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CN107471679A - 碳纤维复合材料制造方法 - Google Patents

碳纤维复合材料制造方法 Download PDF

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CN107471679A
CN107471679A CN201710671319.0A CN201710671319A CN107471679A CN 107471679 A CN107471679 A CN 107471679A CN 201710671319 A CN201710671319 A CN 201710671319A CN 107471679 A CN107471679 A CN 107471679A
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Abstract

一种碳纤维复合材料制造方法，包括如下步骤：将定型剂施放在碳纤维织物上，定型剂中掺杂有可电磁感应纳米粒子；通过电磁加热方式使定型剂和碳纤维织物升温，并使定型剂和碳纤维织物相粘接；将粘接好的定型剂和碳纤维织物进行裁剪和叠层操作，采用电磁加热方式进行预热，再放入至预成型模具内进行压制定型操作，得到预成形体；将预成形体放入至成型模具内进行合模加压操作，通过电磁加热方式将预成形体和成型模具升温至预设注射温度；将树脂注射至成型模具内，通过电磁加热方式将预成形体和成型模具升温至预设固化温度；固化成型冷却后脱模得到碳纤维复合材料，能够使得加热升温速度较快，制品制造效率高，能耗和制造成本较低。

Description

碳纤维复合材料制造方法
技术领域
本发明涉及一种材料技术领域，特别是涉及一种碳纤维复合材料制造方法。
背景技术
高性能碳纤维复合材料具有比强度、比模量高，耐腐蚀等优异的综合性能，已广泛应用于航空航天、舰船、兵器和体育用品等领域。目前碳纤维复合材料逐渐由航空航天等高端市场逐渐向风电、汽车等工业领域发展。特别是在汽车领域，随着节能环保的要求越来越高，汽车轻量化的要求从赛车延伸到普通汽车和大型客车等领域，降低汽车重量可降低油耗，减少废气排放量，对于新能源汽车而言，可有效提高行驶里程。实现汽车轻量化，主要最主要的措施就是大量采用高性能碳纤维复合材料等轻量化材料。碳纤维复合材料代替钢材，可实现40％～60％的减重效果，效益非常显著。
当前，世界主要碳纤维复合材料厂商均有采用碳纤维复合材料实现汽车轻量化的计划。传统复合材料采用真空导入、热压罐、模压或传统RTM(Resin transfer molding，树脂传递模成形)成型，固化成型周期动辄几个小时，难以满足工业领域批量化生产要求。近年来，适合快速成型的HP-RTM(高压Resin transfer molding，高压树脂传递模成形)工艺和具有快速固化功能的环氧树脂体系相继开发成功，树脂体系最快固化时间仅为60s。然而复合材料的成型周期不仅与树脂固化时间有关，还取决于工艺过程中各环节之间的配合。
由于复合材料成型工艺和产品质量要求，高性能复合材料制品生产过程中需要持续的重复升温和降温过程。传统复合材料成型模具常用的加热方式主要有电热管、油温或烘箱加热等方式，模具升温后通过热量传递给模腔内材料固化成型。
传统加热方式主要存在以下问题：加热升温速度慢，导致复合材料成型周期较长；加热效率低，能耗高，导致复合材料制造成本高。
发明内容
基于此，有必要提供一种加热升温速度较快，以及加热效率较高，能耗较低的碳纤维复合材料制造方法。
一种碳纤维复合材料制造方法，包括以下步骤：
将定型剂施放在碳纤维织物上，其中，所述定型剂中掺杂有可电磁感应纳米粒子；
通过电磁加热方式使所述定型剂和所述碳纤维织物升温，并使所述定型剂和所述碳纤维织物相粘接；
将粘接好的所述定型剂和所述碳纤维织物进行裁剪和叠层操作，采用电磁加热方式进行预热，再放入至预成型模具内进行压制定型操作，得到预成形体；
将所述预成形体放入至成型模具的成型腔内进行合模加压操作，通过电磁加热方式将所述预成形体和所述成型模具升温至预设注射温度；
将树脂从所述成型模具的注胶口注射至所述成型模具的成型腔内，通过电磁加热方式将所述预成形体和所述成型模具升温至预设固化温度，保温保压进行固化操作；
进行冷却操作后，得到碳纤维复合材料。
