一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法技术

一种连续导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，其特征是通过在成型机构上设置若干具有电势差的金属触点，使动态传送的导电纤维与其发生滑动或滚动接触，导电纤维在多级金属触点间发生电损耗产生热量，根据传感器监测的各级温度，动态调控各级输入电能，将复合材料逐级加热至成型温度，完成快速原位成型。本发明专利技术利用材料自身电导损耗作为热源，无需施加外热源，在挤出、铺放、拉挤等纤维复材定向运动的成型过程中，实现复合材料的高速加热最终原位成型，其热响应速度快，纤维均匀发热，能量利用率高，该方法可大幅提高复材原位成型质量，缩短纤维增强复合材料的制造周期，降低制造成本。

A Rapid in-situ Forming Method for Conductive Fiber Reinforced Composites

A rapid in-situ prototyping method for continuous conductive fiber reinforced composites is characterized in that a number of metal contacts with potential difference are set on the forming mechanism to make the dynamically transmitted conductive fibers slide or roll in contact with them, and the conductive fibers lose electricity between the multi-level metal contacts to generate heat. According to the temperature monitored by the sensors, the input at all levels is dynamically regulated and controlled. Electric energy can heat the composite materials to the forming temperature step by step to complete rapid in-situ forming. In the present invention, the conductivity loss of the material itself is used as the heat source, and no external heat source is applied. In the process of extrusion, placement, pultrusion and other directional motion forming of the fiber composite material, the high-speed heating and final in-situ forming of the composite material are realized. The thermal response speed of the composite material is fast, the fiber is uniformly heated and the energy utilization rate is high. The method can greatly improve the in-situ forming quality of the composite material and shorten the fiber reinforced composite material. Material manufacturing cycle, reduce manufacturing costs.

