CN114311742A - 一种热塑性复合材料的环向缠绕成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其特征在于包括：S1、制备纤维增强的热塑性树脂预浸带，并绕接于纱盘上作供料准备；S2、将纱盘装载于热塑性缠绕机上，通过牵引辊组调节张力并朝芯模方向牵引热塑性树脂预浸带，再通过激光加热器加热热塑性树脂预浸带；S3、由热塑性缠绕机按预设的参数将热塑性树脂预浸带环向缠绕于芯模表面，并随缠绕同步由压力辊自上而下对芯模表面的热塑性树脂预浸带进行加压；S4、在芯模缠绕方向相对加压的后程，通过吹风冷却器进行原位固化。应用该环向缠绕成型方法，采用张力控制、压力辊加压、激光加热并结合原位固结，大幅提高了缠绕成型的力学性能；在保障力学性能的同时使稳定缠绕线速度最大可达60m/min。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的成型方法，尤其涉及一种热塑性复合材料的环向缠绕成型方法。
背景技术
纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量、结构功能可设计、材料与结构统一性制造、失效模式安全等的特点，被广泛应用于航空航天、化工、建筑、电子等领域。
缠绕成型为复合材料一种常见的成型方式。根据基体树脂受热时是否发生化学变化，可将基体树脂分为热塑性树脂和热固性树脂。根据缠绕时基体树脂物理化学状态的不同，可分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕。
目前绝大部分缠绕工艺所用树脂均为热固性树脂，但热固性复合材料抗冲击、抗损伤能力差且不可回收利用，限制了其进一步发展。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有高韧性、高抗冲击性和损伤容限、成型周期短、生产效率高、易修复、废品可回收再利用等优点，故热塑性复合材料缠绕成型技术成为复合材料成型工艺领域研究的热点。
发明内容
本发明的目的旨在提出一种热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，解决缠绕工艺稳定性和成型效率的问题。
本发明实现上述目的的技术解决方案是，一种热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其特征在于包括：
S1、制备纤维增强的热塑性树脂预浸带，并绕接于纱盘上作供料准备；
S2、将纱盘装载于热塑性缠绕机上，通过牵引辊组调节张力并朝芯模方向牵引热塑性树脂预浸带，再通过激光加热器加热热塑性树脂预浸带；
S3、由热塑性缠绕机按预设的参数将热塑性树脂预浸带环向缠绕于芯模表面，并随缠绕同步由压力辊自上而下对芯模表面的热塑性树脂预浸带进行加压；
S4、在芯模缠绕方向相对加压的后程，通过吹风冷却器进行原位固化。
进一步地，S1中利用溶液浸渍法、熔融浸渍法、粉末浸渍法、纤维混杂法、薄膜层叠法中的一种将树脂基体复合增强纤维制成幅宽6mm~12mm的热塑性树脂预浸带。
更进一步地，所述树脂基体至少为聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰胺、聚乙烯中的一种。
更进一步地，所述增强纤维至少为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种。
进一步地，所述热塑性树脂预浸带通过错位设置的第一牵引辊和第二牵引辊调节张力，且控制张力范围介于30N~40N，沿牵引方向在第二牵引辊后设置张力传感器。
进一步地，所述热塑性树脂预浸带受激光加热器加热的受控温度范围介于室温~355℃，沿牵引方向在激光加热器与芯模之间且靠近芯模处设置温度传感器。
更进一步地，沿牵引方向在激光加热器前设置预热器，对张紧态的热塑性树脂预浸带进行预热。
进一步地，S3中环向缠绕热塑性树脂预浸带的缠绕线速度上限达60m/min，且加压范围介于0.1MPa~0.19MPa。
进一步地，S4中所述吹风冷却器的受控降温速率介于-1.0℃/min~ -1.5℃/min。
