TWI531465B - Fabrication method of low warpage deformation composite plate - Google Patents

Description

低翹曲變形複合材料板製造方法

本發明係關於一種複合材料板製造方法，特別是關於一種低翹曲變形複合材料板之製造方法。

近年來，由於科技的進步，材料品質的要求越來越嚴格，傳統材料在某些特性上已不符合要求，因此，質量輕、強度高、彈性好等複合材料應運而生；複合材料是由兩種以上的材質組合而成，是由基材及補強材料所構成，一般而言，基材是材料組成連續的材質，而補強材料則為其中不連續的材質，通常補強材料具有優異的機械強度，使得複合材料性質並不同於其構成的任一材料，而是呈現新的材料性質。

複合材料中的高分子複合材料係以高分子塑膠為基材，纖維為補強材料，其中纖維可以不同的形式均勻散佈在高分子塑膠中，增加材料的強度，而高分子塑膠必須歷經一熟化製程，方能使高分子塑膠完全固化，並且使膠體的機械性質能夠更加良好，達到穩定狀態增加產品可靠度，但因複合材料中各材料熱膨脹係數不同、或是熟化度不均勻等，將造成複合材料產生翹曲變形。

在機械產業上，機械加工需要經常性於機上以量具檢驗工件尺寸，以確保下機床後檢驗合格，其中最常使用的量具包含游標卡尺與分釐卡，而加工大型工件時則需使用對應長度的大型量具；傳統量具以鋼材製造，以游標卡尺為例，當游標卡尺之長度超過一公尺時，該量具具有相當重量，因此相當不易操作，而纖維複合材料之比重僅為鋼材的1/5，因此製造出的複合材料之游標卡尺可以減重超過鋼材游標卡尺50%的重量。

然而，除了複合材料中各材料熱膨脹係數不同所造成的翹曲變形外，複合材料平板成型加溫過程中，模具也會因熱膨脹而變長，而成型後模具冷卻縮回原來長度的過程中，模具與複合材料平板之間的摩擦力也會造成複合材料平板與模具接觸的一面遭受到壓力，導致複合材料平板成型後翹曲變形，複合材料平板越長，成型後翹曲變形也越嚴重；一般在製造複合材料平板，實際測量翹曲程度每米達到1mm左右，必須不斷重複後加工如研磨及檢驗等程序，但研磨加工過程中會造成纖維變形，而經大量研磨纖維損傷更嚴重，造成性能降低，而為補償性能折損，又不得不要求高纖維體積含量並採用昂貴之高模數纖維，此又增添加工與研磨之困難度，致成本無法下降。

所以目前業界極需發展出一種低翹曲變形複合材料板之製造方法，可以應用於大型量具的製作上，以製備 出重量輕、高強度、高平整度之複合材料大型量具。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種低翹曲變形複合材料板製造方法，整合一含有纖維之補強材料、一熱固性樹脂、一三階段加熱程序等，以製備出可應用於大型量具的製作上，以製備出重量輕、高強度、高平整度之複合材料大型量具。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種低翹曲變形複合材料板製造方法，其包括：將含有纖維之補強材料與熱固性樹脂混合以形成一混合物；對該混合物進行第一階段熱壓，使該混合物達到約5成熟化度；對該混合物進行第二階段加熱，使該混合物達到約7成熟化度，其中該第二階段加熱溫度高於該第一階段加熱溫度且略低於該熱固性樹脂之固化溫度；對該混合物進行第三階段加熱，使該混合物達到9.5成以上之熟化度，其中該第三階加熱溫度高於該熱固性樹脂之固化溫度。

上述低翹曲變形複合材料板製造方法中，熱固性樹脂係可選自酚樹脂、環氧樹脂、聚醯亞胺、氰酸酯其中之一或其混合。

該低翹曲變形複合材料板製造方法中，該混合物係為該含有纖維之補強材料與該熱固性樹脂混合而成一預浸材；預浸材為纖維與樹脂的混合物，一般是將樹脂均勻塗抹 包附在纖維上，因為樹脂具有黏性，因此在加熱使樹脂固化前，該預浸材為半固化之狀態。

