碳纖維增強復合材料的加工系統及其采用液體成型工藝的可控碳纖維自加熱方法
【專利摘要】本發明公開了一種碳纖維增強復合材料的加工系統及其采用液體成型工藝的可控碳纖維自加熱方法，加工系統包括真空袋封裝系統、正負箔電極、低壓調控器、程序控制溫度調控器、溫度傳感器。正負箔電極置于連續碳纖維的兩端，連續碳纖維置于真空袋中。通過低壓調控器實施對連續碳纖維提供熱量，該熱量受控于程序控制溫度調控器。本發明公開的液體成型工藝碳纖維快速自加熱方法可以實現碳纖維鋪層的快速加熱，為液體成型工藝以及其它碳纖維增強復合材料成型工藝提供了一種可程序控制的快速加熱方法，極大地縮短了復合材料成型過程中的加熱和冷卻時間，從而為碳纖維增強復合材料的快速成型提供了技術支撐。
【專利說明】碳纖維增強復合材料的加工系統及其采用液體成型工藝的可控碳纖維自加熱方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種纖維增強復合材料的成形裝置及方法，更特別地說，是指一種采用真空袋壓與加載電極的組合方法進行纖維增強復合材料的成形及其裝置，纖維織物在加載正負電極的條件下實現了纖維自加熱。
【背景技術】
[0002]2009年7月，化學工業出版社出版的《復合材料手冊》，益小蘇等主編。第314頁圖6.2-50介紹了真空袋壓法。真空袋壓法，此法是將手工鋪放好的未固化的制品，加蓋一層真空袋膜，制品處于真空袋膜和模具之間，密封周邊，抽真空使制品中的氣泡和揮發物排除。
[0003]先進復合材料中的固化是成型過程中材料性能轉化的關鍵階段，一般需要較高的固化溫度和較長的固化周期。傳統的加熱方法都是利用熱傳導的原理，由外部提供熱源，由外及里對纖維增強材料進行傳導加熱。這種加熱方法的不足在于:
[0004]一是，升溫速率低，到達目標溫度需要較長的升溫時間，增加了制造成本。
[0005]二是，傳導加熱會造成由外及內的溫度梯度，尤其對于厚截面復合材料，厚度方向上的溫度梯度更為明顯。這種厚度方向上的溫度不均，再加上樹脂基體的固化反應放熱，首先造成固化過程難以控制，其次極易導致固化不均勻，嚴重降低復合材料的成型質量，甚至成型失敗。
[0006]三是，能量利用率低，造成能量浪費。
[0007]因此，發展新的加熱技術，縮短加熱時間，提高能量利用率，對于縮短復合材料的成型周期，降低制造成本，進而推動先進復合材料的規模化應用，都具有重要意義。
[0008]在中國專利申請號200310113547.4，申請日2003年11月17日，發明名稱“碳纖維增強復合材料的自電阻加熱成型方法”。該專利申請中公開了一種導電性碳、石墨纖維增強樹脂基復合材料的自電阻加熱速成型及纖維增強的熱塑性復合材料的自電阻加熱焊接、或修補的方法。其技術解決方案是，按照復合材料的一般成型工藝，將連續碳纖維復合材料的預浸料鋪層，放入壓力機械里，在壓力機械上、下臺面與預浸料之間分別安裝絕緣層，在絕緣層與預浸料之間加裝電極，形成以預浸料為電阻的導電通道。然后接通交流電源，調整電壓，使電流值逐步達到預定數值，其中電流通量一般為0.02A/mm2，壓力作用約3?5分鐘。再按照復合材料的一般成型工藝，冷卻，脫模，既可成型復合材料。在成型不同特殊形狀的復合材料時，將預浸料鋪入相應的金屬模具中，在金屬模具的上、下平面與壓力機械臺面之間加裝絕緣層，金屬模具的上、下平面做為電極與交流電源連接。
【發明內容】
[0009]為了解決目前先進復合材料固化過程中存在的問題，本發明的目的之一是提供一種采用真空袋壓法與加載電極組合的制備纖維增強復合材料的加工系統，該系統是在真空袋壓模具中增加箔正負電極、樹脂灌注導管和抽真空導管，通過程序控制溫度調控器指導低壓調控器來進行纖維自加熱進行固化，纖維快速加熱，升溫速率可控，碳纖維增強復合材料成型過程簡單易操作。