【技术实现步骤摘要】
一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法
本专利技术涉及一种复合材料成型方法，尤其是一种连续导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，具体地说是一种利用电损耗加热的导电纤维增强复合材料快速原位固化成型方法。
技术介绍
导电纤维增强的复合材料如碳纤维增强复合材料在航空航天、汽车、船舶等领域具有极高的重量占比，成为了交通运输业中不可或缺的关键材料。然而目前复合材料依然大量采用“预成型-固化-加工”三步制造工序，即纤维或纤维预浸料首先通过自动铺放、缠绕、挤出、拉挤等预成型方法在模具或模腔中形成一定的外形形状，在通过空气、模具或是辐照等方法对预成型好的材料进行加热，冷却或者固化，最后再通过裁切修边钻孔等加工步骤完成整个零件的制造。上述方法分为三个步骤成型复合材料，效率低、能耗高，尤其针对大型、复杂度高的复合材料，成型及固化所花费的时间及能耗都达到了极高的数量级，且两个过程中的过程参数，以及质量控制需要单独考虑不同的过程变量，以适应不同工步的特点。难以适应大量高性能复合材料的制造。再加之，传统的固化过程，采用外部热源的加热方式，加热过程依靠传热机理，热量由材料表面传递至材料内部，这将直接导致复合材料厚度方向形成较大的温差。又由于热利用率低，温度滞后性大，现有的固化方法也难以满足快速的复材制造要求。目前有单位或研究机构提出复合材料原位固化的方法，即将固化过程集成在预成型过程原位，也即预成型完成，整个零件就固化完成。如西安交通大学专利（CN103358564B）保护了一种紫外光/电子束原位固化纤维铺放成型装置及方法，东北林业大学专利（CN106273533B）保护了一种利用感应加热的纤维缠绕原位固化方法，还有部分方案是利用激光、红外辐照、微波或者热风枪等方法在复合材料成型装备上集成，尝试实现连续复合材料成型过程中的原位固化。然而，截止目前，大部分原位成型的装置及方法主要还是面向热塑性树脂基复合材料的原位固化，因为热塑性复合材料在加热后可以迅速冷却结晶形成实体，实现秒级的成型。但目前的加热工艺还存在热影响区温度不均匀，制件热应力大，成型质量差等问题。对于热固性复合材料，其固化过程必然发生交联反应，需要一定的反应时间，上述高能束集中加热的方法，还无法实现最终材料可持续的完全固化。申请者团队前期保护了一种利用碳纤维自身综合电损耗发热固化复合材料的方法（公开号CN201710975475.6），该方法针对大型复合材料层合板铺放成型完成的后的固化过程，可以实现高质量、高效率、低能耗的固化。然而目前针对于整体构件铺放完成后的独立电损耗加热固化方法，无法直接应用于预成型和固化同时进行的原位成型过程中。其主要原因在于，虽然电损耗加热可以实现较快的自加热升温速率，但是整体的均匀加热难以适应丝束动态传送过程中的多级分布加热，且导电丝束原位成型也需要在较短时间内完成，整体加热的方法无法适用于动态的原位成型。故本专利技术提出一种连续导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，以实现热影响区温度均匀，制件热应力小，成型质量好的导电纤维复材原位成型过程。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有导电纤维复合材料的原位成型方法热影响区温度不均匀，制件热应力大，成型质量欠佳，尤其是热固性复材还无法实现原位成型的问题，专利技术一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，该方法基于增强纤维的导电特性，在成型机构内部及末端设置若干金属触点，与动态运行的导电纤维发生多级电接触，为各接触点接入不同电势，形成电势梯度，利用导电纤维自身导通产生损耗焦耳热加热其自身，所述的多级电接触独立协同调控，动态运行的导电纤维形成动态运行的加热温度梯度，根据不同材料体系的成型要求，结合温度监测仪精确监测复合材料各段温度状态，自适应调控各级输入电能，获得目标温度值及温度分布，导电纤维增强复合材料经过多级加热，在动态传输的过程中实现保温和充分固化，脱离所述的成型机构末端后完成快速原位成型。本专利技术的技术方案为：一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，其特征是通过在成型机构上设置若干具有电势差的金属触点，使动态传送的导电纤维与所述的金属触点发生滑动或滚动接触，使导电纤维与金属触点间发生电损耗而产生热量，再通过传感器监测的各金属触点处的温度，动态调控各金属触点的输入电能，将复合材料逐级加热至成型温度，完成快速原位成型。所述的金属触点的设置方法根据导电纤维的规格及电特性参数，以电源可以提供的阈值电流和各级最小加热长度为边界条件，以纤维传输阻力和各级纤维加热均匀性优化目标，获得相邻金属触点的间距和角度，在空间中设置排布金属触点。所述的接触方法为动态传送的导电纤维在成型机构内与金属接触点发生滑动或滚动摩擦，根据具体的成型机构和纤维复合材料形状设置不同的接触结构，控制电接触面积和电接触材料使得接触电阻小于导电纤维复材的体积电阻，所述的滑动摩擦接触为传送的导电纤维与固定的金属触点相对接触，接触点可以是于半球型接触点、片状电刷、电接触喷头、电接触模腔，所述的滚动摩擦接触即导电纤维与滚动的电辊轮或电滚珠等结构摩擦接触。所述的动态调控方法为以各级导电纤维温度传感器监测到的信号为反馈，调控输入各级电极触点的电势差，进而调整各级导电纤维的电损耗量，根据材料体系的成型工艺特点，控制各级加热区间内的复合材料形成动态移动的温度场，逐级提高材料的成型或固化程度，最终实现原位固化。所述的成型过程为导电纤维复合材料铺放或缠绕到模具或模板上的过程，也可以是导电纤维复合材料从模腔中挤出的过程，也可以是纤维在模板作用下的拉挤过程，所述的原位成型是指导电纤维复合材料在上述脱离成型机构瞬间完成交联固化、冷却结晶形成硬化材料。所述的连续导电增强纤维不局限于金属纤维、碳纤维、导电型金属化合物纤维和导电高分子纤维等，纤维外形也不局限于丝、束或带状，所述的复合材料基体可以是热塑性树脂、热固性或者陶瓷基体。所述温度监测不局限于外部温度传感器或者利用导电纤维温阻特性等不同温度监测形式对复合材料不同部位进行温度监测，并将温度监测信号反馈给控制终端。所述的成型机构所加电能可以是直流电源、交流电源，或者是脉冲电源，所述为成型机构所通电能依据不同复合材料基体材料成型特性曲线，在控制终端通过温度监测仪的监测反馈做出调整，确保在最后一级电接触通电后，复合材料脱离成型机构末端后完成快速原位成型。本专利技术的具体步骤可以概括为：步骤1:将导电纤维增强复合材料送入成型机构中，成型机构内部或末端设置若干金属触点，作为能量输入点，所述触点与动态运行的导电纤维发生多级电接触，电接触对间间隔一定的距离；步骤2：为各接触点接入不同电势，形成电势梯度，利用导电纤维自身导通产生电损耗热量加热其自身，动态运行的导电纤维形成动态运行的加热温度梯度；步骤3：根据不同材料体系的成型要求，结合温度监测仪精确监测复合材料各段温度状态，自适应调控各级输入电能，多级电接触独立协同调控制通入幅值、变化频率不同的电压，获得目标温度值及温度分布；步骤4：导电纤维增强复合材料经过多级动态加热，完成交联化学反应或熔融共混-冷却凝结等过程后，脱离所述的成型机构末端后完成快速原位成型。本专利技术的有益效果是：针对其他现有原位成型方法难以实现热固性复合材料的原位固化，本专利技术通过动态传输导电纤维的多级电接触电损耗，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，其特征是通过在成型机构上设置若干具有电势差的金属触点，使动态传送的导电纤维与所述的金属触点发生滑动或滚动接触，使导电纤维与金属触点间发生电损耗而产生热量，再通过传感器监测的各金属触点处的温度，动态调控各金属触点的输入电能，将复合材料逐级加热至成型温度，完成快速原位成型。

