拉擠成型激光烘箱復合固化制備異形復合材料的制作方法

拉擠成型激光烘箱復合固化制備異形復合材料屬于一種復合材料制備方法。

背景技術：

以往的復合材料制備方法有多種，其中包括拉擠成型加溫固化法。

拉擠成型加溫固化法具有生產連續性好、自動化程度高和成本較低等優點。

一種加溫固化方法是利用埋設在拉擠成型模內的加熱元件，使復合材料溫度達到固化所需溫度實現固化。

這種固化方法存在能量利用率低、拉擠速度慢、生產效率低、拉擠模制造成本高且磨損快壽命短、固化后出拉擠成型模時復合材料易開裂等缺陷。

另一種加溫固化方法是利用在拉擠成型模后面設置一節或多節隧道窯作為加熱元件，使復合材料溫度達到固化所需溫度實現固化。

這種固化方法拉擠速度較快，生產效率較高，但存在能量利用率更低、生產線過長的問題，且易發生流膠和滴膠等缺陷。

已有的復合材料異形材的制備方法是：先把預浸帶纏繞在專門設計制造的定型支架上，再把定型支架送入烘箱，進行加溫固化。

這種方法存在的主要缺點有以下幾個：

第一，如果復合材料材尺寸大，則定型支架和烘箱的尺寸必須更大，對生產造成了較大的困擾。

第二，預浸帶往定型支架上纏繞的操作十分困難，效率極低，加溫定型完成之后的截斷操作工作量也很大，工人操作困難、勞動強度很大。

第三，加溫定型過程中由于定型支架的限制，烘箱填充率極低，能量利用率極低，產能極低，抬高了生產成本。

第四，定型支架的體積龐大、通用性差，復合材料異形材種類稍多時，多種定型支架的存儲、搬運即成為很大問題。

技術實現要素：

本發明目的在于提供一種保留現有拉擠成型法優點，用激光固化與烘箱定型固化相結合的復合材料異形材制備方法，以克服現有支架定型與烘箱加溫固化結合制備復合材料異形材的缺點。

激光投射到材料上，會產生一定的光熱轉化效應，這種光熱轉化效應會帶來材料表面和內部的溫度升高效應。

本發明用這種激光光熱轉化效應取代隧道窯的加溫作用，通過控制激光輸出器斷續輸出激光束的方法，對預浸帶進行分段固化，并按設計裁截，獲得一種復合材料異形材的多段復合材。

這種多段復合材的特點是每根上分為若干段，相鄰兩段的狀態相反：前一段已固化，則緊接著的后一段未固化，再接著的下一段已固化。

在特定方向激光照射下，材料由表面到內部的溫度變化取決于多種因素，包括投射深度χ、吸收系數α和散射系數S，如果入射激光光能量密度為I₀，則深度χ處得到的激光能量密度為：I=I_oexp(-(α+S)χ)。

越深處得到的激光光能越少，這種現象將導致激光照射方向上材料內部出現遞減溫度梯度，使厚度稍大的預浸料不同深度處難以同步獲得所需的固化溫度。

本發明的一個解決方案是從不同方向設計多束激光投向預浸料的同一段，利用多束激光在預浸料深處的累積效應來抵消單束激光的遞減溫度梯度，使厚度較大的預浸料不同深度同步獲得適當的固化溫度。

本發明的另一個解決方案是設計激光輸出器所輸出激光光斑的形狀，這樣就能在預浸料拉引速度一定的情況下，增加激光輸出器所輸出激光光斑的長度，來增加預浸料被激光照射的時間，從而增加了熱擴散時間，實現預浸料內部溫度的均勻化。

本發明的第三個解決方案是在構成預浸料的樹脂液中添加適當濃度的填料，以改變預浸料的吸收系數α和散射系數S，使得截面有效尺寸一定的預浸料在激光照射下內部出現預期的溫度梯度。

本發明的第四個解決方案是：根據預浸料中增強纖維束和樹脂液的材質不同，選擇不同波長的照射激光光源，以改變預浸料的吸收系數α和散射系數S，使得截面有效尺寸一定的預浸料在激光照射下內部出現預期的溫度梯度。

