CN1544238A

CN1544238A - 碳纤维增强复合材料的自电阻加热成型方法

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Publication number: CN1544238A
Application number: CNA2003101135474A
Authority: CN
Inventors: 益小苏; 秦明
Original assignee: Beijing Institute of Aeronautical Materials China Aviation Industry No 1 Group Corp
Current assignee: Beijing Institute of Aeronautical Materials China Aviation Industry No 1 Group Corp
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2004-11-10

Abstract

本发明涉及一种导电性碳、石墨纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热速成型及纤维增强的热塑性复合材料的自电阻加热焊接、或修补的方法。本发明充分利用碳纤维复合材料的自电阻，在压力机械上、下台面与预浸料之间分别安装绝缘层，绝缘层与预浸料之间加装电极，形成以预浸料为电阻的导电通道，成型、焊接、修补复合材料。本发明充分利用了复合材料自身电阻的热量，使其加工成型的加热是由里向外进行，极大地节省了能源，由于导电通道的最短距离通常就是复合材料层合板的厚度方向，使碳纤维材料在最短的时间内迅速加热，使其自身的能量得到充分的发挥，该方法操作简单，可以在很短的时间内，以非常低的功耗、制造成本和非常精确的控制，得到高质量的高性能树脂基复合材料。

Description

碳纤维增强复合材料的自电阻加热成型方法

技术领域：本发明涉及一种导电性碳、石墨纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热速成型及纤维增强的热塑性复合材料的自电阻加热焊接、或修补的方法。

背景技术：先进树脂基复合材料主要特征在于采用高性能纤维如碳纤维、石墨纤维等作为增强材料，得到高纤维体积分数(≥50％)的高性能树脂基复合材料。先进树脂基复合材料的成型方法主要集中在热压罐法、模压成型法、缠绕成型法、树脂传递模塑成型(RTM)等。用于树脂基体熔融、流动、浸润、充模、化学反应固化的能量均是来自外界环境，如：一般对模结构平板金属、闭合金属模具等，其加热方式一般采取传导、辐射、对流等方法，使预浸料由外向内传导加热成型。采用这些方法成型碳纤维树脂基复合材料使得能量浪费严重，况且成型周期长，导致制造成本居高不下。其次，复合材料存在由表及里的温度梯度分布，这使得伴有化学反应的热固性复合材料的成型控制比较困难。第三，对需要高温加工成型的高性能热塑性复合材料，其辅助材料及工装要求较高，价格昂贵。这在制备壁厚较大的复合材料制件时尤其突出。

发明内容：本发明的目的是，提供一种成型周期短、价格低廉并且适于制备壁厚较大的复合材料制件的碳纤维增强树脂基复合材料的方法。本发明的原理是利用导电碳纤维、石墨纤维的自电阻发热性质，而不依赖任何外部的热源，进行复合材料的成型、焊接或修补。其技术解决方案是，按照复合材料的一般成型工艺，将连续碳纤维复合材料的预浸料铺层，放入压力机械里，在压力机械上、下台面与预浸料之间分别安装绝缘层，在绝缘层与预浸料之间加装电极，形成以预浸料为电阻的导电通道。然后接通交流电源，调整电压，使电流值逐步达到预定数值，其中电流通量一般为0.02A/mm²，压力作用约3～5分钟。再按照复合材料的一般成型工艺，冷却，脱模，既可成型复合材料。在成型不同特殊形状的复合材料时，将预浸料铺入相应的金属模具中，在金属模具的上、下平面与压力机械台面之间加装绝缘层，金属模具的上、下平面做为电极与交流电源连接。

为防止过烧，可采用脉冲电源，脉冲电源的断开时间至少比接通时间长3-5倍。为平衡快速温度过程的热应力，可以采取预热或辅助外加热方法，包括烘箱预热、或是利用热压机等传统成型机械里的加热台面作为辅助热源等。即可以将自电阻发热作为主发热条件进行成型、焊接或修补，辅以适当的外加热；也可以将外加热作为主发热条件进行成型、焊接或修补，辅以适当的自电阻加热。通常辅助加热的热强度应该低于主发热条件的强度。

在自电阻发热作为主发热条件进行复合材料的焊接时，必须采用绝缘限位垫块来控制母材的变形在适当的范围内，限位块的厚度和几何尺寸可以根据具体焊接形式确定。为使焊接系统自电阻发热更加稳定，且控制变形更加方便，可以引入碳纤维增强预浸带中间层，并从导电预浸带引出电极，采用并联电源方式，分别与上下待焊接母材形成导电通路，提高焊接工艺的可靠性及工作稳定性。

