长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻加热快速成型方法技术

本发明专利技术公开了一种以碳纤维薄毡作为加热单元的热塑性复合材料电阻加热的快速成型方法及加工系统。加工系统包括真空袋封装系统(或模压系统)、金属电极、电压调控装置、程序温度调控装置、热电偶。金属电极通过导电银胶固定在碳纤维薄毡两端，将铺层好的材料体系置于真空袋或模压机模具中。通过电压调控装置对碳纤维薄毡通电加热，并通过温度控制装置实现工艺温度的调控。本发明专利技术可以实现长纤维及连续纤维热塑性复合材料的快速加热成型，为热塑性复合材料成型工艺提供了一种可以程序控制的快速加热成型方法，极大地缩短了热塑性复合材料成型周期，为热塑性复合材料的快速成型提供了技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻加热快速成型方法
本专利技术涉及一种纤维增强热塑性复合材料的电阻加热快速成型方法，更特别地说，是采用碳纤维薄毡作为电阻加热单元，以玻璃纤维、玄武岩纤维等纤维增强热塑性粒料或预浸料作为原材料，通过真空袋成型工艺(或模压工艺)与加载电极组合进行电阻自加热成型。
技术介绍
热塑性复合材料凭借其优异的性能，如：可回收、易修复、工艺时间短、抗冲击性能好、成型过程无化学反应更容易实现过程控制，在航空航天、汽车、建筑等诸多领域应用前景广阔。对于连续纤维及长纤维增强热塑性复合材料，传统成型工艺有模压成型工艺、真空袋成型工艺、热压罐成型工艺等等。热塑性复合材料的传统成型工艺均是采用外部热源加热，由外及内进行热传导。热塑性基体树脂如聚丙烯、尼龙、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等，具有热导率低、熔点高的特点，加热熔融与降温成型周期长、耗能大，导致生产效率低、成本高。因此发展新的热塑性复合材料成型技术，对于缩短复合材料成型周期，提高能量利用率，降低制造成本，进而推动热塑性复合材料的规模化应用有重要意义。目前针对碳材料自电阻加热成型工艺，已有的相近专利如下：在中国专利申请号200310113547.4(无权)，申请日2013年11月17日，专利技术名称为“碳纤维增强复合材料的自电阻加热成型方法”的专利申请中公开了一种导电性碳、石墨纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热速成型及纤维增强的热塑性复合材料的自电阻加热焊接或修补的方法。其技术解决方法为充分利用碳纤维复合材料的自电阻，在压力机械上、下台面与预浸料之间分别安装绝缘层，绝缘层与预浸料之间加装电极，形成以预浸料为电阻的导电通道，成型、焊接、修补复合材料。美国格拉弗技术国际控股有限公司的专利US2003/037856专利技术名称为“热压法制碳/碳复合材料”公开了一种成形复合材料的方法，其步骤包括：合并包括含碳纤维的增强材料与可碳化基质材料从而形成混合物；将该混合物加热到足以使至少一部分基质材料熔融的温度；加热步骤包括：对混合物施加电流以便在混合物内部产生热；并在加热该混合物的同时，对混合物施加至少35kg/cm2的压力从而形成压缩的复合材料；提高压缩复合材料的密度：其方法是将可碳化材料引入到压缩复合材料中的空洞中，随后烘烤该压缩复合材料以达到至少1.30g/cm3的密度；以及用处理组分浸渍该密度至少为1.30g/cm3的压缩复合材料，其中所述处理组分包含金属、金属合金、硼、热固化树脂及其组合中的至少一种。在中国专利申请号201410018321.4(有权)，申请日2014年1月16日，专利技术名称为“碳纤维增强复合材料的加工系统及其采用液体成型工艺的可控碳纤维自加热方法”的专利申请中公开了一种真空袋压与加载电极的组合方法进行纤维增强复合材料的的成型工艺及装置，其中纤维织物在加载正负电极的条件下实现了纤维自加热。其技术解决方案是按照复合材料的真空辅助树脂灌注工艺，在真空袋封装模具中进行导电连续纤维织物的铺层，在织物铺层过程时，在连续织物两端铺放正负电极。然后抽真空灌注树脂，连接电源通电加热，在真空袋压下进行复合材料的固化。再按照复合材料的一般工艺过程，冷却、脱模，即可实现复合材料的成型。在中国专利申请号201510817586.5(审中-实审)，申请日2015年11月23日，专利技术名称为“树脂基碳纤维复合材料的自阻电加热固化方法”的专利申请中公开了一种树脂基碳纤维复合材料的自阻电加热固化方法，采用通电加热碳纤维的方式提供树脂固化所需的热量，同时结合压力罐提供的压力成型，最终获得所需要的零件。以上专利工艺均采用的是连续碳纤维作为加热源和增强体，即复合材料产品需使用碳纤维作为原材料，才能采用这些工艺进行成型。若采用玻璃纤维、玄武岩纤维等绝缘的增强体制备复合材料，则无法直接采用这些电阻加热方法。目前，尚未有针对玻璃纤维、玄武岩纤维等非导电纤维增强热塑性复合材料的电阻自加热成型工艺。该类复合材料由于成本明显低于碳纤维复合材料，在民用领域的应用范围和用量更大，更加迫切需要高效加热成型技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于实现长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料电阻加热成型，缩短热塑性复合材料的成型周期，特别是以玻璃纤维、玄武岩纤维等绝缘的增强体制备复合材料。本专利技术的原理是以碳纤维薄毡作为电阻加热单元，不依赖任何外部热源，通过真空袋成型或模压成型工艺，实现玻璃纤维、玄武岩纤维等纤维增强聚丙烯或尼龙等粒料及预浸料的电阻自加热成型。本专利技术的技术方案为：一种以碳纤维薄毡作为加热单元的热塑性复合材料电阻加热的快速成型方法及加工系统，加工系统包括真空袋封装系统(或模压系统)、金属电极、电压调控装置、程序温度调控装置、热电偶。金属电极通过导电银胶固定在碳纤维薄毡两端，将铺层好的材料体系置于真空袋或模压机模具中。