CN113929484B - 一种薄壁异形复合材料构件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及炭纤维复合材料技术领域,具体是一种薄壁异形复合材料构件的制备方法。(1)将碳纤维预浸料缠绕于模芯上,得到预制体;(2)将所述的预制体置于可拼装的金属外模中并锁紧,然后通过加热将模芯从预留的气孔排出,再将氮气从气孔注入预制体内部以加压,当压力达到设定值后将预制体带外模整体进行固化定型;(3)将所述步骤(2)中的固化定型体从外模中脱除后进行炭化处理,得到所需的薄壁异形复合材料制品;(4)将所述步骤(3)中的薄壁异形复合材料制品进行抛光涂层制得到所需的构件。本发明解决了现有技术中制备薄壁异形复合材料构件普遍存在生产成本高和产品性能差的问题。

Description

一种薄壁异形复合材料构件的制备方法
技术领域
本发明涉及炭纤维复合材料技术领域,具体是一种薄壁异形复合材料构件的制备方法。
背景技术
近些年来,随着炭纤维复合材料制备技术的不断进步,其在粉末冶金、光伏、材料热处理等行业的应用也越来越广泛。特别是随着这些行业所用主要生产设备-各类高温炉(真空炉、压力炉、多晶铸锭炉、单晶生长炉、钎焊炉等)的设计尺寸变得越来越大,结构也越来越复杂,相应的也对炭纤维复合材料的制造工艺和产品性能提出了更高的要求,主要体现在如下方面:首先,产品尺寸更大,同时还要保证高温下具有良好的力学性能,这样才能保证大尺寸高温设备中热场元器件的可匹配性;其次,制备工艺的可设计性强,随着高温设备的功能不断提升完善,其结构的设计也越来越复杂,与之对应的异型构件的使用也越来越多,而这些异型构件的制作往往没有办法通过常规的机械加工的方法来实现(即便能实现也可能对加工设备的要求过高导致加工成本高昂),必须通过可设计的制备工艺来保障;最后,制备工艺还必须成本低廉、稳定可靠,由于炭纤维复合材料制备工艺的不可逆性(一但出现次品,无法修复,且原材料不能回收),要求其制备工艺必须稳定可靠,成材率高。
目前,制备薄壁异形复合材料构件主要有以下两种工艺:
一、直接采用3D打印的技术,如专利号为:CN111941827A发明专利,其公开了一种薄壁异形复合材料承力管的制造方法,该专利采用的是3D打印技术,通过3D打印获得芯模;以芯模为模具制得到外模具;在芯模外表面逐层依次铺贴脱模布和预浸料;在外模具内表面铺贴脱模布;将芯模放置入外模具内,密封芯模和外模具;对芯模和外模具进行升温和保温,待预浸料完全固化后,获得含有芯模的薄壁异形复合材料承力管;将含有芯模的薄壁异形复合材料承力管浸泡于水溶液中,取出薄壁异形复合材料承力管并烘干。
二、根据产品的形状和尺寸,直接定制相应形状和尺寸的碳纤维预制体,然后采用化学气相沉积工艺对预制体进行增密和定性,定型后的预制体经过2~3次沉积增密后即可按图纸尺寸进行精加工,精加工完成后直接使用或根据产品密度和表面形貌进行涂层处理后使用。
对于第一种工艺-3D打印技术,目前主要应用于金属、塑料或陶瓷浆料等均质材料的制备,对于复合材料的3D打印,虽然也有报道,但大部分都是掺杂纳米纤维或石墨烯等增强体,连续碳纤维增强的复合材料打印,目前仅存在于文献报道阶段,尚无成功的商业化应用,而且3D打印技术一般只能用于小尺寸构件,制备成本也很高。
采用第二种工艺制备薄壁异形复合材料构件时,首先对预制体的编织技术要求较高,需要采用三维穿刺结构预制体,该结构预制体需要大量的手工缝制作业,生产效率低、制作成本高昂,同样重量的穿刺结构预制体是针刺结构预制体价格的10倍。其次,由于化学气相沉积增密定型工艺不属于近净成型工艺,产品尺寸和形状还是需要精密加工工序来保证,这就对精密加工的设备和成本提出了很高的要求,特别是薄壁异形构件在加工的过程中容易变形,目前国内还很难找到合适的加工设备。