本发明充分利用了复合材料自身电阻的电发热性质，使其加工成型的加热是由里向外进行，极大地节省了能源。由于导电通道的最短距离通常就是复合材料层合板的厚度方向，使碳纤维材料在最短的时间内迅速加热，自电阻发热数分钟后，既可完成复合材料的成型。该方法操作简单，可以在很短的时间内，以非常低的功耗、制造成本和非常精确的控制，得到高质量的高性能树脂基复合材料。利用这个方法，还可以对碳纤维增强热塑性复合材料进行自电阻加热焊接，或对小范围损伤的热塑性复合材料进行适当的修补。可以复合材料面-面之间的直接自电阻发热焊接，也可以在复合材料面-面之间夹入碳纤维条带进行自电阻发热焊接，其中，单向条带的方向不限。其次，导电回路可以设在复合材料面-面两极，也可以将夹入碳纤维条带作为辅助电极，还可以用相互平行、但相互绝缘的夹入碳纤维条带制成夹入式电极，仅仅通过夹入的碳纤维条带进行焊接。与现有的复合材料成型及连接技术相比，本发明具有高效快速，稳定可靠的优点，可以降低复合材料的制造成本，改善工作环境，提高能量的利用率，这是其它通用方法所无法比拟的。

附图说明：

图1为本发明的实施例1示意图；

图2为本发明时间-压力-自电阻发热温度-模具温度关系示意图；

图3为本发明实施例5示意图；

图4为本发明实施例7示意图；

图5为本发明实施例8示意图。

具体实施方式：

实施例1：5288/T700环氧树脂基复合材料的自电阻加热成型5288/T700预浸料按[0°]₁₆铺层，然后放入带绝缘边框的冷模具中(图1)，其上下表面分别贴合作为接触电极的铜箔，形成沿复合材料厚度方向的导电回路。预压实，测定接触电阻(一般仅几个至十几个欧姆)，参考热压罐法成型的温度参数，核算得到成型需要的电流和电压。

在压力下接通脉冲电源(24伏安全电压)，接通时间1秒，断开时间3-5秒，共5个脉冲，估计复合材料的成型温度200-250℃，然后保压冷却，得到合格的复合材料，其主要性能见表1。

表1.自电阻加热法制备的5288/T700树脂基复合材料的力学性能

5288/T700

弯曲强度，MPa 1450

弯曲模量，GPa 92.8

层间剪切强度，MPa 93.3

拉伸强度，MPa 2100

拉伸模量，GPa 125

纤维体分，vol％ 52

实施例2：双马来酰亚胺树脂(BMI)/3186碳纤维织物树脂基复合材料的自电阻加热成型

BMI/3186预浸料按准各向同性铺层，重复实施例1的过程，但按照双马来酰亚胺树脂的高温固化条件进行能量衡算，得到成型所需要的电流、电压等控制范围，并推算到成型工艺的基本参数，如温度、压力制度等。通过电流控制这些成型的温度和压力，成型过程持续45min，其中接通时间1秒，断开时间3-5秒，共5个脉冲，估计复合材料的成型温度250-300℃，然后保压冷却，得到合格的复合材料。

实施例3：热固性聚酰亚胺树脂(PI)/827碳纤维织物树脂基复合材料的自电阻加热成型

PI/827预浸料按[0°]₁₆铺层。重复实施例1的过程，但按照热固性聚酰亚胺树脂的特定固化条件进行能量衡算，得到成型所需要的电流、电压等控制范围，并推算到成型工艺的基本参数，如温度、压力制度等。通过电流控制这些温度和压力等，成型过程持续60min，其中接通时间2秒，断开时间6-10秒，共10个脉冲，估计复合材料的成型温度300-350℃，然后保压冷却，得到合格的复合材料。

特别注意的是，必须将整个装置放入真空箱，并在成型的全过程中保持真空度约为0.9左右。

实施例4：PEEK热塑性树脂/碳纤维复合材料的自电阻加热成型

将PEEK/T300碳纤维共编织的预浸料按[0°]₁₆铺层，重复实施例1的过程，但按照热固性聚酰亚胺树脂的特定固化条件进行能量衡算，得到成型所需要的电流、电压等控制范围，并推算到成型工艺的基本参数，如温度、压力制度等。通过电流控制这些温度和压力等，成型过程持续30min，其中接通时间2秒，断开时间6-10秒，共10个脉冲，估计复合材料的成型温度350-380℃，然后保压冷却，得到合格的复合材料。这个成型过程也在真空箱内完成，并在成型的全过程中保持真空度约为0.9左右。

实施例5：PEEK热塑性树脂基复合材料的自电阻复合加热焊接-1

将PEEK/T300碳纤维复合材料板材单面搭接，然后放入带绝缘边框的冷模具中(图3)，其上下表面分别贴合接触电极，形成仅仅在搭接面积上的沿复合材料厚度方向的导电回路。预压实，测定接触电阻(一般仅几个欧姆)，进行能量衡算，得到成型需要的电流、电压范围。

采用热压机预热至300℃，同时加压，根据实施例4并参照PEEK复合材料的热压罐法成型参数，接通电源(24伏安全电压)，控制系统的温度及压力在适当范围内，焊接过程持续1-3min，其中接通时间1秒，断开时间3-5秒，共5个脉冲，估计复合材料的成型温度350-380℃，然后保压冷却，得到的PEEK复合材料焊接接头。焊接接头强度约30MPa。

