CN116008033A - 一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法及成型模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法，包括：根据模具内腔尺寸，裁剪一定数量的拉伸片和加强片，得到多张小于模具内腔尺寸的拉伸片和加强片，其中，加强片和拉伸片采用同种预浸料；将裁剪后的拉伸片和加强片分别进行铺贴，得到由多张拉伸片铺贴而成的拉伸层叠板、和得到由多张加强片铺贴而成的加强片层叠板；揭开拉伸层叠板在加强片层叠板粘贴区域的隔离膜和加强片层叠板粘贴面的隔离膜，将加强片层叠板粘贴在粘贴区域，得到层叠板组合件；将得到的层叠板组合件进行模压固化成型，得到拉伸层压板，最终按照图纸机械加工制得拉伸试样，其目的是提高复合材料拉伸性能的准确性和可靠性。

Description

一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法及成型模具

技术领域

本发明属于树脂基复合材料成型技术领域，尤其涉及一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法及成型模具。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料作为一种新型结构材料，具有比强度高、比刚度大、质量轻、耐腐蚀、成型工艺性好、结构可设计等诸多优点，因此广泛应用于汽车、船舶、建筑、航空、航天等领域，尤其是在航空航天工业中的应用日益增多。先进复合材料在高性能结构上首先是应用于附属件或次要承力构件，随着复合材料的发展应用，逐步扩大应用到重要结构的主承力件。

目前，纤维增强树脂基复合材料的拉伸测试多采用美标ASTMD3039《聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法》，该试验标准公开了纤维增强树脂基复合材料层合板的拉伸试样形式，为直条型试样。

对于单向材料(或一个方向占主导作用的层压板)在纤维方向加载到破坏时，一般采用从外部采购的高强度玻璃布预浸料层压板作为加强片。但采用该种加强片二次胶接方式制备的拉伸试样在进行拉伸试验时，胶接质量容易对试验结果产生影响，试样容易在加强区或加强区附近提前发生拉伸断裂破坏，并形成“无效断裂”的结果，从而影响试验数据的准确性。

发明内容

本发明主要针对以上问题，提出了一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法及成型模具，其目的是使制备的试样在进行拉伸试验时，可以有效避免试样在加强区或加强区附近提前发生拉伸断裂破坏，从而保证试验数据更能体现真实的复合材料性能，提高复合材料拉伸性能的准确性和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法，包括以下步骤：

裁剪：根据模具内腔尺寸，裁剪一定数量的所述拉伸片和所述加强片，得到多张与所述模具内腔尺寸相同或小于所述模具内腔尺寸的拉伸片和加强片，其中，所述拉伸片和所述加强片采用同种预浸料；

单层片铺贴：将裁剪后的所述拉伸片和所述加强片分别进行铺贴，得到由多张所述拉伸片铺贴而成的拉伸层叠板、和得到由多张所述加强片铺贴而成的加强片层叠板；

层叠板铺贴：揭开所述拉伸层叠板在所述加强片层叠板粘贴区域的隔离膜和所述加强片层叠板粘贴面的隔离膜，将所述加强片层叠板粘贴在所述粘贴区域，得到层叠板组合件；

模压固化：将得到的所述层叠板组合件进行模压固化成型，得到拉伸层压板，最终按照图纸机械加工制得拉伸试样。

进一步地，在所述制备步骤中，其中的同种预浸料为同种增强纤维同树脂体系预浸料。

进一步地，在所述单层片铺贴的步骤之前，还包括：根据拉伸试样要求的工作段厚度和加强片层叠板厚度计算铺贴所述拉伸层叠板和所述加强片层叠板的层数。

进一步地，在所述层叠板铺贴的步骤之前，还包括：在所述拉伸层叠板上下表面隔离膜上用记号笔划出所述加强片层叠板粘贴区域。

进一步地，在所述层叠板铺贴的步骤中，包括：将所述加强片层叠板一边对齐所述拉伸层叠板经向基准边，另一边对齐记号笔的划线，将四块所述加强片层叠板粘贴在对应的所述粘贴区域；其中，在粘贴过程中时刻检查同一侧上下所述加强片层叠板靠近工作段的边缘位置是否对齐。