通过电压调控装置对碳纤维薄毡通电加热，并通过温度控制装置实现工艺温度的调控。本专利技术采用如下具体技术方案：一种长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻自加热快速成型方法，所述成型方法包括如下步骤：步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备；步骤二：热塑性预浸料剪裁准备或热塑性粒料备料，所述热塑性预浸料为纤维增强热塑性树脂；步骤三：碳纤维薄毡、热塑性预浸料或粒料和电极的铺层固定；步骤四：工装准备；将上述铺设好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料或粒料材料体系、电极、模具、热电偶组合在一起；连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与电源；步骤五：加载电压进行热塑性复合材料产品的成型。所述步骤一中碳纤维薄毡(CFFelt)单层厚度范围为0.10mm～0.30mm，面密度范围为10g/m2～50g/m2。所述步骤二中热塑性预浸料(prepreg)单层厚度范围为0.10mm～1.00mm。所述步骤二中热塑性预浸料形式是长纤维增强形式或连续纤维增强形式；增强纤维种类为各类有机或无机纤维；热塑性预浸料用基体可以是聚丙烯、尼龙、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等热塑性树脂。所述增强纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维等不导电纤维。在所述步骤三之前还有模具清理及辅助材料准备步骤。所述步骤四为单层碳纤维薄毡作为加热源或多层碳纤维薄毡作为加热源。单层碳纤维薄毡作为加热源时，在模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料按铺层方式进行铺层，其中prepreg表示热塑性预浸料，表示以碳纤维薄毡作为对称中心，n(n＝1,2,3……)表示预浸料铺层数，s表示对称铺层。采用多层碳纤维薄毡作为加热源时，在模具表面，将步骤一和步骤二中剪裁好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料按铺层方式进行铺层，即以碳纤维薄毡作为对称面，热塑性预浸料和碳纤维薄毡交替铺层，其中prepreg表示热塑性预浸料，CFFelt表示碳纤维薄毡，n(n＝1,2,3……)表示预浸料铺层数，s表示对称铺层。所述步骤四中包括真空袋成型工艺或模压成型工艺。本专利技术的更具体的技术方案为：一种长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻自加热快速成型方法，所述成型方法包括如下步骤：步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备；步骤二：热塑性预浸料剪裁准备或热塑性粒料备料；步骤三：模具清理及辅助材料准备；步骤四：碳纤维薄毡插入热塑性预浸料铺层或粒料中；步骤五：工装准备；将上述铺设好的材料体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻自加热快速成型方法，所述成型方法包括如下步骤：步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备；步骤二：热塑性预浸料剪裁准备或热塑性粒料备料，所述热塑性预浸料为纤维增强热塑性树脂；步骤三：碳纤维薄毡、热塑性预浸料或粒料和电极的铺层固定；步骤四：工装准备；将上述铺设好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料或粒料材料体系、电极、模具、热电偶组合在一起；连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与直流电源；步骤五：加载电压进行热塑性复合材料产品的成型。

【技术特征摘要】
1.一种长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻自加热快速成型方法，所述成型方法包括如下步骤：步骤一：碳纤维薄毡剪裁准备；步骤二：热塑性预浸料剪裁准备或热塑性粒料备料，所述热塑性预浸料为纤维增强热塑性树脂；步骤三：碳纤维薄毡、热塑性预浸料或粒料和电极的铺层固定；步骤四：工装准备；将上述铺设好的碳纤维薄毡、热塑性预浸料或粒料材料体系、电极、模具、热电偶组合在一起；连接热电偶与程序控制温度调控器，连接程序控制温度调控器与直流电源；步骤五：加载电压进行热塑性复合材料产品的成型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤一中碳纤维薄毡单层厚度范围为0.10mm～0.30mm，面密度范围为10g/m2～50g/m2。3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤二中热塑性预浸料单层厚度范围为0.10mm～1.00mm。4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤二中热塑性预浸料形式是长纤维增强形式或连续纤维增强形式；增强纤维种类为各类有机或无机纤维；热塑性预浸料用基体可以是聚丙烯、尼龙、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等热塑性树脂。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王绍凯，顾轶卓，李敏，梁吉勇，张佐光，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11