CN116653319A - 一种复合材料的成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种复合材料的成型工艺，工艺包括，利用充气内模和第一凹模配合，加热加压固化形成第一外壳，利用充气外模和第一凸模配合，加热加压固化形成第二外壳，第二外壳嵌入在第一外壳内，在两个外壳之间加入热固树脂，加热加压固化得到复合材料。该工艺无需真空步骤，采用两个壳体单独制备然后复合的方式，获得两侧表面均光滑无针孔的复合材料，可以应用于头盔等具有开口内腔结构的复合材料的成型加工。加工工艺简单，设备需求低，同事复合材料的后期处理难度降低。

Description

一种复合材料的成型工艺

技术领域

本发明涉及材料成型技术领域，尤其涉及一种复合材料的成型工艺。

背景技术

通过预浸料模压制作得到的复合材料制件是一种重要的新材料，其具有质量轻、强度低等一系列的优点，被广泛应用于承力结构和功能结构中。例如目前的防护头盔，市场上大部分的高性能头盔均采用碳纤维复合材料制备而成。

然而这类由预浸料或纤维布制备的复合材料制品存在一定的制作难度，由于预浸料以及纤维布均具有固定的外形，且为了使制件能够具备预浸料或纤维布的材质特性，通常需要将其制作成成品件对应的形状，且纤维料需要贴合在模具表面进行成型固化加工，常规的工艺通常包括模压、真空导入和真空热压，其中针对头盔等复杂构件的生产，一般采用模压工艺和真空热压工艺，模压工艺中，需要金属外模配合橡胶内模，由于橡胶内模表面平整度以及脱模效果差等问题，会导致最终成型制品的内表面相对粗糙需要后期进行打磨加工，而真空热压虽然能够得到良好的表面效果，但是其设备成本和人力成本高，难以进行批量化生产。

有鉴于此，针对头盔或具有内腔面的类似结构的复合材料制品，如何提高其内表面的平整度且保持高生产效率成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种复合材料的成型工艺，旨在提高成型后的工件表面的平整度，同事工艺难度更低，易于批量化生产。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种复合材料的成型工艺，尤其是强化纤维复合材料头盔的成型工艺，包括如下步骤：

步骤一、将预浸料裁切后贴合在第一凹模的内表面，将充气型内模嵌入贴合有预浸料的第一凹模内，充气型内模充气后加热加压固化得到第一外壳；

步骤二、将预浸料裁切后贴合在第一凸模的外表面，将充气型外模套设在表面贴合有预浸料的第一凸模的外侧，充气型外模充气后加热加压固化得到第二外壳；

步骤三、将第一外壳嵌入装在第一凹模内侧，将第二外壳嵌入安装在第一外壳内侧，在第一外壳与第二外壳之间填充热固树脂，然后将第三内模嵌入在第二外壳的内侧，合模后加热加压固化得到成型的复合材料。

在一些实施方式中，步骤一中，还包括：在第一凹模内表面与预浸料之间填充热固树脂。

在一些实施方式中，步骤二中，还包括：在第一凸模的外表面与预浸料之间填充热固树脂。

在一些实施方式中，同一个复合材料内，第二外壳的数量不少于两个，多个第二外壳在第一外壳内侧拼接后覆盖第一外壳内表面。

在一些实施方式中，在对多个第二外壳进行拼接之前，在第二外壳拼接的边缘处加工出榫槽或榫端，相邻两个第二外壳之间通过榫槽与榫端榫接配合。

在一些实施方式中，榫槽或榫端的延伸方向与榫槽或榫端所在第二外壳的边缘的延伸方向相同。

在一些实施方式中，步骤三中，在将第二外壳嵌入安装在第一外壳内侧之前，还包括，在第一外壳的内侧表面铺设增强纤维。

在一些实施方式中，增强纤维包括有机纤维、天然纤维和无机纤维，有机纤维包括芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维等，天然纤维包括棉纤维、剑麻等，无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、晶须等。

在一些实施方式中，步骤三中，所述第三内模为金属凸模或充气型模。

在一些实施方式中，热固树脂包括热固型丙烯酸树脂等。

在一些实施方式中，加热固化的温度为120-140℃，加热固化的压力为0.5-0.7MPa，固化时间为20-40min。

以上所述的成型工艺可以应用于头盔等具有内腔面的制品的加工成型。

本发明的复合材料的成型工艺相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明提供的复合材料的成型工艺，采用至少两种外壳分别固化，然后进行嵌套固化连接，通过该成型工艺可以分别在两种外壳表面加工出至少一面光滑表面，对应光滑的表面一侧作为复合后的外表面，从而克服了常规复合材料加工工艺中，存在产品的其中一侧表面存在针孔等表面缺陷的问题，同时由于两个外壳复合，具有缺陷的表面可以提高与热固数值之间的接触面积，从而提高两个外壳之间的连接强度；

