拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料空心型材的方法技术

拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料空心型材利用了激光照射产生的光热转化效应，迅速获得预浸复合材料空心型材固化所需的温度，从而使固化速度大大加快，在拉引装置作用下，预浸带经挤胶板上的孔洞导入芯模周围。此时，在绕丝装置的作用下，缠绕增强纤维供丝线轴上的增强纤维丝束经过供丝管的内孔供出，成为缠绕增强纤维丝束，缠绕增强纤维丝束连续不断地缠绕在预浸带的外面形成复合预浸料，并在拉引装置作用下向拉引力方向进给，随后，复合预浸料被导入激光发生器发射的激光束的作用区开始升温并达到最终的固化温度，固化形成复合材料空心型材。

【技术实现步骤摘要】

拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料空心型材属于一种复合材料制备方法。
技术介绍
以往的复合材料制备方法有多种，其中包括拉挤成型加温固化法和缠绕成型加温固化法。拉挤成型加温固化法具有生产连续性好、自动化程度高和成本低等优点，但存在增强纤维走向为单一的沿着长度方向的特点，拉挤成型法生产的复合材料空心型材存在抗内压能力差、抗扭力差和易开裂等缺点。缠绕成型加温固化法具有抗内压能力强、不易开裂、可设计性好和工艺较灵活等优点，但存在生产连续性较差、自动化程度不高和成本较高等缺点。为了克服前述两种方法所制备复合材料空心型材的缺点，已有的方法为两步法，即：第一步，利用拉挤成型加温固化法制备复合材料空心型材；第二步，以第一步所制备的复合材料空心型材为芯轴，在其外侧缠绕一层增强纤维预浸带，然后经加温固化成型，制得两层增强纤维走向近于垂直的复合材料空心型材。已有复合材料空心型材的两步制备法，存在过程复杂、生产周期长和生产成本较高的缺点，并且由于拉挤成型的内层和缠绕成型的外层是分别经过两次固化形成，内层与外层之间的树脂结合强度不高，直接影响了复合材料空心型材的整体性能。已有的复合材料固化方法是利用埋设在成型模具内的加热元件，使复合材料空心型材温度达到固化所需温度实现固化，或是使拉挤预浸料型材经过隧道窑加温固化制备复合材料空心型材，这些方法存在能量利用率低、生产效率低、固化出模时复合材料易开裂等缺陷。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种兼具拉挤成型法和缠绕成型法优点的复合材料空心型材制备方法，这种方法利用激光照射带来的热效应实现预浸复合材料空心型材的固化。本专利技术是一种把拉挤成型法和缠绕成型法结合起来的复合材料一步成型制备方法，经过激光照射时的光热转化获得固化温度，能够制备出一种复合材料空心型材，其管壁中的增强纤维分为芯层和外层。芯层增强纤维走向与拉引方向一致，主要承担制备时的拉引力和使用过程中受到的沿复合材料型材长度方向的拉应力。由于利用了激光照射产生的光热转化效应，能够在极短的时间内获得预浸复合材料空心型材固化所需的温度，从而使固化速度大大加快，能够大幅度提高生产效率。在特定方向激光照射下，材料由表面到内部的温度变化取决于多种因素，包括投射深度χ、吸收系数α和散射系数S，如果入射激光光能量密度为I0，则深度χ处得到的激光能量密度为：I=Ioexp(-(α+S)χ)。越深处得到的激光光能越少，这种现象将导致激光照射方向上材料内部出现递减温度梯度，使厚度稍大的预浸料不同深度处难以同步获得所需的固化温度。本专利技术的一个解决方案是从不同方向设计多束激光投向预浸复合材料空心型材的同一段，利用多束激光在预浸复合材料空心型材深处的累积效应来抵消单束激光的递减温度梯度，使厚度较大的预浸复合材料空心型材不同深度同步获得最佳的固化温度。本专利技术的另一个解决方案是设计激光输出器所输出激光光斑的形状，这样就能在预浸复合材料空心型材拉引速度一定的情况下，增加激光输出器所输出激光光斑的长度，来增加预浸复合材料空心型材被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现预浸复合材料空心型材内部温度的均匀化。本专利技术的第三个解决方案是在构成预浸复合材料空心型材的树脂液中添加适当浓度的填料，以改变预浸复合材料空心型材的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸复合材料空心型材在激光照射下内部出现最佳的温度梯度。本专利技术的第四个解决方案是：根据预浸复合材料空心型材中增强纤维束和树脂液的材质不同，选择不同波长的照射激光光源，以改变预浸复合材料空心型材的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸复合材料空心型材在激光照射下内部出现最佳的温度梯度。本专利技术是一种把拉挤成型法和缠绕成型法结合起来的复合材料空心型材一步成型制备方法，经过激光固化，最终制备出一种复合材料空心型材，其中的增强纤维分为芯层和外层。芯层增强纤维走向与拉引方向一致，主要承担制备时的拉引力和使用过程中受到的沿复合材料空心型材长度方向的拉应力。外层增强纤维缠绕于芯层增强纤维外侧，与芯层增强纤维呈约90°的夹角，主要承担来自于复合材料空心型材内部的膨胀压力。树脂填充于芯层增强纤维、外层增强纤维和这两层之间的所有间隙，并在固化后将所有增强纤维固结为一体，形成复合材料。这种一步成型激光固化法制备的复合材料空心型材与已有的两步成型法所制备的复合材料空心型材相比较，由于芯层与外层所有树脂是一次固化成型，整体强度明显提高。由于简化了生产流程，能够缩短复合材料空心型材的生产周期，减少生产场地的占用和解放人力，能够降低生产成本。优化的是，本专利技术激光束的加热功率能够与拉引速度相匹配，保证了预浸复合材料空心型材固化所需的最佳温度。更加优化的是，本专利技术借助于外层增强纤维缠绕过程中的勒紧效应，最后制备成的复合材料空心型材中增强纤维的占比高，进一步提高了复合材料的整体性能。更加优化的是，本专利技术增加激光输出器所输出激光光斑的长度，来增加预浸复合材料空心型材被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，有利于实现预浸复合材料空心型材内部温度的均匀化。更加优化的是，本专利技术在构成预浸复合材料空心型材的树脂液中添加适当浓度的填料，以改变预浸复合材料空心型材的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸复合材料空心型材在激光照射下内部出现最佳的温度梯度。更加优化的是，本专利技术在不同方向设计多束激光投向预浸复合材料空心型材的同一段，利用多束激光在预浸复合材料空心型材深处的累积效应来抵消单束激光的递减温度梯度，使厚度较大的预浸复合材料空心型材不同深度同步获得最佳的固化温度。更加优化的是，本专利技术根据预浸复合材料空心型材中增强纤维束和树脂液的材质不同，选择不同波长的照射激光光源，以改变预浸复合材料空心型材的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸复合材料空心型材在激光照射下内部出现最佳的温度梯度。附图说明图1是本专利技术的方法实施过程示意图。附图1中，1是供给增强纤维束，2是树脂液槽，3是树脂液，4是预浸带，5是挤胶板，6是缠绕增强纤维丝束，7是供丝管，8是芯模，9是绕丝装置，10是缠绕增强纤维供丝线轴，11是套模，12是遮光板，13是激光输出器，14是激光束，15是拉引机，16是拉引方向。在拉引装置15作用下，供给增强纤维束1被导入树脂液槽2中并被树脂液3浸润形成预浸带4，经挤胶板5上的孔洞导入芯模8周围。此时，在绕丝装置9的作用下，缠绕增强纤维供丝线轴10上的增强纤维丝束经过供丝管7的内孔供出，成为缠绕增强纤维丝束6。缠绕增强纤维丝束6连续不断地缠绕在预浸带4的外面形成复合预浸料，并在拉引装置15作用下向拉引力方向16进给，随后，复合预浸料被导入激光发生器13发射的激光束14的作用区开始升温并达到最终的固化温度，固化形成复合材料空心型材。这时，有利的效果之一是预浸带4和缠绕增强纤维丝束6之间形成紧束的状态，借助于缠绕增强纤维束6缠绕过程中的勒紧效应，最后制备成的复合材料空心型材中增强纤维的占比高，进一步提高了复合材料空心型材的整体性能。另一个有利的效果是在缠绕增强纤维丝束6提供的勒紧力作用下，预浸带4浸出的剩余树脂液充分地浸润了缠绕增强纤维丝束6。激光束14的加热功率能够与拉引速度相匹配，保证了预浸复合材料空心型材固化所需的本文档来自技高网...