優化的是，本發明激光束的加熱功率能夠與拉引速度相匹配，保證了復合材料固化所需的最佳溫度。

更加優化的是，本發明增加激光輸出器所輸出激光光斑的長度，來增加預浸料被激光照射的時間，從而增加了熱擴散時間，實現預浸料內部溫度的均勻化。

更加優化的是，本發明在構成預浸料的樹脂液中添加適當濃度的填料，以改變預浸料的吸收系數α和散射系數S，使得截面有效尺寸一定的預浸料在激光照射下內部出現最佳的溫度梯度。

更加優化的是，本發明能夠在不同方向設計多束激光投向預浸料的同一段，利用多束激光在預浸料深處的累積效應來抵消單束激光的遞減溫度梯度，使厚度較大的預浸料不同深度同步獲得最佳的固化溫度。

更加優化的是，本發明能夠根據預浸料中增強纖維束和樹脂液的材質不同，選擇不同波長的照射激光光源，以改變預浸料的吸收系數α和散射系數S，使得截面有效尺寸一定的預浸料在激光照射下內部出現最佳的溫度梯度。

附圖說明

附圖1是本發明的單向激光照射方案實施過程示意圖。

附圖1中，1是拉引增強纖維束，2是樹脂液槽，3是樹脂液，4是預浸帶，5是收束模，6是激光輸出器，7是激光束，8是擋光板，9是激光固化段，10是拉引裝置，11是后續烘箱固化段，12是裁刀，13是拉引方向，L是激光光斑在拉引方向13上的長度。

附圖2是本發明的多向激光照射方案實施過程示意圖。

與圖1相比，附圖2中設置了多個激光輸出器6a，輸出多束激光束7a，設置多塊擋光板8a。

附圖3是本發明的多段復合材和多段復合材掛置于掛架的示意圖。

對圖1或圖2提供的方案制得的分段固化復合材料進行裁截，得到附圖3中的多段復合材，其上分成A、B和C三段，A和B為激光已固化段，C段為后續烘箱固化段，桂置于掛架14上之后，C段形成曲線或曲面，隨后在烘箱中C段固化成型。

拉引裝置12向著拉引方向13拉引，增強纖維束1被導入樹脂液槽2中并被樹脂液3浸潤形成預浸帶4，預浸帶4經收束模5導出。

隨后，預浸帶進入激光輸出器6發射的激光束7的照射區，在激光束7的加熱作用下達到最終成型所需的固化溫度。

在預先設置的控制之下，激光輸出器6發射的激光束7斷續輸出，形成激光固化段9和后續烘箱固化段11。

擋光板8能夠遮擋被預浸料透射和散射的激光，避免對環境造成污染。

裁刀12對圖1或圖2提供的方案制得的分段固化復合材料進行裁截，得到附圖3中的多段復合材，其上包含A、B和C三段，A和B為激光已固化段，C段為后續烘箱固化段，桂置于掛架14上之后，C段形成曲線或曲面。

多個掛架14上桂置大量的多段復合材，置于烘箱內達到最佳烘箱空間利用效果，加溫實現C段固化，最終制得復合材料異形材。

激光束7的加熱功率能夠與拉引速度相匹配，保證了復合材料固化所需的最佳溫度。

能夠通過增加激光輸出器6所輸出激光光斑的長度L，來增加預浸帶被激光照射的時間，從而增加了熱擴散時間，實現預浸帶內部溫度的均勻化。

在構成預浸帶的樹脂液中添加適當濃度的填料，以改變預浸料的吸收系數α和散射系數S，使得截面有效尺寸一定的預浸帶在激光束7照射下內部出現最佳的溫度梯度。

在不同方向設置多個激光輸出器6a，發射多束激光束7a投向預浸帶的同一段，利用多束激光束7a在預浸帶深處的激光累積效應來抵消單束激光束7在預浸帶內部的遞減溫度梯度，能夠使厚度更大的預浸帶不同深度同步獲得最佳的固化溫度。

根據預浸帶中增強纖維束和樹脂液的材質不同，能夠選擇不同波長的照射激光光源，以改變預浸帶的吸收系數α和散射系數S，使得截面有效尺寸一定的預浸帶在激光束7（或7a）照射下內部出現最佳的溫度梯度。