2、由于采用两个外壳单独成型后再进行复合的工艺，可以减少单个外壳内预浸料的重叠层数，从而有利于减少单个外壳内部预浸料层与层之间的气泡数量，提高了单个外壳的质量；

3、由于采用两个外壳复合的工艺，复合外壳的结构进一步提高了整体成型后结构件的结构强度。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明步骤一中第一凹模的结构示意图；

图2为本发明步骤二中第一凸模的结构示意图；

图3为本发明步骤三中，第三内模与第一凹模结构示意图；

图4为本发明其中一种实施例制备所得第二外壳的结构示意图。

图中：1-第一凹模、2-第一外壳、3-第一凸模、4-第二外壳、5-第三内模、41-榫槽、42-榫端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另外定义，否则本文使用的所有技术术语和科学术语具有与本发明实施例所属技术领域普通技术人员通常理解相同的含义。如果此部分中陈述的定义与通过引用纳入本文的所述专利、专利申请、公布的专利申请和其他出版物中陈述的定义相反或其他方面不一致，此部分中列出的定义优先与通过引用纳入本文中的定义。

本发明其中一种实施例的碳纤维复合头盔的成型工艺，其包括如下步骤：

按照复合头盔的设计图纸，对其外表面和内表面进行展开，外表面展开后得到第一图形，内表面展开后得到第二图形；

根据第一图形，对碳纤维预浸料进行裁切，将裁切所得若干碳纤维预浸料片材贴合在第一凹模1的内表面，第一凹模1内表面预先涂刷有脱模剂，碳纤维预浸料堆叠层数至少两层，相邻两层之间的碳纤维预浸料片材的接缝错开，贴合后，向第一凹模1与碳纤维预浸料层之间填充聚丙烯树脂，然后将耐高温硅胶型充气内模嵌入第一凹模内侧，充气后加热第一凹模1，充气后第一凹模1与高温硅胶型充气内模之间的压强为0.6MPa，加热温度为120℃，120℃下保温时间为40min，然后降温至60℃，脱模得到第一外壳2；

根据第二图形，对碳纤维预浸料进行裁切，将裁切所得若干碳纤维预浸料片材贴合在第一凸模3的外表面，第一凸模3外表面预先涂刷有脱模剂，碳纤维预浸料堆叠层数至少两层，相邻两层之间的碳纤维预浸料片材的接缝错开，贴合后，向第一凸模3与碳纤维预浸料层之间填充聚丙烯树脂，然后将耐高温硅胶型充气外模套设在第一凸模外侧，充气后加热第一凸模，充气后第一凸模与高温硅胶型充气内模之间的压强为0.6MPa，加热温度为120℃，120℃下保温时间为40min，然后降温至60℃，脱模得到第二外壳4；

将第一外壳2嵌入在第一凹模1内侧，然后将第二外壳4嵌入在第一外壳2内侧，然后在第一外壳2与第二外壳4之间填充丙烯酸树脂，然后用铝合金第三内模5嵌入在第二外壳4内侧，第三内模5与第一凹模1的边缘可合模，两者合模后加热至120℃并保温处理40min，然后降温至60℃，脱模得到碳纤维复合材料头盔的坯体。

上述实施例可针对能够直接从第三内模5内脱模的头盔或其他可以从内模中直接脱模的含有内腔型的复合材料的成型，其中第一凹模1和第一凸模3以及第三内模5均可以采用金属或陶瓷材质的模具，成型后靠近该类金属或陶瓷材质模具的复合材料的表面具有相对较光滑的表面，而硅胶型充气模具接触的复合材料的表面成型后粗糙，因此，在第一外壳2与第二外壳4结合的过程中，第一外壳2较光滑的一面位于远离第二外壳4的一侧，第二外壳4较光滑的一面位于远离第一外壳2的一侧，两者粗糙的一面不仅可以通过合模的方式消除，同时还可以增大第一外壳2与第二外壳4之间的接触面积，提高两者的结合强度。

在一些实施方式中，若第三内模5无法直接嵌入第二外壳4内，则第三内模5可以采用充气型内模，例如高温硅胶型充气内模，此时，同一个碳纤维复合型头盔内侧至少设有两个第二外壳4，多个第二外壳4分别制作，然后分别嵌入在第一外壳2内然后进行拼接形成复合材料的内层结构。

以上实施方式可以针对腔体开口小于腔体内部截面大小的复合材料工件的加工生产，但是由于第二外壳4需要进行后期拼接，因此可能会导致拼接部分存在裂缝，裂缝可能会使加压加热之前的热固树脂渗漏，固化成型过程中，可能会使多个第二外壳4之间的缝隙不均匀或者多个第二外壳4分布不均，或者第二外壳4内侧表面的热固树脂的厚度不均一，从而影响整体的结构性能和美观性。