综上,目前制备薄壁异形复合材料构件普遍存在生产成本高和产品性能差的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种薄壁异形复合材料构件的制备方法,以解决背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案为:
一种薄壁异形复合材料构件的制备方法,包括以下步骤:
(1)将碳纤维预浸料缠绕于模芯上,得到预制体;
(2)将所述的预制体置于可拼装的金属外模中并锁紧,然后通过加热将模芯从预留的气孔排出,再将氮气从气孔注入预制体内部以加压,当压力达到设定值后将预制体带外模整体进行固化定型;
(3)将所述步骤(2)中的固化定型体从外模中脱除后进行炭化处理,得到所需的薄壁异形复合材料制品;
(4)将所述步骤(3)中的薄壁异形复合材料制品进行抛光涂层制得到所需的构件。
作为优选地,所述模芯的材质为石蜡,或聚甲基丙烯酸甲酯,或聚甲醛、或聚丙烯。
作为优选地,所述步骤(1)中的碳纤维预浸料所用炭布为平纹炭布,或斜纹炭布,或缎纹炭布,或无纬布。
作为优选地,所述炭布的规格为3K,或6K,或12K。
作为优选地,所述步骤(1)中的碳纤维预浸料所用预浸胶为酚醛树脂,或苯丙噁嗪树脂,或呋喃树脂。
作为优选地,所述碳纤维预浸料中预浸胶的质量含量为30~50%。
作为优选地,所述步骤(2)中固化定型处理包括依次进行的脱除模芯、充气加压和加热固化三步,具体为:所述脱除模芯是将预制件匀速升温至80~150℃使石蜡模芯软化流出;
所述充气加压是通过向模芯充入氮气,使腔内压力达到0.5~2Mpa,腔内压力和外模的共同作用确保预制体在固化过程中不会出现鼓包/分层的缺陷;
所述加热固化是在0.5~3h内匀速升温至碳纤维预浸料的固化温度,保温1~2h。
作为优选地,所述步骤(3)中炭化处理在保护气氛中进行,其炭化处理的温度为800~1300℃,炭化处理的时间为3~10h。
作为优选地,所述步骤(4)中涂层处理为:采用化学气相沉积工艺进行,化学气相沉积温度为900~1200℃,沉积时间为2~8h。
一种薄壁异形复合材料构件的制备方法制得的薄壁异形复合材料。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
通过本发明的薄壁异形复合材料构件的制备方法制备预制体时采用炭纤维预浸料缠绕近净成型,相比于炭纤维整体毡预制体,原材料价格更低廉,生产成本更低;且本发明采用模芯充气内外双模压的固化定型处理方法,操作简单,与常规化学气相沉积增密定型工艺相比,可缩短生产周期20~30%,降低生产成本15~20%,同时,可保证所得炭-炭薄壁异形件的质量一致性更好,特别是在制备超过1m的大尺寸产品时,其不同部位的密度差可控制在0.01g/cm3,避免了现有技术中炭-炭薄壁异形件质量一致性差的问题,如常规化学气相沉积增密定型工艺中,由于现有的气相沉积工艺固有的缺点:沿着沉积炭源气的流动方向,不同部位的沉积效率不同,导致同一产品各部位的密度与性能不同,产品尺寸越大,差异越明显;又如常规平板模压定型工艺中,在垂直模压面仅靠手工缠绕和夹具施压,且对于压力不够的部位容易在炭化的过程中出现分层或变形,很难保证产品质量的一致性。此外,本发明采用的固化定型处理方法制备炭-炭薄壁异形件,所得产品表面无需进行精加工处理,产品表面的炭纤维连续性没有被破坏,力学性能更好
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
本发明提供了一种薄壁异形复合材料构件的制备方法,包括以下步骤:
(1)将碳纤维预浸料缠绕于模芯上,缠绕层数为6层,得到预制体;所述模芯的材质为石蜡,碳纤维预浸料所用炭布为平纹炭布,炭布的规格为3K,碳纤维预浸料所用预浸胶为酚醛树脂,碳纤维预浸料中预浸胶的质量含量为30%;