在其中一个实施例中，所述可电磁感应纳米粒子为铁氧体、铁镍合金、FeAlSi粉和羧基铁粉中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述碳纤维织物为单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹编织布和多轴向编织物中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述定型剂的施放方式为涂覆、喷洒液体或撒粉。
在其中一个实施例中，所述电磁加热方式的加热频率为50Hz～15MHz。
在其中一个实施例中，所述树脂聚氨酯树脂、环氧树脂和己内酰胺树脂中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述树脂内还含有脱模剂。
在其中一个实施例中，所述树脂的注射流量为0.1L/min～6L/min。
在其中一个实施例中，采用HP-RTM注射机对所述树脂进行注射操作。
在其中一个实施例中，所述可电磁感应纳米粒子的粒径为20nm～500nm。
上述碳纤维复合材料制造方法的各环节的加热方式均采用电磁加热方式，具有升温速度快、均匀性好、效率高，能耗低等优点。且掺杂，所述可电磁感应纳米粒子的定型剂在碳纤维织物内部形成导磁或导电通路，可通过电磁感应效应直接加热碳纤维织物，进一步提高加热效率和均匀性，可有效缩短复合材料成型周期，降低制造成本。此外，掺杂的所述可电磁感应纳米粒子均匀分散在复合材料树脂基体中，可提高复合材料的抗冲击韧性，尤其适用于HP-RTM工艺的高性能复合材料快速低成本批量化生产要求。
附图说明
图1为本发明一实施方式的碳纤维复合材料制造方法的流程图；
图2为本发明一实施方式的定型剂的施放工艺流程图；
图3为本发明一实施方式的预成形体的工艺流程图；
图4为本发明一实施方式的成型模具的结构示意图；
图5为本发明一实施方式的碳纤维复合材料制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
例如，一实施方式的碳纤维复合材料制造方法包括如下步骤：将定型剂施放在碳纤维织物上，其中，所述定型剂中掺杂有可电磁感应纳米粒子；通过电磁加热方式使所述定型剂和所述碳纤维织物升温，并使所述定型剂和所述碳纤维织物相粘接；将粘接好的所述定型剂和所述碳纤维织物进行裁剪和叠层操作，采用电磁加热方式进行预热，再放入至预成型模具内进行压制定型操作，得到预成形体；将所述预成形体放入至成型模具的成型腔内进行合模加压操作，通过电磁加热方式将所述预成形体和所述成型模具升温至预设注射温度；将树脂从所述成型模具的注胶口注射至所述成型模具的成型腔内，通过电磁加热方式将所述预成形体和所述成型模具升温至预设固化温度，保温保压进行固化操作；进行冷却操作后，得到碳纤维复合材料。
请参阅图1，一实施方式的上述碳纤维复合材料制造方法包括如下步骤：
S110：将定型剂施放在碳纤维织物上，其中，所述定型剂中掺杂有可电磁感应纳米粒子。
请参阅图2，通过将所述定型剂直接施放在碳纤维织物上，所述定型剂中掺杂的可电磁感应纳米粒子在电磁波的作用下，发生电磁感应效应，即可电磁感应纳米粒子会在电磁波的作用下发热。
一实施方式中，所述可电磁感应纳米粒子为导磁或导电纳米粒子，所述可电磁感应纳米粒子铁氧体、铁镍合金、FeAlSi粉和羧基铁粉中的至少一种，上述可电磁感应纳米粒子能够在电磁波的作用力，发生电磁感应效应，进而发热；又如，所述碳纤维织物为单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹编织布和多轴向编织物中的至少一种，这样，上述碳纤维织物作为复合材料整体结构的支撑骨架，能够起到增强整体结构机械强度的效果；又如，所述定型剂的施放方式为涂覆、喷洒液体或撒粉；又如，所述可电磁感应纳米粒子的粒径为20nm～500nm，这样，能够使得所述可电磁感应纳米粒子更均匀地分散在所述定型剂上，在电磁加热时，发热更加均匀，温度控制也更加精确；又如，所述定型剂为尼龙、聚醚醚酮、聚苯硫醚、环氧树脂、酚醛、聚酰亚胺和双马树脂中的至少一种，这样，能够使得所述碳纤维织物更好地实现定型效果。
S120：通过电磁加热方式使所述定型剂和所述碳纤维织物升温，并使所述定型剂和所述碳纤维织物相粘接。