进一步地，在所述层叠板铺贴的步骤中，包括：裁剪4块与所述加强片层叠板相同尺寸的聚四氟乙烯布，揭开所述加强片层叠板表面的隔离膜，将所述聚四氟乙烯布平整地覆盖在所述加强片层叠板表面。

进一步地，在所述层叠板铺贴的步骤中，包括：裁剪大于模具尺寸的无孔隔离膜，揭开所述拉伸层叠板工作段的表面隔离膜，将所述无孔隔离膜覆盖在组合好的所述拉伸层叠板和所述加强片层叠板上下表面，贴合平整，并用手赶出所述无孔隔离膜与所述拉伸层叠板和所述加强片层叠板表面夹杂的气泡。

进一步地，在所述模压固化步骤之前，还包括：在上模板和下模板的内表面涂覆脱模剂后，组合所述下模板和边框，将得到的所述层叠板组合件放入所述下模板和所述边框所限制的区域，再将所述上模板与边框对准后合模。

为实现上述目的，本发明提供了一种应用于所述复合材料直条型拉伸试样成型制备方法的模具，所述模具包括上模板、与所述上模板配合的下模板以及设于所述上模板与所述下模板之间的边框，其中，所述上模板和下模板均包括中间工作段台阶面、位于中间工作段台阶面两端的加强区台阶面、位于所述加强区台阶面周侧的边框限位台阶面、以及位于所述边框限位台阶面两端的开模台阶面。

本发明的上述技术方案具有如下优点：加强片层叠板与拉伸层叠板采用同种预浸料进行模压法整体共固化成型，可使加强片层叠板与拉伸层叠板通过固化交联反应结合得更牢固，减少了加强片层叠板二次胶接质量问题所带来的影响，避免了试样在加强区或加强区附近提前发生拉伸断裂破坏，从而保证试验数据更能体现真实的复合材料性能，提高复合材料拉伸性能的准确性和可靠性；采用整体模压成型方法制备的直条型复合材料拉伸试样，结构简单，机械加工方便，无需进行工作段开槽加工和打磨等步骤；同时也免去了加强片层叠板胶接工艺流程，提高了直条型拉伸试样的制备效率，降低了工艺成本。

附图说明

图1为本发明实施例披露的一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法结构示意图。

图2为本发明实施例披露的一种成型复合材料直条型拉伸试样的模具结构及组成示意图。

图3为图2中所述模具的下模板的结构示意图。

图4为本发明实施例披露的一种拉伸层叠板与加强片层叠板的粘贴结构示意图。

图中：1、拉伸层叠板；2、加强片层叠板；3、聚四氟乙烯布；4、无孔隔离膜；5、隔离膜；6、上模板；7、下模板；8、边框；7-1、中间工作段台阶面；7-2、加强区台阶面；7-3、边框限位台阶面；7-4、开模台阶面；101、加强片层叠板粘贴区域；102、中间工作段区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

复合材料的概念是指一种材料不能满足使用要求，需要由两种或两种以上的材料复合在一起，组成另一种能满足人们要求的材料，即复合材料。

复合材料种类很多，一般由增强材料和基体材料组成；其中，基体材料包括但不限于环氧树脂、聚酯树脂、热可塑性树脂等；强化材料包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等。

作为示例，本申请涉及的预浸料是使环氧树脂组合物含浸于增强纤维集合体而成的，因此可作为机械物性优异的纤维增强塑料的原材料。

下面对本发明做进一步详细说明。由于采用加强片二次胶接的方式制备的拉伸试样在进行拉伸试验时，胶接质量容易对试验结果产生影响，试样容易在加强区或加强区附近提前发生拉伸断裂破坏，从而影响试验结果的准确性。

为解决上述问题，如图1-图4，我们提供了一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法，包括以下步骤：

步骤S100：裁剪，根据模具内腔尺寸，裁剪一定数量的拉伸片和加强片，得到多张与所述模具内腔尺寸相同或小于所述模具内腔尺寸的拉伸片和加强片，加强片与拉伸片为同种预浸料。