(2)将所述的预制体置于可拼装的金属外模中并锁紧,其采用的外模为不锈钢外模,然后通过加热将模芯从预留的气孔排出,再将氮气从气孔注入预制体内部以加压,当压力达到设定值后将预制体带外模整体进行固化定型;固化定型处理包括依次进行的脱除模芯、充气加压和加热固化三步;
具体为:脱除模芯是将预制件匀速升温至150℃使石蜡模芯软化流出;
充气加压是通过向模芯充入氮气,使腔内压力达到2Mpa,腔内压力和外模的共同作用确保预制体在固化过程中不会出现鼓包/分层的缺陷;
加热固化是在3h内匀速升温至碳纤维预浸料的固化温度,保温2h。
由于模芯充气加压,并和金属外模共同作用于碳纤维预浸料,挤压碳纤维预浸料使其压紧定型,使最终所得薄壁异形复合材料构件的质量一致性更好。
(3)将所述步骤(2)中的固化定型体从外模中脱除后进行炭化处理,炭化处理在保护气氛中进行,其炭化处理的温度为800℃,炭化处理的时间为10h,得到所需的薄壁异形复合材料制品;
(4)将所述步骤(3)中的薄壁异形复合材料制品进行抛光涂层制得到所需的构件,涂层处理为:采用化学气相沉积工艺进行,化学气相沉积温度为900℃,沉积时间为8h。
本发明对于提供所述保护气氛的保护气体没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的适用于进行炭化处理的保护气体即可,具体如氮气。在本发明中,所述炭化处理能够将固化定型体中所有树脂材料(包括模芯和碳纤维预浸料中所用的预浸胶)炭化。
在本发明中,打磨涂层工艺包括打磨及涂层两步。如用400目的砂纸对其外表面进行打磨,并用刷子清除表面即可。所述涂层处理采用化学气相沉积工艺进行,化学气相沉积采用天然气,涂层后即可得到薄壁异形复合材料制品。
实施例2
一种薄壁异形复合材料构件的制备方法,包括以下步骤:
(1)将碳纤维预浸料缠绕于模芯上,缠绕层数为8层,得到预制体;所述模芯的材质为聚甲基丙烯酸甲酯,碳纤维预浸料所用炭布为斜纹炭布,炭布的规格为6K,碳纤维预浸料所用预浸胶为苯丙噁嗪树脂,碳纤维预浸料中预浸胶的质量含量为40%;
(2)将所述的预制体置于可拼装的金属外模中并锁紧,其采用的外模为不锈钢外模,然后通过加热将模芯从预留的气孔排出,再将氮气从气孔注入预制体内部以加压,当压力达到设定值后将预制体带外模整体进行固化定型;固化定型处理包括依次进行的脱除模芯、充气加压和加热固化三步;
具体为:脱除模芯是将预制件匀速升温至140℃使石蜡模芯软化流出;
充气加压是通过向模芯充入氮气,使腔内压力达到0.5Mpa,腔内压力和外模的共同作用确保预制体在固化过程中不会出现鼓包/分层的缺陷;
加热固化是在1h内匀速升温至碳纤维预浸料的固化温度,保温1h。
由于模芯充气加压,并和金属外模共同作用于碳纤维预浸料,挤压碳纤维预浸料使其压紧定型,使最终所得薄壁异形复合材料构件的质量一致性更好。
(3)将所述步骤(2)中的固化定型体从外模中脱除后进行炭化处理,炭化处理在保护气氛中进行,其炭化处理的温度为900℃,炭化处理的时间为8h,得到所需的薄壁异形复合材料制品;
(4)将所述步骤(3)中的薄壁异形复合材料制品进行抛光涂层制得到所需的构件,涂层处理为:采用化学气相沉积工艺进行,化学气相沉积温度为1100℃,沉积时间为5h。
本发明对于提供所述保护气氛的保护气体没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的适用于进行炭化处理的保护气体即可,具体如氮气。在本发明中,所述炭化处理能够将固化定型体中所有树脂材料(包括模芯和碳纤维预浸料中所用的预浸胶)炭化。