複合材料(預浸材型式)在成型加溫過程中，模具也會因熱膨脹而變長，而成型後模具冷卻縮回原來長度的過程中，模具與複合材料之間因膨脹係數的不同，在模具與複合材料間將產生一摩擦力，此摩擦力將會造成複合材料與模具接觸的一面遭受到壓力，導致複合材料成型後翹曲變形，因此本發明低翹曲變形複合材料板製造方法中，該混合物與該模具間具有至少一層低摩擦離形層(release layer)，以降低該摩擦力。

本發明中複合材料板製造方法，可以採用模壓成型、熱壓機成型、壓力釜機成型、樹脂轉注成型法、手積成型法等方法，將該預浸材製成所需的形狀。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之另一方案，提供一種低翹曲變形複合材料板製造方法，其包括：將含有纖維之補強材料(例如T700S單方向碳纖維，但不以此為限)與熱固性樹脂(例如250℉級環氧樹脂，但不以此為限)混合以形成一預浸材；將該預浸材置放於一模具內，並對該預浸材進行第一階段熱壓，使該預浸材塑形成一複合材料板並達到約5成熟化度，其中該預浸材與該模具間至少具有一層低摩擦離形層；對該複合材料板進行第二階段加熱，使該複合材料板達到約7成熟化度，其中該第二階段加熱溫度高於該 第一階段加熱溫度且略低於該熱固性樹脂之固化溫度；對該複合材料板進行第三階段加熱，使該複合材料板達到約9.5成以上之熟化度，其中該第三階加熱溫度高於該熱固性樹脂之固化溫度；其中，該熱固性樹脂初熟化溫度約在80℃，固化溫度約為120-130℃。

根據本發明所提出之另一方案中，該第一階段加熱係以80-85℃溫度進行加熱，此加熱溫度範圍之決定係根據熱固性樹脂初始熟化之溫度；該第二階段加熱係以110-120℃之溫度範圍內進行加熱；該第二階段加熱係以130℃以上之溫度進行加熱。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之另一方案，提供一種低翹曲變形複合材料板製造方法，其包括：將含有纖維之補強材料(例如T700S單方向碳纖維，但不以此為限)與熱固性樹脂(例如350℉級環氧樹脂，但不以此為限)混合以形成一預浸材；將該預浸材置放於一模具內，並對該預浸材進行第一階段熱壓，第一階段熱壓係以溫度範圍在120℃之溫度進行熱壓使該預浸材塑形成一複合材料板並達到約5成熟化度，其中該預浸材與該模具間至少具有一層低摩擦離形層；對該複合材料板進行第二階段加熱，第二階段加熱係以180-190℃之溫度範圍內進行加熱使該複合材料板達到約7成熟化度，其中該第二階加熱溫度高於該第一階段加熱溫度且略低於該熱固性樹脂之固化溫度；對該複合材料板進行第三 階段加熱，第三階段加熱係以至少200℃以上之溫度進行加熱使該複合材料板達到約9.5成以上之熟化度，其中該第三階加熱溫度高於該熱固性樹脂之固化溫度；其中，該熱固性樹脂初熟化溫度約在120℃，固化溫度約為190-200℃。

上述本發明所提出之每一方案中的低翹曲變形複合材料板製造方法，皆可製備出翹曲度低於每公尺變形量0.1mm以內高平面度之低翹曲變形複合材料板。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

S11-S17‧‧‧步驟

21、51‧‧‧複合材料板

41‧‧‧壓力線

I‧‧‧第一階段加熱程序

II‧‧‧第二階段加熱程序

52‧‧‧墊片

53‧‧‧模具

第一圖係為本發明一種低翹曲變形複合材料製造方法之流程圖；第二圖係為本發明一種複合材料板之示意圖；第三A圖係為本發明一種複合材料板之預浸材未加熱前DSC熱分析之示意圖；第三B圖係為本發明一種複合材料板之預浸材加熱後DSC熱分析之示意圖；第四圖係為本發明一種複合材料板之第一、第二階段加熱程序之示意圖；第五圖係為本發明一種複合材料板第三階段加熱模壓之示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