[0010]本發明的目的之二是提出一種采用真空袋壓法與加載電極組合的碳纖維自加熱方法，該方法采用箔正負電極實現液體成形過程中纖維的快速自加熱，能夠縮短固化時間和冷卻時間。
[0011]本發明是一種采用液體成型工藝的可控碳纖維自加熱方法，其特征在于包括有下列步驟:
[0012]步驟一:導電性纖維織物剪裁準備；
[0013]導電性纖維織物可以是具有導電能力的碳基連續纖維織物；
[0014]步驟二:真空袋壓法用模具準備；
[0015]模具清理，將模具內表面清理平整，然后用分析純級丙酮清洗，待丙酮揮發后，得到表面平整潔凈的模具；
[0016]步驟三:真空灌注用樹脂原料配制；
[0017]在100重量份的樹脂主劑中加入0?20重量份的固化劑、0?20重量份的稀釋劑、0?3重量份的促進劑、0?4重量份的引發劑和0?10重量份的催化劑；然后在溫度為20?200°C條件下攪拌混合均勻，然后在真空壓力為0.05?0.09MPa下、抽真空處理10?60min后，得到真空灌注用樹脂原料；
[0018]樹脂主劑是熱固性樹脂或者是熱塑性樹脂；
[0019]熱固性樹脂可以是環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、氰酸酯樹脂等；熱塑性樹脂可以是聚氨酯、尼龍、環狀聚酯；
[0020]步驟四:纖維織物及正負箔電極鋪層；
[0021]在經步驟二處理后的模具上按照纖維織物鋪層方式進行鋪放纖維織物，并按照正負箔電極鋪放方式設置箔電極；
[0022]步驟五:邊抽真空邊灌注樹脂；
[0023]開啟真空泵，抽真空I?2min，然后放氣，重復抽真空放氣5?20次；
[0024]開啟樹脂原料灌注閥門，控制閥門流速；
[0025]在抽真空0.05?0.09MPa的條件下灌注樹脂；
[0026]步驟六:加載低電壓大電流進行自加熱纖維增強復合材料產品的制備；
[0027]開啟程序控制溫度調控器，低電壓調控器后，從所述低電壓調控器輸出的不超過50V的電壓且不超過300A的電流加載在正負箔電極上，通過連續纖維織物進行導電，達到纖維自加熱固化樹脂。
[0028]本發明的碳纖維增強復合材料的加工系統，該系統是在真空袋封裝模具(I)中進行連續纖維織物的鋪層，在鋪放纖維織物過程時，在連續纖維織物的兩端將正負箔電極(2)鋪上；然后在鋪好的纖維織物的一端放置樹脂導管(73)，另一端放置抽真空導管(71)；
[0029]為了測量纖維織物加熱的溫度，在鋪好的纖維織物中插入有溫度傳感器(3)，溫度傳感器(3 )與程序控制溫度調控器(5 )連接，程序控制溫度調控器(5 )根據溫度傳感器(3 )實時采集的實時溫度K $ w與設定溫度K㈣進行比較，當實時溫度K _高于設定溫度Kisffi時，輸出電壓信號Uin給低壓調控器(4)，使低壓調控器(4)停止對正負箔電極輸出功率；[0030]為了按照程序控制溫度調控器(5)設定的加熱溫度曲線進行低壓調控器(4)的輸出功率控制，在加工系統準備完成后，程序控制溫度調控器(5)先輸出起動電壓信號Din觸發低壓調控器(4)進入工作狀態。
[0031]本發明制備纖維增強復合材料的系統的優點在于:
[0032]①本發明系統通過在現有真空袋壓系統中增設溫度控制、低壓控制和加載電極，降低了制作纖維增強復合材料的成本，縮短了制作周期。
[0033]②樹脂在固化過程中與傳統烘箱相比，本發明是在常溫環境下進行加熱，同時在冷卻的過程中也是常溫下的自然冷卻，兩者的加工環境是不同的。
[0034]③通過調整加載低壓調控器的工作電壓來改變升溫速率，加熱的速率可以根據成型的需要進行調整。