【技术特征摘要】
1.一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，其特征是通过在成型机构上设置若干具有电势差的金属触点，使动态传送的导电纤维与所述的金属触点发生滑动或滚动接触，使导电纤维与金属触点间发生电损耗而产生热量，再通过传感器监测的各金属触点处的温度，动态调控各金属触点的输入电能，将复合材料逐级加热至成型温度，完成快速原位成型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的金属触点位置的设置方法根据导电纤维的规格及电特性参数，以电源可以提供的阈值电流和各级最小加热长度为边界条件，以纤维传输阻力和各级纤维加热均匀性优化目标，获得相邻金属触点的间距和角度，在空间中设置排布金属触点。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于接触方法为动态传送的导电纤维在成型机构内与金属触点发生滑动或滚动摩擦，根据成型机构和纤维复合材料形状设置不同的接触结构，控制电接触面积和电接触材料使得接触电阻小于导电纤维复材的体积电阻；所述的滑动摩擦接触为传送的导电纤维与固定的金属触点相对接触，接触点为半球型接触点、片状电刷、电接触喷头或电接触模腔，所述的滚动摩擦接触为导电纤维与滚动的电辊轮或电滚珠结构摩擦接触；所述的金属触点布置在复合材料的单面或双面，实现单面接触或双面接触，优选双面接触并使复合材料呈波纹状通过成型模具。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的动态调控方法为以各级导电纤维温度传感器监测到的信号为反馈，调控输入各级电极触点的电势差，进而调整各级导电纤维的电损耗量，根据材料体系的成型工艺特点，控制各级加热区间内的复合材料形成动态移动的温度场，逐级提高材料的成型或固化程度，最终实现原位固化。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于成型过程为导电纤维复合材料铺放或缠...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨子剑，李迎光，郝小忠，刘舒霆，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32