請參閱第一圖所示，為本發明一種低翹曲變形複合材料製造方法之流程圖。如圖所示，本發明提供一種低翹曲變形複合材料製造方法，包括：模具準備(S11)，本發明可以採用熱壓機、壓力釜熱壓成型、或室溫模壓成型、或樹脂轉注成型法、手積成型法等將複合材料完成塑形，因此，針對不同方法採用不同模具；低摩擦離形層之確認(S12)，本發明為避免複合材料成型後因模具冷卻縮回原來長度的過程中，模具與複合材料之間的摩擦力造成複合材料與模具接觸的一面受壓力，導致複合材料成型後彎曲變形，故可在模具內緣塗上silicon層(但不以此為限)、或置放鐵氟龍膜於模具與複合材料之間(但不以此為限)，以降低模具與複合材料之間的摩擦力；材料準備(S13)，例如可將碳纖維與環氧樹脂製成一預浸材；進行第一階段加熱(S14)，可利用熱壓機、壓力釜對該複合材料預浸材進行熱壓成型，或利用樹脂轉注成型法、手積成型法對該複合材料預浸材進行第一階段加熱(S14)，使該複合材料進行第一階段塑型並達到至少5成的熟化度，其中，該熟化度(degree of cure)係以轉化率(conversion rate)表示，可由光譜分析法、化學分析法、動態機械分析法(DMA、TMA)及微差掃描熱卡計DSC(differential scanning calorimeter)熱分析法，或是利用市面上販售的熟化度測量機台，皆可測量出該複合材料的熟化度，其中，微差掃描熱卡計DSC(differential scanning calorimeter)熱分析可以下列式計算熟化度，： △H _O 為未加熱之樹脂剛進行完全熟化時所放出的總熱量( ^J / _g )，△H _R 是熟化後剩餘反應熱( ^J / _g )；接著進行第二階段加熱(S15)，上述第一階段熱壓程序完成後，該複合材料已完成基本形狀的塑造，並將多餘的膠材排出，因此第二階段熱壓程序可使用第一階段使用的模具、機台繼續加熱，或是只需利用一般模具成型的機台進行第二階段加熱程序即可，該第二階段加熱溫度高於該第一階段加熱溫度且略低於該熱固性樹脂之固化溫度，其中，對該複合材料進行第二階段熱壓(S15)，使該複合材料達到至少7成的熟化度(熟化度計算如上公式所述)；接著進行第三階段加熱(S16)，第三階段加熱程序可使用第一階段使用的模具、機台繼續加熱，或是只需利用一般模具成型的機台進行第三階段加熱程序即可，在加熱前，該第三階加熱溫度高於該熱固性樹脂之固化溫度，其中，對該複合材料進行第三階段加熱(16)，使該複合材料達到9成5以上 的熟化度(熟化度計算如上所述)。

實施例一

請參閱第二圖所示，為本發明一種複合材料板之示意圖。如圖所示，本實施例將製作長150公分，寬3公分，厚1.2公分之游標卡尺本體，其要求為平面度每米0.1毫米以內的低翹曲變形複合材料板；本實施例採用T700S單方向碳纖維加250℉級環氧樹脂所製成之預浸材，其玻璃轉移溫度(Tg)約為110-120℃，固化溫度約為120-130℃，單層成型厚度約0.125毫米。請參閱第三A圖所示，為本發明一種複合材料板之預浸材未加熱前DSC熱分析之示意圖、請參閱第三B圖所示，為本發明一種複合材料板之預浸材加熱後DSC熱分析之示意圖，如第三A圖所示，該T700S單方向碳纖維加250℉級環氧樹脂所製成之預浸材未加熱過時，由其DSC熱分析可知(第三A圖)，其總熱量(△H _O )為111.0 ^J / _g 。而如第三B圖所示，該T700S單方向碳纖維加250℉級環氧樹脂所製成之預浸材加熱約8小時後，由其DSC熱分析可知(第三B圖)，其熟化後剩餘反應熱(△H _R )為38.64 ^J / _g ，所以其熟化程度兩者以上 述公式計算為(α為熟化度)，換 言之，該預浸料經過8小時之加熱後，其熟化度就已達65.19%之熟化程度。