在本发明中,打磨涂层工艺包括打磨及涂层两步。如用500目的砂纸对其外表面进行打磨,并用刷子清除表面即可。所述涂层处理采用化学气相沉积工艺进行,化学气相沉积采用天然气,涂层后即可得到薄壁异形复合材料制品。
实施例3
一种薄壁异形复合材料构件的制备方法,包括以下步骤:
(1)将碳纤维预浸料缠绕于模芯上,缠绕层数为10层,得到预制体;所述模芯的材质为聚甲基丙烯酸甲酯,碳纤维预浸料所用炭布为缎纹炭布,炭布的规格为12K,碳纤维预浸料所用预浸胶为呋喃树脂,碳纤维预浸料中预浸胶的质量含量为50%;
(2)将所述的预制体置于可拼装的金属外模中并锁紧,其采用的外模为不锈钢外模,然后通过加热将模芯从预留的气孔排出,再将氮气从气孔注入预制体内部以加压,当压力达到设定值后将预制体带外模整体进行固化定型;固化定型处理包括依次进行的脱除模芯、充气加压和加热固化三步,
具体为:脱除模芯是将预制件匀速升温至100℃使石蜡模芯软化流出;
充气加压是通过向模芯充入氮气,使腔内压力达到1Mpa,腔内压力和外模的共同作用确保预制体在固化过程中不会出现鼓包/分层的缺陷;
加热固化是在2h内匀速升温至碳纤维预浸料的固化温度,保温1.5h。
由于模芯充气加压,并和金属外模共同作用于碳纤维预浸料,挤压碳纤维预浸料使其压紧定型,使最终所得薄壁异形复合材料构件的质量一致性更好。
(3)将所述步骤(2)中的固化定型体从外模中脱除后进行炭化处理,炭化处理在保护气氛中进行,其炭化处理的温度为1200℃,炭化处理的时间为4h,得到所需的薄壁异形复合材料制品;
(4)将所述步骤(3)中的薄壁异形复合材料制品进行抛光涂层制得到所需的构件,涂层处理为:采用化学气相沉积工艺进行,化学气相沉积温度为1000℃,沉积时间为3h。
本发明对于提供所述保护气氛的保护气体没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的适用于进行炭化处理的保护气体即可,具体如氮气。在本发明中,所述炭化处理能够将固化定型体中所有树脂材料(包括模芯和碳纤维预浸料中所用的预浸胶)炭化。
在本发明中,打磨涂层工艺包括打磨及涂层两步。如用600目的砂纸对其外表面进行打磨,并用刷子清除表面即可。所述涂层处理采用化学气相沉积工艺进行,化学气相沉积采用天然气,涂层后即可得到薄壁异形复合材料制品。
实施例4
一种薄壁异形复合材料构件的制备方法,包括以下步骤:
(1)将碳纤维预浸料缠绕于模芯上,缠绕层数为8层,得到预制体;所述模芯的材质为聚甲基丙烯酸甲酯,碳纤维预浸料所用炭布为无纬布,炭布的规格为12K,碳纤维预浸料所用预浸胶为呋喃树脂,碳纤维预浸料中预浸胶的质量含量为50%;
(2)将所述的预制体置于可拼装的金属外模中并锁紧,其采用的外模为不锈钢外模,然后通过加热将模芯从预留的气孔排出,再将氮气从气孔注入预制体内部以加压,当压力达到设定值后将预制体带外模整体进行固化定型;固化定型处理包括依次进行的脱除模芯、充气加压和加热固化三步;
具体为:脱除模芯是将预制件匀速升温至150℃使石蜡模芯软化流出;
充气加压是通过向模芯充入氮气,使腔内压力达到2Mpa,腔内压力和外模的共同作用确保预制体在固化过程中不会出现鼓包/分层的缺陷;
加热固化是在3h内匀速升温至碳纤维预浸料的固化温度,保温2h。
由于模芯充气加压,并和金属外模共同作用于碳纤维预浸料,挤压碳纤维预浸料使其压紧定型,使最终所得薄壁异形复合材料构件的质量一致性更好。
(3)将所述步骤(2)中的固化定型体从外模中脱除后进行炭化处理,炭化处理在保护气氛中进行,其炭化处理的温度为1300℃,炭化处理的时间为3h,得到所需的薄壁异形复合材料制品;
(4)将所述步骤(3)中的薄壁异形复合材料制品进行抛光涂层制得到所需的构件,涂层处理为:采用化学气相沉积工艺进行,化学气相沉积温度为1200℃,沉积时间为2h。