[0035]④與傳統加熱方法相比，本發明方法具有采用低電壓加熱，操作安全，節能降耗等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1是本發明加工系統的結構示意圖。
[0037]圖1A是真空袋封裝模具的底板示意圖。
[0038]圖1B是本發明中抽真空導管的結構圖。
[0039]圖1C是本發明中樹脂導管的結構圖。
[0040]圖2是本發明在真空袋封裝模具上鋪放連續纖維織物、設置箔電極的第一種方式結構圖。
[0041]圖2A是本發明在真空袋封裝模具上鋪放連續纖維織物、設置箔電極的第二種方式結構圖。
[0042]圖2B是本發明在真空袋封裝模具上鋪放連續纖維織物、設置箔電極的第三種方式結構圖。
[0043]圖2C是本發明在真空袋封裝模具上鋪放連續纖維織物、設置箔電極的第四種方式結構圖。
[0044]圖3是本發明纖維織物的鋪放方式示意圖。
[0045]圖4是本發明程序控制溫度調控器中設置的加熱溫度曲線圖。
[0046]圖5是實施例1中在真空袋封裝模具上鋪放連續纖維織物、設置箔電極的結構圖。
[0047]圖6是實施例2中在真空袋封裝模具上鋪放連續纖維織物、設置箔電極的結構圖。
[0048]
【權利要求】
1.一種采用液體成型工藝的可控碳纖維自加熱方法，其特征在于包括有下列步驟: 步驟一:導電性纖維織物剪裁準備； 導電性纖維織物可以是具有導電能力的碳基連續纖維織物； 步驟二:真空袋壓法用模具準備； 模具清理，將模具內表面清理平整，然后用分析純級丙酮清洗，待丙酮揮發后，得到表面平整潔凈的模具； 步驟三:真空灌注用樹脂原料配制； 在100重量份的樹脂主劑中加入0~20重量份的固化劑、0~20重量份的稀釋劑、0~3重量份的促進劑、0~4重量份的引發劑和0~10重量份的催化劑；然后在溫度為20~200°C條件下攪拌混合均勻，然后在真空壓力為0.05~0.09MPa下、抽真空處理10~60min后，得到真空灌注用樹脂原料； 樹脂主劑是熱固性樹脂或者是熱塑性樹脂； 熱固性樹脂可以是環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、氰酸酯樹脂等；熱塑性樹脂可以是聚氨酯、尼龍、環狀聚酯； 步驟四:纖維織物及正負箔電極鋪層； 在經步驟二處理后的模 具上按照纖維織物鋪層方式進行鋪放纖維織物，并按照正負箔電極鋪放方式設置箔電極； 步驟五:邊抽真空邊灌注樹脂； 開啟真空泵，抽真空I~2min，然后放氣，重復抽真空放氣5~20次； 開啟樹脂原料灌注閥門，控制閥門流速； 在抽真空0.05~0.09MPa的條件下灌注樹脂； 步驟六:加載低電壓大電流進行自加熱纖維增強復合材料產品的制備； 開啟程序控制溫度調控器，低電壓調控器后，從所述低電壓調控器輸出的不超過50V的電壓且不超過300A的電流加載在正負箔電極上，通過連續纖維織物進行導電，達到纖維自加熱固化樹脂。
2.根據權利要求1所述的采用液體成型工藝的可控碳纖維自加熱方法，其特征在于:導電性纖維織物可以是碳纖維織物、石墨纖維織物、碳納米管纖維織物、以及混合纖維織物； 混合纖維織物可以是碳纖維占I~99%重量份的碳纖維與石墨纖維混合的纖維織物； 混合纖維織物可以是碳纖維占I~99%重量份的碳纖維與碳納米管纖維混合的纖維織物； 混合纖維織物可以是碳纖維占I~99%重量份的碳纖維與玻璃纖維混合的纖維織物。
3.根據權利要求1所述的采用液體成型工藝的可控碳纖維自加熱方法，其特征在于:加載在正負箔電極上的電壓和電流能夠使連續纖維產生的溫度為45°C~200°C。