請參閱第四圖所示，為本發明一種複合材料板之 第一、第二階段加熱程序之示意圖。本實施例具體製程步驟如下：步驟(1)剪裁長150公分，寬3公分之T700S單方向碳纖維加250℉級環氧樹脂所製成之預浸材96層，重疊置於已舖2層鐵氟龍離形膜(低摩擦離形層)之模具下模中，於該浸材之積層材料上再舖2層鐵氟龍離型膜(低摩擦離形層)，然後將模具上模與下模合模，啟動熱壓機稍微施以壓力將該預浸材預壓；步驟(2)將模具溫度升至80-85℃(本實施例用約85℃即發生初步熟化反應之樹脂或硬化劑系統，因此第一階段加熱溫度為80-85℃，但本發明不受此限制，如使用更低溫甚至室溫即可發生初步熟化反應之樹脂/硬化劑系統，第一階段加熱溫度隨該材料特性改變)，該預浸材加熱約30分鐘後，以熱壓機對該預浸材施加壓力維持模具合模，於相同溫度、壓力(如一大氣壓，但不以此為限)下再維持8小時(如第四圖)，此為第一階段熱壓成型，由於時間越長，熟化程度越高，故此階段成型時間可視需要拉長，對於減少成品翹曲度有很大幫助；步驟(3)將模溫升至120℃(維持一大氣壓)，保持2小時後降溫至室溫，脫模取出，此為第二階段(如第四圖)，此階段複材平板之固化溫度約120-130℃，經量測平面度約0.1-0.2mm，此翹曲來源包括模具初始平面度誤差、熱收縮挫曲、摩擦力及模具不同位置升降溫速率差異之綜合影響，將藉由第三階段加熱進一步整平；請參閱第五圖所示，為本發明一種複合材料板第三階段加熱模壓之示意圖，如圖所示，步驟(4)將複合 材料板置回模具(53)，視複合材料材板(51)翹曲狀況可用墊片微調整模面高低差(但不以此為限，本實施例可不微調整模面高低差用)，合模後緩慢升溫至130℃，持溫2小時後降回室溫，脫模取出整平後之複材平板，本實施例複合材料板成品經3D量床檢測，平面度可達到0.1mm/m以內，若平面度無法達到0.1mm/m以內，則重新調整墊片(52)位置，重覆步驟(4)，使複合材料板(51)之平面度達到0.1mm/m以內。

實施例二

本實施例具體製程步驟如下：步驟(1)剪裁長150公分，寬3公分之T700S單方向碳纖維加350℉級環氧樹脂(固化溫度約為190-200℃)所製成之預浸材96層，重疊置於已舖2層鐵氟龍離形膜(低摩擦離形層)之模具下模中，於該浸材之積層材料上再舖2層鐵氟龍離型膜(低摩擦離形層)，然後將模具上模與下模合模，啟動熱壓機稍微施以壓力將該預浸材預壓；步驟(2)將模具溫度升至120℃(本實施例用約120℃即發生初步熟化反應之樹脂或硬化劑系統，因此第一階段加熱溫度為120℃，但本發明不受此限制，如使用更低溫甚至室溫即可發生初步熟化反應之樹脂/硬化劑系統，第一階段加熱溫度隨該材料特性改變)，該預浸材加熱約30分鐘後，以熱壓機對該預浸材施加壓力維持模具合模，於相同溫度、壓力(如一大氣壓，但不以此為限)下再維持8小時，此為第一階段熱壓成型，由於時間越長，熟化程度越高，故此階段成型時間可視需要拉長， 對於減少成品翹曲度有很大幫助；步驟(3)將模溫升至180℃(維持一大氣壓)，保持2小時後降溫至室溫，脫模取出，此為第二階段，此複材平板之固化溫度約190-200℃，經量測平面度約0.1-0.2mm，此翹曲來源包括模具初始平面度誤差、熱收縮挫曲、摩擦力及模具不同位置升降溫速率差異之綜合影響，將藉由第三階段加熱進一步整平；步驟(4)將複合材料板置回模具(53)，視複合材料材板(51)翹曲狀況用墊片微調整模面高低差(但不以此為限，本實施例可不微調整模面高低差用)，合模後緩慢升溫至200℃，持溫2小時後降回室溫，脫模取出整平後之複材平板，本實施例複合材料板成品經3D量床檢測，平面度可達到0.1mm/m以內，若平面度無法達到0.1mm/m以內，則重新調整墊片(52)位置，重覆步驟(4)，使複合材料板(51)之平面度達到0.1mm/m以內。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