本发明对于提供所述保护气氛的保护气体没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的适用于进行炭化处理的保护气体即可,具体如氮气。在本发明中,所述炭化处理能够将固化定型体中所有树脂材料(包括模芯和碳纤维预浸料中所用的预浸胶)炭化。
在本发明中,打磨涂层工艺包括打磨及涂层两步。如用600目的砂纸对其外表面进行打磨,并用刷子清除表面即可。所述涂层处理采用化学气相沉积工艺进行,化学气相沉积采用天然气,涂层后即可得到薄壁异形复合材料制品。
以上对本发明的实施方式作了详细说明,但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言,在不脱离本发明原理和精神的情况下,对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型,仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种薄壁异形复合材料构件的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将碳纤维预浸料缠绕于模芯上,得到预制体;
(2)将所述的预制体置于可拼装的金属外模中并锁紧,然后通过加热将模芯从预留的气孔排出,再将氮气从气孔注入预制体内部以加压,当压力达到设定值后将预制体带外模整体进行固化定型;固化定型处理包括依次进行的脱除模芯、充气加压和加热固化三步,具体为:所述脱除模芯是将预制件匀速升温至80~150℃使石蜡模芯软化流出;
所述充气加压是通过向模芯充入氮气,使腔内压力达到0.5~2Mpa,腔内压力和外模的共同作用确保预制体在固化过程中不会出现鼓包/分层的缺陷;
所述加热固化是在0.5~3h内匀速升温至碳纤维预浸料的固化温度,保温1~2h;
(3)将所述步骤(2)中的固化定型体从外模中脱除后进行炭化处理,得到所需的薄壁异形复合材料制品;
(4)将所述步骤(3)中的薄壁异形复合材料制品进行抛光涂层制得到所需的构件。
2.根据权利要求1所述的薄壁异形复合材料构件的制备方法,其特征在于:所述模芯的材质为石蜡,或聚甲基丙烯酸甲酯,或聚甲醛、或聚丙烯。
3.根据权利要求1所述的薄壁异形复合材料构件的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的碳纤维预浸料所用炭布为平纹炭布,或斜纹炭布,或缎纹炭布,或无纬布。
4.根据权利要求3所述的薄壁异形复合材料构件的制备方法,其特征在于:所述炭布的规格为3K,或6K,或12K。
5.根据权利要求1所述的薄壁异形复合材料构件的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的碳纤维预浸料所用预浸胶为酚醛树脂,或苯丙噁嗪树脂,或呋喃树脂。
6.根据权利要求5所述的薄壁异形复合材料构件的制备方法,其特征在于:所述碳纤维预浸料中预浸胶的质量含量为30~50%。
7.根据权利要求1所述的薄壁异形复合材料构件的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中炭化处理在保护气氛中进行,其炭化处理的温度为800~1300℃,炭化处理的时间为3~10h。
8.根据权利要求1所述的薄壁异形复合材料构件的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中涂层处理为:采用化学气相沉积工艺进行,化学气相沉积温度为900~1200℃,沉积时间为2~8h。
9.根据权利要求1-8任一项所述的薄壁异形复合材料构件的制备方法制得的薄壁异形复合材料。
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