应用本发明的环向缠绕成型方法，具备显著的进步性：该方法采用张力控制、压力辊加压、激光加热、并结合原位固结，在缠绕过程中达到最佳层间结合强度，从而大幅提高了缠绕成型的力学性能；并在保障力学性能的同时提高了生产效率，使稳定缠绕线速度最大可达60m/min。一言以蔽之，具有成型周期短，成品稳定性好等优点。
附图说明
图1是本发明环向缠绕成型方法具体实施过程结合设备的状态示意图。
具体实施方式
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
本发明设计者为了解决热塑性符合材料缠绕工艺性差，生产效率低等不足，仰赖于产线设计经验，创新提出了一种热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，拓展应用范围。
本发明该种热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其实施过程依赖于图1所示设备。该缠绕设备沿预浸带9的缠绕走向，依次为纱盘1、第一牵引辊2、第二牵引辊3、预热器4、激光加热器5、压力辊6、芯模7和吹风冷却器8。其缠绕成型方法概述的步骤主要包括：S1、制备纤维增强的热塑性树脂预浸带，并绕接于纱盘上作供料准备；S2、将纱盘装载于热塑性缠绕机上，通过牵引辊组调节张力并朝芯模方向牵引热塑性树脂预浸带，再通过激光加热器加热热塑性树脂预浸带；S3、由热塑性缠绕机按预设的参数将热塑性树脂预浸带环向缠绕于芯模表面，并随缠绕同步由压力辊自上而下对芯模表面的热塑性树脂预浸带进行加压；S4、在芯模缠绕方向相对加压的后程，通过吹风冷却器进行原位固化。
从更进一步细化特征来看，S1中利用溶液浸渍法、熔融浸渍法、粉末浸渍法、纤维混杂法、薄膜层叠法中的一种将树脂基体复合增强纤维制成幅宽6mm~12mm的热塑性树脂预浸带。其中树脂基体至少为聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰胺、聚乙烯中的一种。而增强纤维至少为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种。S2中牵引辊组为由错位设置的第一牵引辊和第二牵引辊构成并用于调节张力，且控制张力范围介于30N~40N，而沿牵引方向在第二牵引辊后设置张力传感器，以实时监控预浸带的张力并按需微调。上述热塑性树脂预浸带受激光加热器加热的受控温度范围介于室温~355℃，沿牵引方向在激光加热器与芯模之间且靠近芯模处设置温度传感器，以实时监控加热温度，调整激光加热器输出功率。S3中通过计算机程序控制芯模旋转带动预浸带缠绕其上，且缠绕的同时采用压力辊对预浸带进行加压使其层间紧密粘结，环向缠绕热塑性树脂预浸带的缠绕线速度上限可达60m/min，且加压范围介于0.1MPa~0.19MPa。S4中在预浸带缠绕过程中同步由吹风冷却器原位固结，其中受控降温速率介于-1.0℃/min~-1.5℃/min，以上缠绕过程直至所需的外径后停止。
实施例一：该热塑性复合材料环向缠绕按下述步骤进行：
步骤一、采用熔融浸渍法，制备碳纤维（T700，日本东丽）增强聚苯硫醚（PPS）热塑性预浸带，幅宽为6mm。
步骤二、将制备好的碳纤维增强PPS热塑性预浸带放置于热塑性缠绕机纱盘上，经过第一牵引辊、第二牵引辊张力调节，预热器、激光加热器温度适配，通过计算机程序环向缠绕到芯模表面。在缠绕的同时采用压力辊对预浸带进行加压。控制张力为（35±5）N，控制温度为（315±5）℃，控制压力辊压力为（0.15±0.02）MPa。
步骤三、降温原位固结。采用从旁设置的吹风冷却器加速冷却，控制降温速率为-1.0℃/min。
本实施方式稳定缠绕线速度为60 m/min。测试所得热塑性复合材料层间剪切强度为19.82Mpa。
实施例二：该热塑性复合材料环向缠绕按下述步骤进行：
步骤一、采用熔融浸渍法，制备碳纤维（T700，日本东丽）增强聚醚醚酮（PEEK）热塑性预浸带，幅宽为6mm。
步骤二、将制备好的碳纤维增强PEEK热塑性预浸带放置于热塑性缠绕机纱盘上，经过第一牵引辊、第二牵引辊张力调节，预热器、激光加热器温度适配，通过计算机程序环向缠绕到芯模表面。在缠绕的同时采用压力辊对预浸带进行加压。控制张力为（35±5）N，控制温度为（350±5）℃，控制压力辊压力为（0.13±0.02）MPa。
步骤三、降温原位固结。采用从旁设置的吹风冷却器加速冷却，控制降温速率为-1.2℃/min。
本实施方式稳定缠绕线速度为60 m/min。测试所得热塑性复合材料层间剪切强度为20.20Mpa。