S11-S17‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種低翹曲變形複合材料板製造方法，包括：將含有纖維之補強材料與熱固性樹脂混合以形成一混合物；對該混合物進行第一階段熱壓，使該混合物達到約5成熟化度；對該混合物進行第二階段加熱，使該混合物達到約7成熟化度，其中該第二階段加熱溫度高於該第一階段加熱溫度且略低於該熱固性樹脂之固化溫度；對該混合物進行第三階段加熱，使該混合物達到約9.5成以上之熟化度，其中該第三階加熱溫度高於該熱固性樹脂之固化溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低翹曲變形複合材料板製造方法，其中，該熱固性樹脂係選自酚樹脂、環氧樹脂、聚醯亞胺、氰酸酯其中之一或其混合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之低翹曲變形複合材料板製造方法，其中，該混合物係為該含有纖維之補強材料與該熱固性樹脂混合而成一預浸材。
4. 如申請專利範圍第3項所述之低翹曲變形複合材料板製造方法，其中，該混合物與該模具間具有至少一層低摩擦離形層。
5. 一種低翹曲變形複合材料板製造方法，包括： 將含有纖維之補強材料與熱固性樹脂混合以形成一預浸材；將該預浸材置放於一模具內，並對該預浸材進行第一階段熱壓，使該預浸材塑形成一複合材料板並達到約5成熟化度，其中該預浸材與該模具間至少具有一層低摩擦離形層；對該複合材料板進行第二階段加熱，使該複合材料板達到約7成熟化度，其中該第二階段加熱溫度高於該第一階段加熱溫度且略低於該熱固性樹脂之固化溫度；對該複合材料板進行第三階段加熱，使該複合材料板達到約9.5成以上之熟化度，其中該第三階加熱溫度高於該熱固性樹脂之固化溫度；其中，該熱固性樹脂初熟化溫度約在80℃，固化溫度約為120-130℃。
6. 如申請專利範圍第5項所述之低翹曲變形複合材料板製造方法，其中，該第一階段加熱係以溫度範圍在80-85℃之溫度進行加熱。
7. 如申請專利範圍第5項所述之低翹曲變形複合材料板製造方法，其中，該第二階段加熱係以溫度範圍在110-120℃之溫度進行加熱。
8. 如申請專利範圍第5項所述之低翹曲變形複合材料板製造方法，其中，該第三階段加熱係以130℃以上之溫度進行加熱。
9. 一種低翹曲變形複合材料板製造方法，包括：將含有纖維之補強材料與熱固性樹脂混合以形成一預浸材；將該預浸材置放於一模具內，並對該預浸材進行第一階段熱壓，第一階段熱壓係以溫度範圍在120℃之溫度進行熱壓使該預浸材塑形成一複合材料板並達到約5成熟化度，其中該預浸材與該模具間至少具有一層低摩擦離形層；對該複合材料板進行第二階段加熱，第二階段加熱係以約180℃之溫度進行加熱使該複合材料板達到約7成熟化度，其中該第二階段加熱溫度高於該第一階段加熱溫度且略低於該熱固性樹脂之固化溫度；對該複合材料板進行第三階段加熱，第三階段加熱係以約200℃之溫度進行加熱使該複合材料板達到約9.5成以上之熟化度，其中該第三階加熱溫度高於該熱固性樹脂之固化溫度；其中，該熱固性樹脂初熟化溫度約在120℃，固化溫度約為190-200℃。
10. 如申請專利範圍第9項所述之低翹曲變形複合材料板製造方法，其中，該低翹曲變形複合材料板製造方法製備出每 公尺變形量0.1mm以內高平面度之低翹曲變形複合材料板。