由于所述定型剂内中掺杂有可电磁感应纳米粒子，所述可电磁感应纳米粒子能够在电磁波的作用下发热，进而对所述定型剂进行加热，在此需要强调的是，由于所述可电磁感应纳米粒子是均匀分散在所述定型剂内的，其对所述定型剂的加热效果是均匀且全方面地，即所述定型剂整体结构都同时在加热，相对于传统油热、电热管加热或烘箱加热等由外到内的加热方式，所述步骤S120的加热效果更好，加热效率更快，加热升温速度更快，加热周期更短，有利于缩短复合材料整体制造工艺的周期。
需要说明的是，通过电磁加热方式使所述定型剂和所述碳纤维织物升温，并使所述定型剂和所述碳纤维织物相粘接，但需要确保所述定型剂不浸入至所述碳纤维织物内，若采用传统加热方式，则较难实现上述效果，而只有采用所述步骤S120，才能够实现所述定型剂的由内向外的热传递方式，才能够要确保所述定型剂不浸入至所述碳纤维织物内。
S130：将粘接好的所述定型剂和所述碳纤维织物进行裁剪和叠层操作，采用电磁加热方式进行预热，再放入至预成型模具内进行压制定型操作，得到预成形体。
请参阅图3，在步骤S130中，所述定型剂和所述碳纤维织物是粘接在一起的，类似于片状或板状结构，此时，需要将粘接好的所述定型剂和所述碳纤维织物进行裁剪，以符合预设成型要求，能够更好地放入至所述预成型模具内，之后，再将裁剪好的多片粘接好的所述定型剂和所述碳纤维织物进行层叠铺层，之后，再将层叠好的多片所述定型剂和所述碳纤维织物放入至预成型模具内进行压制定型，以得到预成形体。
S140：将所述预成形体放入至成型模具的成型腔内进行合模加压操作，通过电磁加热方式将所述预成形体和所述成型模具升温至预设注射温度。
待得到预成形体后，需要将预成形体放入至成型模具的成型腔内进行合模加压操作，进行二次定型，请参阅图4，再电磁加热方式将所述预成形体和所述成型模具升温至预设注射温度，例如，所述成型模具为金属模具或含有电磁感应纳米粒子的碳纤维复合材料模具内，这样，通过向所述预成形体和所述成型模具发射电磁波，能够使得所述预成形体和所述成型模具同时加热，迅速地达到预设注射温度，相对于传统油热、电热管加热或烘箱加热等由外到内的加热方式，所述步骤S140的加热效果更好，加热效率更高，加热升温速度更快，加热周期更短，有利于缩短复合材料整体制造工艺的周期。
S150：将树脂从所述成型模具的注胶口注射至所述成型模具的成型腔内，通过电磁加热方式将所述预成形体和所述成型模具升温至预设固化温度，保温保压进行固化操作。
由于步骤S140已经将通过电磁加热方式将所述预成形体和所述成型模具升温至预设注射温度，此时，再将树脂所述成型模具的注胶口注射至所述成型模具的成型腔内，能够提高所述树脂的注射效率，即能够提高树脂的流动性，以更好地完成注射填满所述成型模具的成型腔的操作，此时，所述树脂会粘附包裹在已容置于所述成型模具的成型腔内的预成形体外，之后，再通过电磁加热方式将所述预成形体和所述成型模具升温至预设固化温度，能够使得热固化树脂实现固化操作，此时，所述树脂和所述预成形体完成初步的固化成型操作，树脂和所述预成形体能够更好地结合在一起。所述预成形体作为碳纤维复合材料整体结构的支撑骨架。
一实施方式中，所述树脂聚氨酯树脂、环氧树脂和己内酰胺树脂中的至少一种；又如，所述树脂为快速固化树脂体系，所述快速固化树脂体系为聚氨酯、环氧树脂或己内酰胺体系，这样，固化效果更快，能够缩短复合材料整体制造工艺的周期；又如，所述树脂内还含有脱模剂，这样，能够利于后续的脱模操作；又如，所述树脂的注射流量为0.1L/min～6L/min；又如，采用HP-RTM注射机对所述树脂进行注射操作，这样，能够提高注射效率，能够利于后续的脱模操作。
S160：进行冷却操作后，得到碳纤维复合材料。
待所述树脂固化后，进行冷却操作，脱模后得到所述碳纤维复合材料。
一实施方式中，所述电磁加热方式的加热频率为50Hz～15MHz，如此，能够使得加热效率更高，加热升温速度更快，加热周期更短，有利于缩短复合材料整体制造工艺的周期。
上述碳纤维复合材料HP-RTM制造方法的各环节的加热方式均采用电磁加热方式，具有升温速度快、均匀性好、效率高，能耗低等优点。且掺杂，所述可电磁感应纳米粒子的定型剂在碳纤维织物内部形成导磁或导电通路，可通过电磁感应效应直接加热碳纤维织物，进一步提高加热效率和均匀性，可有效缩短复合材料成型周期，降低制造成本。此外，掺杂的所述可电磁感应纳米粒子均匀分散在复合材料树脂基体中，可提高复合材料的抗冲击韧性，尤其适用于HP-RTM工艺的高性能复合材料快速低成本批量化生产要求。