实施例三：该热塑性复合材料环向缠绕按下述步骤进行：
步骤一、采用熔融浸渍法，制备碳纤维（T700，日本东丽）增强聚丙烯（PP）热塑性预浸带，幅宽为12mm。
步骤二、将制备好的碳纤维增强PP热塑性预浸带放置于热塑性缠绕机纱盘上，经过第一牵引辊、第二牵引辊张力调节，预热器、激光加热器温度适配，通过计算机程序环向缠绕到芯模表面。在缠绕的同时采用压力辊对预浸带进行加压。控制张力为（35±5）N，控制温度为（185±5）℃，控制压力辊压力为（0.12±0.02）MPa。
步骤三、原位降温固结。采用外部吹风冷却系统加速冷却，控制降温速率为-1.1℃/min。
本实施方式稳定缠绕线速度为55m/min。测试所得热塑性复合材料层间剪切强度为19.24Mpa。
综上关于本发明热塑性复合材料的环向缠绕成型方法的实施例详述可见，本方案具备突出的实质性特点和显著的进步性：该方法采用张力控制、压力辊加压、激光加热并结合原位固结，在缠绕过程中达到最佳层间结合强度，从而大幅提高了缠绕成型的力学性能；并在保障力学性能的同时提高了生产效率，使稳定缠绕线速度最大可达60m/min。一言以蔽之，具有成型周期短，成品稳定性好等优点。
除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其特征在于包括：
S1、制备纤维增强的热塑性树脂预浸带，并绕接于纱盘上作供料准备；
S2、将纱盘装载于热塑性缠绕机上，通过牵引辊组调节张力并朝芯模方向牵引热塑性树脂预浸带，再通过激光加热器加热热塑性树脂预浸带；
S3、由热塑性缠绕机按预设的参数将热塑性树脂预浸带环向缠绕于芯模表面，并随缠绕同步由压力辊自上而下对芯模表面的热塑性树脂预浸带进行加压；
S4、在芯模缠绕方向相对加压的后程，通过吹风冷却器进行原位固化。
2.根据权利要求1所述热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其特征在于：S1中利用溶液浸渍法、熔融浸渍法、粉末浸渍法、纤维混杂法、薄膜层叠法中的一种将树脂基体复合增强纤维制成幅宽6mm~12mm的热塑性树脂预浸带。
3.根据权利要求2所述热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其特征在于：所述树脂基体至少为聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰胺、聚乙烯中的一种。
4.根据权利要求2所述热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其特征在于：所述增强纤维至少为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种。
5.根据权利要求1所述热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其特征在于：所述热塑性树脂预浸带通过错位设置的第一牵引辊和第二牵引辊调节张力，且控制张力范围介于30N~40N，沿牵引方向在第二牵引辊后设置张力传感器。
6.根据权利要求1所述热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其特征在于：所述热塑性树脂预浸带受激光加热器加热的受控温度范围介于室温~355℃，沿牵引方向在激光加热器与芯模之间且靠近芯模处设置温度传感器。
7.根据权利要求1或6所述热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其特征在于：沿牵引方向在激光加热器前设置预热器，对张紧态的热塑性树脂预浸带进行预热。
8.根据权利要求1所述热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其特征在于：S3中环向缠绕热塑性树脂预浸带的缠绕线速度上限达60m/min，且加压范围介于0.1MPa~0.19MPa。
9.根据权利要求1所述热塑性复合材料的环向缠绕成型方法，其特征在于：S4中所述吹风冷却器的受控降温速率介于-1.0℃/min~-1.5℃/min。
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