4.根據權利要求1所述的采用液體成型工藝進行碳纖維增強復合材料的加工系統，其特征在于:該系統包括有真空袋封裝模具(I)、真空泵(8)、灌裝樹脂的容器(6)、程序控制溫度調控器(5)、低壓調控器(4)、溫度傳感器(3)、正負箔電極組(2)、抽真空導管(71)和樹脂導管(73); 抽真空導管(71)通過第一連接管(81)與真空泵(8)連接，且第一連接管(81)上設置有第二閥門(82)； 樹脂導管(73)通過第二連接管(61)與灌裝樹脂的容器(6)連接，且第二連接管(61)上設置有第一閥門(62); 溫度傳感器(3)與程序控制溫度調控器(5)連接，正負箔電極組(2)與低壓調控器(4)連接，程序控制溫度調控器(5)與低壓調控器(4)連接； 連續纖維織物鋪放在真空袋封裝模具(I)中。
5.根據權利要求4所述的采用液體成型工藝進行碳纖維增強復合材料的加工系統，其特征在于:該系統是在真空袋封裝模具(I)中進行連續纖維織物的鋪層，在鋪放纖維織物過程時，在連續纖維織物的兩端將正負箔電極(2)鋪上；然后在鋪好的纖維織物的一端放置樹脂導管(73)，另一端放置抽真空導管(71)； 為了測量纖維織物加熱的溫度，在鋪好的纖維織物中插入有溫度傳感器(3)，溫度傳感器(3 )與程序控制溫度調控器(5 )連接，程序控制溫度調控器(5 )根據溫度傳感器(3 )實時米集的頭時溫度K與設定溫度進彳丁比較，當頭時溫度K丨_聞于設定溫度時，輸出電壓信號Uin給低壓調控器(4)，使低壓調控器(4)停止對正負箔電極輸出功率； 為了按照程序控制溫度調控器(5)設定的加熱溫度曲線進行低壓調控器(4)的輸出功率控制，在加工系統準備完成后，程序控制溫度調控器(5)先輸出起動電壓信號Din觸發低壓調控器(4)進入工作狀態。
6.根據權利要求4所述的采用液體成型工藝進行碳纖維增強復合材料的加工系統，其特征在于:正負箔電極組相對鋪放在連續纖維織物的兩端，正負箔電極組鋪放的方式有同層鋪放和間隔鋪放。
7.根據權利要求4所述的采用液體成型工藝進行碳纖維增強復合材料的加工系統，其特征在于:正負箔電極組選用金箔電極、銀箔電極、銅箔電極、鋁箔電極以及網格的金、銀、銅、鋁電極；電極長記為A電極、寬記為B電極、高記為C電極，C4ft=0.lmm, A電極=IOB電極~20B電ft，等于BpsS制得的碳纖維增強復合材料的寬。
8.根據權利要求4所述的采用液體成型工藝進行碳纖維增強復合材料的加工系統，其特征在于:程序控制溫度調控器(5)—方面用于接收溫度傳感器(3)的實時溫度，另一方面將接收到的實時溫度K實時與設定溫度Kwtt比較，若1(_^ Kw值時，不輸出觸發信號Uin ；若，輸出觸發信號Uin給低壓調控器(4);所述的升溫速率包括第一段升溫速率和第二段升溫速率；第一段升溫速率為0.4~0.6°C /s，第二段升溫速率為0.3~0.5°C /s ;通過設定溫度Kwtt的升溫速率控制輸出的電壓和電流。
9.根據權利要求4所述的采用液體成型工藝進行碳纖維增強復合材料的加工系統，其特征在于:低壓調控器(4)輸出端的功率為電壓不超過50V且電流不超過300A。
10.根據權利要求4所述的采用液體成型工藝進行碳纖維增強復合材料的加工系統，其特征在于:所需正負箔電極(2)的根數與輔設纖維織物的層數相關；若纖維織物的層數記為n、所需正負箔電極(2)的根數記為D,則D = a Xn, a為電極加載系數,且a =0.3~
【文檔編號】B29C35/02GK103770341SQ201410018321
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月16日 優先權日:2014年1月16日
【發明者】李艷霞, 顧軼卓, 李敏, 張靠民, 王紹凱, 張佐光 申請人:北京航空航天大學