维较高的比强度和玻璃纤维复合后，能够有效提高产品强度，降低产品重量。在卫生间墙壁结构上可降至4kg/m²左右。相对于普通玻璃钢卫生间，墙板结构可减重30％左右，整体卫生间结构(包含墙板、地板、检查门等玻璃钢件)可减重约20％。在力学方面，相对于单独使用玻璃纤维的玻璃钢板而言，玻纤/碳纤复合板通过合理铺层设计后，可在抗拉、抗压、抗弯、抗剪切等力学强度方面提高20～50％。

本发明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 (9)

1.一种玻碳纤维复合材料铺层方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在模具的内表面上喷涂胶衣保护层；

S2、待所述胶衣保护层凝胶至指干后，将剪裁好的玻璃纤维层和碳纤维层按铺层方案逐层放置在所述模具内，然后压实使铺层总厚度控制在2～2.5mm；

S3、将背模或真空吸附膜密封覆盖在所述模具上；

S4、打开恒定自动真空发生系统抽真空，压力设定在-0.75～-1Pa，向所述模具内按预先设定的计量和次数注入基体材料，注入时间为1～3小时；

S5、等待所述基体材料注入完成后，关闭恒定自动真空发生系统，取下背模或真空吸附膜，测量玻碳纤维复合材料铺层背部硬度，当硬度达到要求时，准备进行后固化工序；

S6、将模具转移至大功率自动对流后固化窑内，设定好温度、湿度、风量以及固化时间参数后，进行后固化；

S7、完成后固化后，在17～30℃的室温下静置1～2小时后脱模，将脱模后的玻碳纤维复合材料铺层按具体图纸切割毛边、钻孔后，打磨并抛光。

2.根据权利要求1所述的一种玻碳纤维复合材料铺层方法，其特征在于，S1步骤中，对模具的内表面均匀地喷涂保护胶衣，喷涂时间5～10分钟，喷涂压力0.45～0.7MPa，控制湿膜厚度为0.3～0.6mm。

3.根据权利要求2所述的一种玻碳纤维复合材料铺层方法，其特征在于，S3步骤中，使用油漆喷枪喷涂保护胶衣，小尺寸模具使用4mm喷嘴，大尺寸模具使用6mm喷嘴。

4.根据权利要求2或3所述的一种玻碳纤维复合材料铺层方法，其特征在于，根据玻璃纤维的表面要求配备所述保护胶衣。

5.根据权利要求1所述的一种玻碳纤维复合材料铺层方法，其特征在于，所述基体材料为树脂材料。

6.根据权利要求5所述的一种玻碳纤维复合材料铺层方法，其特征在于，所述树脂材料包括热固性不饱和聚酯树脂、色浆、促进剂、稀释剂、氢氧化铝、苯乙烯和DMMP阻燃剂，且在恒温无尘凝胶试验室内使用电动树脂搅拌机按顺时针方向搅动8～10分钟制成。

7.根据权利要求6所述的一种玻碳纤维复合材料铺层方法，其特征在于，S4步骤中注入树脂的固化比例为1.2％～3％，注射压力为1～2bar。

8.根据权利要求1所述的一种玻碳纤维复合材料铺层方法，其特征在于，S5步骤中，当硬度达到巴氏硬度35后，进行后固化工序。

9.一种玻碳纤维复合材料，使用了如权利要求1-8任意一项所述的一种玻碳纤维复合材料铺层方法制成，其特征在于，包括玻璃纤维A层，两层所述玻璃纤维A层之间叠放有所述碳纤维层和玻璃纤维B层，所述玻璃纤维A层、所述玻璃纤维B层和所述碳纤维层通过所述基体材料浸润成型。

Images