为了解决上述可能存在的后续问题，在一些实施例中，还包括在第二外壳4的拼接边缘处加工形成榫槽41或榫端42，相邻的两个第二外壳4之间通过榫槽41和榫端42榫接进行连接。

以上实施例中，相互连接的两个第二外壳4的连接边缘处开设榫槽41或者加工形成榫端42，通过榫端42嵌入在榫槽41内，完成限位性连接，一方面，使多个第二外壳4在第一外壳2内可以连接形成一个整体，从而避免相邻的两个第二外壳4之间出现缝隙，另一方面，有利于形成更加平整均一的内表面，提高最终所得工件的内侧表面质量。

作为优选的，榫槽41或榫端42的延伸方向与榫槽41或榫端42所在的第二外壳4的边缘的延伸方向是相同的。

而由于第一外壳2和第二外壳4分别成型，同时在第二外壳2为多个时，多个第二外壳4的一体性不高，因此对整体头盔的结构强度的提升主要依赖于第一外壳2，为了弥补多个第二外壳4形成一体结构的强度，在一些实施例中，第一外壳2与第二外壳4之间还可以提前铺设增强纤维，增强纤维在与热固性树脂加热加压固化后，可以形成中间层的复合材料层，进一步提高整体复合材料的结构强度。

上述方案中，在将第二外壳4嵌入至第一外壳2内侧之前，在第一外壳2内侧表面铺贴增强纤维，为了提高增强纤维的铺设稳定性和方向稳定性，可以在铺贴时在第一外壳2内侧表面涂刷部分热固树脂。

作为优选的，在第一外壳2和第二外壳4之间铺设的增强纤维的铺设方向与该增强纤维对应位置的第二外壳4的接缝方向不平行，优选的，增强纤维的铺设方向与该增强纤维对应位置的第二外壳4的接缝方向保持垂直。

应当理解的是，在对第一图形以及第二图形进行分解并获得对应的对碳纤维预浸料进行裁切的方案时，每一层碳纤维预浸料的裁切方案均会预先考量相邻两层碳纤维的解封方向，以满足不平行或者相互垂直的要求，上述裁切方案可以通过绘图展开软件进行辅助设计。

采用上述方法制备得到的碳纤维复合材料头盔内外表面均具有平整光滑的表面结构，无针孔毛刺，同时该工艺中无需进行抽真空加工处理，不需要真空覆膜，也不需要采用热压罐进行加热，工件加工后，表面打磨的需求较少，可以减少加工工序的时长，降低加工的难度，减少了物料的浪费。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合材料的成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将预浸料裁切后贴合在第一凹模的内表面，将充气型内模嵌入贴合有预浸料的第一凹模内，充气型内模充气后加热加压固化得到第一外壳；

步骤二、将预浸料裁切后贴合在第一凸模的外表面，将充气型外模套设在表面贴合有预浸料的第一凸模的外侧，充气型外模充气后加热加压固化得到第二外壳；

步骤三、将第一外壳嵌入装在第一凹模内侧，将第二外壳嵌入安装在第一外壳内侧，在第一外壳与第二外壳之间填充热固树脂，然后将第三内模嵌入在第二外壳的内侧，合模后加热加压固化得到成型的复合材料。

2.如权利要求1所述的复合材料的成型工艺，其特征在于，步骤一中，还包括：在第一凹模内表面与预浸料之间填充热固树脂。

3.如权利要求1所述的复合材料的成型工艺，其特征在于，步骤二中，还包括：在第一凸模的外表面与预浸料之间填充热固树脂。

4.如权利要求1所述的复合材料的成型工艺，其特征在于，同一个复合材料内，第二外壳的数量不少于两个，多个第二外壳在第一外壳内侧拼接后覆盖第一外壳内表面。

5.如权利要求4所述的复合材料的成型工艺，其特征在于，在对多个第二外壳进行拼接之前，在第二外壳拼接的边缘处加工出榫槽或榫端，相邻两个第二外壳之间通过榫槽与榫端榫接配合。

6.如权利要求5所述的复合材料的成型工艺，其特征在于，所述榫槽或榫端的延伸方向与榫槽或榫端所在第二外壳的边缘的延伸方向相同。

7.如权利要求1所述的复合材料的成型工艺，其特征在于，步骤三中，在将第二外壳嵌入安装在第一外壳内侧之前，还包括，在第一外壳的内侧表面铺设增强纤维。

8.如权利要求1所述的复合材料的成型工艺，其特征在于，步骤三中，所述第三内模为金属凸模或充气型模。