【技术保护点】
拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料空心型材属于一种复合材料制备方法，其特征是：利用了激光照射产生的光热转化效应，迅速获得预浸复合材料空心型材固化所需的温度，从而使固化速度大大加快，在拉引装置（15）作用下，预浸带（4）经挤胶板（5）上的孔洞导入芯模（8）周围，此时，在绕丝装置（9）的作用下，缠绕增强纤维供丝线轴（10）上的增强纤维丝束经过供丝管（7）的内孔供出，成为缠绕增强纤维丝束（6），缠绕增强纤维丝束（6）连续不断地缠绕在预浸带（4）的外面形成复合预浸料，并在拉引装置（15）作用下向拉引力方向（16）进给，随后，复合预浸料被导入激光发生器（13）发射的激光束（14）的作用区开始升温并达到最终的固化温度，固化形成复合材料空心型材。

【技术特征摘要】
1.拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料空心型材属于一种复合材料制备方法，其特征是：利用了激光照射产生的光热转化效应，迅速获得预浸复合材料空心型材固化所需的温度，从而使固化速度大大加快，在拉引装置（15）作用下，预浸带（4）经挤胶板（5）上的孔洞导入芯模（8）周围，此时，在绕丝装置（9）的作用下，缠绕增强纤维供丝线轴（10）上的增强纤维丝束经过供丝管（7）的内孔供出，成为缠绕增强纤维丝束（6），缠绕增强纤维丝束（6）连续不断地缠绕在预浸带（4）的外面形成复合预浸料，并在拉引装置（15）作用下向拉引力方向（16）进给，随后，复合预浸料被导入激光发生器（13）发射的激光束（14）的作用区开始升温并达到最终的固化温度，固化形成复合材料空心型材。2.如权利要求1所述的拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料空心型材，其特征是：预浸带（4）和缠绕增强纤维丝束（6）之间形成紧束的状态，借助于缠绕增强纤维束（6）缠绕过程中的勒紧效应，最后制备成的复合材料空心型材中增强纤维的占比高，进一步提高了复合材料空心型材的整体性能。3.如权利要求1所述的拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料空心型材，其特征是：在缠绕增强纤维丝束（6）提供的勒紧力作用下，预浸带（4）浸出的剩余树脂液充分地浸润了缠绕增强纤维丝束（6）。4.如权利要求1所述的拉挤缠绕复合成型激光固化制备复合材料空心型材，其特征是：激光束...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑛玮，
申请(专利权)人：王瑛玮，
类型：发明
国别省市：吉林;22