一实施方式中，请参阅图5，本发明的一种碳纤维复合材料HP-RTM快速成型方法，包括以下步骤：1、定型剂施放：将掺杂有导磁或导电纳米粒子的定型剂通过粉末涂层设备施放在碳纤维织物上，通过电磁感应效应使定型剂和碳纤维织物升温，确保定型剂和纤维织物良好粘接，但不浸入织物。2、预成形体的制备：将含有定型剂的碳纤维织物按要求裁剪，叠层后采用电磁感应加热进行预热，放入预成型模具内进行压制定型后取出预成形体。3、模具及预成形体预热：将预成形体放入成型模具内后合模加压，通过电磁感应将模具和预成形体升温至设定的注射温度。4、树脂注射固化成型：采用HP-RTM注射机将快速固化树脂体系从模具注胶口注入模具型腔，注胶完成后加热升温至固化温度，保温保压至固化完全。5、冷却脱模：冷却后开模，通过模具脱模顶出机构将制品顶出，并将模具清理干净；所述导磁或导电纳米粒子为铁氧体、铁镍合金、FeAlSi粉、羧基铁粉等粉体材料中的一种或多种组合。所述导磁或导电纳米粒子的直径为20～500nm。所述碳纤维织物为单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹编织布或多轴向织物中的一种或多种组合。所述定型剂的施放方式为涂覆、液体/溶剂喷洒以及撒粉。所述电磁感应加热频率为50Hz～15MHz。所述成型模具为金属模具或碳纤维复合材料模具。所述加压方式为液压机加压。所述树脂体系为聚氨酯、环氧树脂或己内酰胺树脂体系。所述树脂体系含内脱模剂。所述树脂注射流量为0.1～6L/min。所述树脂的注射压力为5～200bar。所述固化成型温度为80～260℃。所述固化成型时间为40～300s。本发明的有益效果为：HP-RTM成型工艺各环节的加热方式均为电磁加热，具有升温速度快、均匀性好、效率高，能耗低等优点。且掺杂导磁或导电纳米粒子的定型剂在纤维织物内部形成导磁或导电通路，可通过电磁感应效应直接加热碳纤维织物，进一步提高加热效率和均匀性。采用本发明方法可有效缩短复合材料成型周期，降低制造成本。此外，掺杂的纳米粒子均匀分散在复合材料树脂基体中，可提高复合材料的抗冲击韧性。采用本发明可满足HP-RTM工艺的高性能复合材料快速低成本批量化生产要求。
下面继续给出具体实施例以帮助理解本发明构思。
实施例1
请参阅图2，将纳米铁氧体粉体均匀地掺杂在环氧树脂型定型剂Araldite LT3366中，通过粉末涂层设备将定型剂施放在单轴向编织碳纤维后，通过电磁感应效应使得碳纤维织物和定型剂粉体内纳米铁氧体升温部分熔化定型剂后黏附在纤维织物上，通过电磁感应可精确、均匀控制温度，保证定型剂和碳纤维织物的黏附效果，碳纤维织物中定型剂含量为6％。
请参阅图3，按要求裁剪织物，按0°/45°/90°/-45°进行叠加，采用电磁感应效应对叠加的碳纤维织物进行预热后，移入预成型模具内后加压定型，制备预成形体。
请参阅图4，将预成型体切边后，开模移入成型模具内，利用液压机合模加压，通过电磁加热升温，将模具内的预成形体预热至90℃，采用克劳斯玛菲的HP-RTM注射机将快速固化环氧树脂体系注入模腔浸渍预成形体，进胶流量为3L/min，注射压力为120bar，进胶完成后，封闭进胶口，将模具温度升至120℃，保温保压固化成型1min后，冷却开模取件。
实施例2
将粒径为100nm的FeAlSi粉体均匀掺杂到尼龙定型剂中，通过粉末涂层设备将定型剂施放在多轴向碳纤维织物后，通过电磁感应效应使得碳纤维织物和定型剂粉体内纳米FeAlSi升温部分熔化后黏附在碳纤维织物上，碳纤维织物中的定型剂含量为4％。
将设计的铺层方式将裁剪的织物进行叠加，采用电磁感应效应对叠加的织物进行预热，放入预成型模具内后加压定型，制备预成型体。
将预成型体按成型模具尺寸进行切边后，开模移入成型模具内，利用液压机合模加压，通过电磁加热升温，将模具内的预成型体加热至160℃，采用HP-RTM注射机将己内酰胺树脂体系注入模腔，注射流量为5L/min，注射压力为130bar。注射完成后封闭进胶口，保温保压固化成型2min后，冷却开模取件。
实施例3
将粒径为200nm的羧基铁粉均匀掺杂到酚醛树脂定型剂中，通过涂层设备将定型剂施放在碳纤维斜纹织物和单向织物后，采用电磁感应效应使得碳纤维织物及定型剂粉体内纳米羧基铁粉升温部分熔化后黏附在碳纤维织物上，碳纤维织物中定型剂含量为5％。
将设计的铺层方式将裁剪的织物进行叠加，外面铺放碳纤维斜纹织物作为外观面，采用电磁感应效应对叠加的织物进行预热，放入预成型模具内后加压定型，制备预成型体。