在步骤S100实施例裁剪前，可以根据预浸料的单层厚度，再通过拉伸试样中间工作段区域102厚度和加强片层叠板2厚度要求，计算出拉伸片和加强片铺层的层数。再根据模具内腔尺寸裁剪预浸料单层片。裁剪的预浸料单层片尺寸需略小于模具内腔尺寸，以留出铺放余量。

步骤S200：单层片铺贴，将裁剪后的所述拉伸片和所述加强片分别进行铺贴，得到由多张所述拉伸片铺贴而成的拉伸层叠板1、和得到由多张所述加强片铺贴而成的加强片层叠板2。

在本实施例中，将裁剪好的拉伸片和加强片按照材料标准中的铺层方式进行铺贴，可以理解的是，多张拉伸片上下铺叠形成拉伸层叠板1，多张加强片上下铺叠形成加强片层叠板2。

步骤S300：层叠板粘贴组合，揭开所述拉伸层叠板1在所述加强片层叠板粘贴区域101的隔离膜5和所述加强片层叠板粘贴面的隔离膜5，将所述加强片层叠板粘贴在所述粘贴区域，得到层叠板组合件。

在将加强片层叠板2粘贴在拉伸层叠板1前，需要在铺贴好的拉伸层叠板1上下表面隔离膜5上用记号笔划出加强片层叠板粘贴区域101，上下表面划线位置需保持一致。

值得注意的是，在本实施例中，需要揭开拉伸层叠板1的加强片层叠板粘贴区域101的隔离膜5和加强片层叠板2粘贴面的隔离膜5，将加强片层叠板2一边对齐拉伸层叠板1经向基准边，另一边对齐记号笔划好的线后，粘贴在加强片层叠板粘贴区域101。按此方法分别粘贴好四块加强片层叠板2。粘贴过程中注意时刻检查同一侧上下加强片层叠板2靠近中间工作段区域102的边缘位置是否对齐。

步骤S400：模压固化，将得到的所述层叠板组合件进行模压固化成型，得到拉伸层压板，最终按照图纸机械加工制得拉伸试样。

在进行模压固化的步骤S400前，还需要裁剪4块与加强片层叠板2一样尺寸的聚四氟乙烯布3，揭开加强片层叠板2上表面的隔离膜，将聚四氟乙烯布3完全平整地覆盖在加强片层叠板2表面；其目的是为了增加加强片层叠板2的表面粗糙度，防止测试过程中夹持端打滑，影响测试结果。

之后，将无孔隔离膜4裁剪成略大于模具尺寸，揭开拉伸层叠板1中间工作段区域102的表面隔离膜，将无孔隔离膜4覆盖在上述组合好的层叠板上下表面，贴合平整，用手或工具赶出无孔隔离膜4与层叠板(包括拉伸层叠板1和加强片层叠板2)表面夹杂的气泡。

随后，在模具表面涂好脱模剂，如图1所示，组合模具的下模板7和边框8，将上述步骤中的层叠板组合件放入由下模板7和边框8围合的内腔，再将上模板6与边框8对准后合模，最后将模具放入平板热压机中进行模压固化成型，待冷却后，脱模即可制得拉伸层压板最终按照图纸机械加工制得拉伸试样。

在上述公开的实施例中，由于加强片与拉伸片采用同种预浸料进行模压法整体共固化成型，同种预浸料可使加强片层叠板2与拉伸层叠板1通过固化交联反应结合得更牢固，减少了加强片二次胶接质量问题所带来的影响，避免了试样在加强区或加强区附近提前发生拉伸断裂破坏，从而保证试验数据更能体现真实的复合材料性能，提高复合材料拉伸性能的准确性和可靠性。

图2是本申请实施例提供的成型模具总成的示意图。

如图2所示，模具包括形成其外观的上模板6、与上模板6配合的下模板7以及设于上模板6和下模板7之间的边框8，上模板6、下模板7以及边框8的材料采用的是30CrMnSiA合金钢，热处理后具有较高的强度、韧性和疲劳强度，可以保证拉伸层叠板1和加强片层叠板2在模压固化成型的过程中具有较小的尺寸变形，从而减小内应力的产生，并且可以保证在模压成型过程中平板热压机对模具良好的导热性。