实施例6：PEEK热塑性树脂基复合材料的自电阻复合加热焊接-2

重复实施例5的过程，但在PEEK复合材料接头的搭接面积上，置入PEEK预浸料、或者PEK-C预浸料、或者PEI预浸料等，其条件是它们必须与PEEK材料之间具有可焊性质(即相容性质)。置入预浸料的方式可以使预浸料垂直、或平行、或与复合材料的轴向成一定角度。然后，按照实施例5的过程，通过电流控制温度和压力等，焊接过程持续1-3min，得到合格的复合材料。焊接接头强度大于30MPa。

实施例7：PEEK热塑性树脂基复合材料的自电阻复合加热焊接-3

重复实施例6的过程，但在置入的预浸料上引出辅助电极，使其分别与被焊接的上下面的复合材料构成电回路，从而更准确地控制回路的发热。然后，按照实施例5的过程，通过电流控制温度和压力等，焊接过程持续1-3min，得到合格的复合材料。焊接接头强度达30MPa。

实施例8：PEEK热塑性树脂基复合材料的自电阻复合加热焊接-4

参考实施例6和7的过程，但置入的预浸料为两条平行的导电预浸料，其相互之间电绝缘。在这两条导电线路上分别引出电极，当它们与上下复合材料面板预压后，使这两条平行的导电线路相互之间构成电回路，从而可以撤除上下表面的电回路。然后，按照实施例5的过程，通过电流控制温度和压力等，焊接过程持续1-3min，得到合格的复合材料。焊接接头强度大于30MPa。

实施例9：PEEK热塑性树脂/碳纤维复合材料的冲击后修补技术

PEEK/碳纤维复合材料在冲击后形成分层，当分层的面积还不太大，或还没有出现贯穿性分层破坏时，统称为“有限分层损伤”，根据超声波扫描(C-Scan)确定的分层位置，选择与其分层面积和形状基本适合的金属垫块，在压机上预压实这个分层。

测定接触电阻(一般仅几个至十几个欧姆)，再进行能量衡算，得到修补需要的电流、电压范围。视分层损伤的尺寸大小和散热条件，为防止过烧，建议采用脉冲电源，断开时间至少比接通时间长3-5倍。必要时，还可以采用热压机预热。同时，参考实施例5的基本参数如温度、压力制度等，接通电源(24伏安全电压)，控制系统的成型温度及压力在适当范围内，修补过程持续1-3min。然后保压冷却，得到的修补的复合材料。

视冲击损伤的程度，修补后的压缩强度约为初始复合材料压缩强度的70％-90％，比不修补的提高约20％-50％。

Claims

1.一种碳纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热成型方法，其特征是，1)按照复合材料的一般成型工艺，将连续碳纤维复合材料的预浸料铺层，放入压力机械里；2)在压力机械上、下台面与预浸料之间分别安装绝缘层，绝缘层与预浸料之间加装电极，形成以预浸料为电阻的导电通道；3)接通交流电源，调整电压使电流值逐步达到预定数值，其中电流通量一般为0.02A/mm²；4)操控压力机械作用约3～5分钟，使预浸料自加热；5)按照复合材料的一般成型工艺，冷却，脱模，既可成型、焊接或修补复合材料。

2.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热成型方法，其特征是，在成型不同特殊形状的复合材料时，将预浸料铺入相应的金属模具中，在金属模具的上、下平面与压力机械台面之间加装绝缘层，金属模具的上、下平面做为电极与交流电源连接。

3.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热成型方法，其特征是，为防止过烧，可采用脉冲电源，脉冲电源的断开时间至少比接通时间长3-5倍。

4.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热成型方法，其特征是，为平衡快速温度过程的热应力，可以采取预热或辅助外加热方法，包括烘箱预热、或是利用热压机等传统成型机械里的加热台面作为辅助热源等。

5.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热成型方法，其特征是，在复合材料的自电阻焊接实施过程中，通过增加辅助绝缘限位电块，保证焊接母材的变形在适当范围内。

6.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热成型方法，其特征是，在复合材料的自电阻焊接实施过程中，引入碳纤维增强预浸带中间层，并从导电预浸带引出电极，采用并联电源方式，分别与上下待焊接母材形成导电通路。

7.根据权利要求4所述的碳纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热成型方法，其特征是，即可以将自电阻发热作为主发热条件进行成型、焊接或修补，辅以适当的外加热；也可以将外加热作为主发热条件进行成型、焊接或修补，辅以适当的自电阻加热。

8.根据权利要求6所述的碳纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热成型方法，其特征是，焊接时，可以复合材料面-面之间的直接自电阻发热焊接，也可以在复合材料面-面之间夹入碳纤维条带进行自电阻发热焊接，其中，单向条带的方向不限。

9.根据权利要求6所述的碳纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热成型方法，其特征是，导电回路可以设在复合材料面-面两极，也可以将夹入碳纤维条带作为辅助电极，还可以用相互平行、但相互绝缘的夹入碳纤维条带制成夹入式电极，仅仅通过夹入的碳纤维条带进行焊接。