将预成型体按成型模具尺寸进行切边后，开模移入成型模具内，利用液压机合模加压，通过电磁加热升温，将模具内的预成型体加热至120℃，采用HP-RTM注射机将聚氨酯树脂体系(异氰酸酯和多元醇)注入模腔内，注射流量为1.5L/min，注射压力为120bar。注射完成后封闭进胶口，保温保压固化成型4min后，冷却开模取件。
表1为几种传统加热方式与电磁感应加热升温速率及所需加热功率的比较表，可见采用电磁感应加热的升温速率远高于传统的油温、电热管和烘箱加热，且所需的加热功率更小。可见，采用电磁感应加热可大幅提高HP-RTM成型工艺效率，降低能耗和成型工艺成本，提升HP-RTM成型工艺竞争力。
表1
加热方式 油温加热 电热管加热 烘箱加热 电磁感应加热
升温速率 0.3～0.5℃/秒 0.4～0.6℃/秒 0.2～0.3℃/秒 20～40℃/秒
加热功率 2KW 1.5KW 2KW 0.8KW
表2为传统成型复合材料和采用本发明制造的含导磁粒子复合材料主要力学性能比较表。可见本发明制造的含导磁粒子复合材料力学性能均有不同程度的提高，特别是冲击强度提高了31.2％，这是因为导磁粒子在树脂基体中起到增韧作用，提高了树脂基体性能以及树脂与碳纤维间的界面性能。
表2
复合材料类型 拉伸强度/MPa 层间剪切强度/MPa 冲击强度/KJ.m-2
传统成型复合材料 862 51.4 109
含导磁粒子复合材料 875 56.3 143
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
将定型剂施放在碳纤维织物上，其中，所述定型剂中掺杂有可电磁感应纳米粒子；
通过电磁加热方式使所述定型剂和所述碳纤维织物升温，并使所述定型剂和所述碳纤维织物相粘接；
将粘接好的所述定型剂和所述碳纤维织物进行裁剪和叠层操作，采用电磁加热方式进行预热，再放入至预成型模具内进行压制定型操作，得到预成形体；
将所述预成形体放入至成型模具的成型腔内进行合模加压操作，通过电磁加热方式将所述预成形体和所述成型模具升温至预设注射温度；
将树脂从所述成型模具的注胶口注射至所述成型模具的成型腔内，通过电磁加热方式将所述预成形体和所述成型模具升温至预设固化温度，保温保压进行固化操作；
进行冷却操作后，得到碳纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制造方法，其特征在于，所述可电磁感应纳米粒子为铁氧体、铁镍合金、FeAlSi粉和羧基铁粉中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制造方法，其特征在于，所述碳纤维织物为单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹编织布和多轴向编织物中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制造方法，其特征在于，所述定型剂的施放方式为涂覆、喷洒液体或撒粉。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制造方法，其特征在于，所述电磁加热方式的加热频率为50Hz～15MHz。
6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制造方法，其特征在于，所述树脂聚氨酯树脂、环氧树脂和己内酰胺树脂中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制造方法，其特征在于，所述树脂内还含有脱模剂。
8.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制造方法，其特征在于，所述树脂的注射流量为0.1L/min～6L/min。
9.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制造方法，其特征在于，采用HP-RTM注射机对所述树脂进行注射操作。
10.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料制造方法，其特征在于，所述可电磁感应纳米粒子的粒径为20nm～500nm。
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