上模板6和下模板7的结构大致相同，以如图3所示的下模板7结构为例，其中，下模板7包括中间工作段台阶面7-1、位于中间工作段台阶面两端的加强区台阶面7-2、位于加强区台阶面周侧的边框限位台阶面7-3、以及位于边框限位台阶面两端的开模台阶面7-4。

在一些实施例中，模具的内腔平面尺寸为320mm×200mm，中间工作段台阶面7-1的平面尺寸为138mm×200mm，两端的加强区台阶面7-2尺寸分别为91mm×200mm，边框限位台阶面7-3的凸出高度为5mm，用来限定边框8的位移，中间工作段台阶面7-1凸出的高度与拉伸试验标准中推荐的加强片层叠板2厚度一致，为1.5mm，角度为90°。

边框8用于限定层合板的厚度，边框8高度为15mm。模具上下模板与边框8合模后，中间工作段区域102的内腔高度为2mm，两端加强区内腔高度为5mm。

下面将结合具体示例来对本发明提供的一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法进行详细说明。

例如，在一些实施例中，复合材料类型为某种玻璃布预浸料，适用于模压固化成型，制备经向拉伸试样，铺层方式为经向铺层，单层固化厚度为0.296mm。ASTMD3039拉伸试验标准中推荐的试样长度为250mm，宽度为25mm，加强片层叠板2长度为56mm，加强片层叠板2厚度为1.5mm。在此，我们采用本实施例方案，进行复合材料直条型拉伸试样板整体模压固化成型。

首先根据该种材料直条型拉伸试样要求的中间工作段区域102厚度(2.0mm)和加强片层叠板2厚度(1.5mm)计算铺贴所需的拉伸片和加强片层数。根据该种玻璃布预浸料的单层固化厚度(0.296mm)计算得到拉伸片的层数为7层，加强片的层数为5层。

再根据模具内腔尺寸(320mm×200mm和91mm×200mm)裁剪预浸料单层片。裁剪的预浸料层叠板尺寸需略小于模具内腔尺寸，留出铺放余量。拉伸片的裁剪尺寸为经向长度310mm，纬向宽度198mm；加强片的裁剪尺寸为经向长度86mm，纬向宽度198mm。

将裁剪好的拉伸片和加强片按经向铺层铺贴好，最终得到一块尺寸为310mm×198mm的拉伸层叠板1和4块尺寸为86mm×198mm的加强片层叠板2。

在铺贴好的拉伸层叠板1上下表面的隔离膜5上用记号笔划出加加强片层叠板粘贴区域101，留出中间工作段区域102的尺寸138mm×198mm，两边加强片层叠板粘贴区域101尺寸为86mm×198mm。

揭开拉伸层叠板1加强片粘贴区域的隔离膜5和加强片层叠板2粘贴面的隔离膜，将加强片层叠板2一边对齐拉伸层叠板1经向基准边，另一边对齐化划好的线后，粘贴在加强片层叠板粘贴区域101。分别粘贴好四块加强片层叠板2，粘贴过程中注意时刻检查同一侧上下加强片层叠板2靠近中间工作段区域102的边缘位置是否对齐，如图4所示。

裁剪4块尺寸为86mm×198mm的聚四氟乙烯布3，揭开加强片层叠板2表面的隔离膜，将聚四氟乙烯布3完全平整地覆盖在加强片层叠板2表面。

裁剪2层无孔隔离膜4，尺寸略大于模具尺寸。揭开拉伸层叠板1中间工作段区域102的表面隔离膜，在组合好的层叠板上下表面各覆盖1层无孔隔离膜4，贴合平整，并用手赶出隔离膜与层叠板表面夹杂的气泡。

模具表面涂好脱模剂后，组合模具的下模板7和边框8，将上述步骤中的层叠板组合件放入由下模板7和边框8围合的内腔，再将上模板6与边框8对准后合模，最后将模具放入平板热压机中进行模压固化成型，待冷却后，脱模即可制得所需的拉伸层压板，最终按照图纸机械加工制得拉伸试样。

还应理解，上述列举的复合材料直条型拉伸试样成型制备方法的各实施例，可以通过人工操作或机器人或者数控加工方式来执行，用于执行所述方法的设备软件或工艺可以通过执行保存在存储器中的计算机程序代码来执行上述方法。需要说明的是，在不冲突的前提下，本申请描述的各个实施例和/或各个实施例中的技术特征可以任意的相互组合，组合之后得到的技术方案也应落入本申请的保护范围。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的制备方法，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

裁剪：根据模具内腔尺寸，裁剪一定数量的所述拉伸片和所述加强片，得到多张与所述模具内腔尺寸相同或小于所述模具内腔尺寸的拉伸片和加强片，其中所述拉伸片和所述加强片采用同种预浸料；

单层片铺贴：将裁剪后的所述拉伸片和所述加强片分别进行铺贴，得到由多张所述拉伸片铺贴而成的拉伸层叠板、和得到由多张所述加强片铺贴而成的加强片层叠板；

层叠板铺贴：揭开所述拉伸层叠板在所述加强片层叠板粘贴区域的隔离膜和所述加强片层叠板粘贴面的隔离膜，将所述加强片层叠板粘贴在所述粘贴区域，得到层叠板组合件；

模压固化：将得到的所述层叠板组合件进行模压固化成型，得到拉伸层压板，最终按照图纸机械加工制得拉伸试样。

2.如权利要求1所述的一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法，其特征在于，在所述单层片铺贴的步骤之前，还包括：根据拉伸试样要求的工作段厚度和加强片层叠板厚度计算铺贴所述拉伸层叠板和所述加强片层叠板的层数。

3.如权利要求1所述的一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法，其特征在于，在所述层叠板铺贴的步骤之前，还包括：在所述拉伸层叠板上下表面隔离膜上用记号笔划出所述加强片层叠板粘贴区域。

4.如权利要求1所述的一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法，其特征在于，在所述层叠板铺贴的步骤中，包括：将所述加强片层叠板一边对齐所述拉伸层叠板经向基准边，另一边对齐记号笔的划线，将四块所述加强片层叠板粘贴在对应的所述粘贴区域；其中，在粘贴过程中时刻检查同一侧上下所述加强片层叠板靠近工作段的边缘位置是否对齐。

5.如权利要求1所述的一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法，其特征在于，在所述层叠板铺贴的步骤中，包括：裁剪4块与所述加强片层叠板相同尺寸的聚四氟乙烯布，揭开所述加强片层叠板表面的隔离膜，将所述聚四氟乙烯布平整地覆盖在所述加强片层叠板表面。

6.如权利要求1所述的一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法，其特征在于，在所述层叠板铺贴的步骤中，包括：裁剪大于模具尺寸的无孔隔离膜，揭开所述拉伸层叠板工作段的表面隔离膜，将所述无孔隔离膜覆盖在组合好的所述拉伸层叠板和所述加强片层叠板上下表面，贴合平整，并用手赶出所述无孔隔离膜与所述拉伸层叠板和所述加强片层叠板表面夹杂的气泡。

7.如权利要求1所述的一种复合材料直条型拉伸试样成型制备方法，其特征在于，在所述模压固化步骤之前，还包括：在上模板和下模板的内表面涂覆脱模剂后，组合所述下模板和边框，将得到的所述层叠板组合件放入所述下模板和所述边框所限制的区域，再将所述上模板与边框对准后合模。

8.一种应用于权利要求1-7任一项所述复合材料直条型拉伸试样成型制备方法的模具，其特征在于，所述模具包括上模板、与所述上模板配合的下模板以及设于所述上模板与所述下模板之间的边框，其中，所述上模板和下模板均包括中间工作段台阶面、位于中间工作段台阶面两端的加强区台阶面、位于所述加强区台阶面周侧的边框限位台阶面、以及位于所述边框限位台阶面两端的开模台阶面。

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