碳纤维增强复合材料的自电阻加热成型方法技术

一种碳纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热成型方法，其特征是，１）按照复合材料的一般成型工艺，将连续碳纤维复合材料的预浸料铺层，放入压力机械里；２）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；３）接通交流电源，调整电压使电流值逐步达到预定数值，其中电流通量一般为０．０２Ａ／ｍｍ↑［２］；４）操控压力机械作用约３～５分钟，使预浸料自加热；５）按照复合材料的一般成型工艺，冷却，脱模，既可成型、焊接或修补复合材料。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种导电性碳、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。
技术介绍
先进树脂基复合材料主要特征在于采用高性能纤维如碳纤维、石墨纤维等作为增强材料，得到高纤维体积分数(≥50％)的高性能树脂基复合材料。先进树脂基复合材料的成型方法主要集中在热压罐法、模压成型法、缠绕成型法、树脂传递模塑成型(RTM)等。用于树脂基体熔融、流动、浸润、充模、化学反应固化的能量均是来自外界环境，如一般对模结构平板金属、闭合金属模具等，其加热方式一般采取传导、辐射、对流等方法，使预浸料由外向内传导加热成型。采用这些方法成型碳纤维树脂基复合材料使得能量浪费严重，况且成型周期长，导致制造成本居高不下。其次，复合材料存在由表及里的温度梯度分布，这使得伴有化学反应的热固性复合材料的成型控制比较困难。第三，对需要高温加工成型的高性能热塑性复合材料，其辅助材料及工装要求较高，价格昂贵。这在制备壁厚较大的复合材料制件时尤其突出。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种成型周期短、价格低廉并且适于制备壁厚较大的复合材料制件的碳纤维增强树脂基复合材料的方法。本专利技术的原理是利用导电碳纤维、石墨纤维的自电阻发热性质，而不依赖任何外部的热源，进行复合材料的成型、焊接或修补。其技术解决方案是，按照复合材料的一般成型工艺，将连续碳纤维复合材料的预浸料铺层，放入压力机械里，在压力机械上、下台面与预浸料之间分别安装绝缘层，在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。然后接通交流电源，调整电压，使电流值逐步达到预定数值，其中电流通量一般为0.02A/mm2，压力作用约3～5分钟。再按照复合材料的一般成型工艺，冷却，脱模，既可成型复合材料。在成型不同特殊形状的复合材料时，将预浸料铺入相应的金属模具中，在金属模具的上、下平面与压力机械台面之间加装绝缘层，金属模具的上、下平面做为电极与交流电源连接。为防止过烧，可采用脉冲电源，脉冲电源的断开时间至少比接通时间长3-5倍。为平衡快速温度过程的热应力，可以采取预热或辅助外加热方法，包括烘箱预热、或是利用热压机等传统成型机械里的加热台面作为辅助热源等。即可以将自电阻发热作为主发热条件进行成型、焊接或修补，辅以适当的外加热；也可以将外加热作为主发热条件进行成型、焊接或修补，辅以适当的自电阻加热。通常辅助加热的热强度应该低于主发热条件的强度。在自电阻发热作为主发热条件进行复合材料的焊接时，必须采用绝缘限位垫块来控制母材的变形在适当的范围内，限位块的厚度和几何尺寸可以根据具体焊接形式确定。为使焊接系统自电阻发热更加稳定，且控制变形更加方便，可以引入碳纤维增强预浸带中间层，并从导电预浸带引出电极，采用并联电源方式，分别与上下待焊接母材形成导电通路，提高焊接工艺的可靠性及工作稳定性。本专利技术充分利用了复合材料自身电阻的电发热性质，使其加工成型的加热是由里向外进行，极大地节省了能源。由于导电通道的最短距离通常就是复合材料层合板的厚度方向，使碳纤维材料在最短的时间内迅速加热，自电阻发热数分钟后，既可完成复合材料的成型。该方法操作简单，可以在很短的时间内，以非常低的功耗、制造成本和非常精确的控制，得到高质量的高性能树脂基复合材料。利用这个方法，还可以对碳纤维增强热塑性复合材料进行自电阻加热焊接，或对小范围损伤的热塑性复合材料进行适当的修补。可以复合材料面-面之间的直接自电阻发热焊接，也可以在复合材料面-面之间夹入碳纤维条带进行自电阻发热焊接，其中，单向条带的方向不限。其次，导电回路可以设在复合材料面-面两极，也可以将夹入碳纤维条带作为辅助电极，还可以用相互平行、但相互绝缘的夹入碳纤维条带制成夹入式电极，仅仅通过夹入的碳纤维条带进行焊接。与现有的复合材料成型及连接技术相比，本专利技术具有高效快速，稳定可靠的优点，可以降低复合材料的制造成本，改善工作环境，提高能量的利用率，这是其它通用方法所无法比拟的。附图说明图1为本专利技术的实施例1示意图；图2为本专利技术时间-压力-自电阻发热温度-模具温度关系示意图；图3为本专利技术实施例5示意图；图4为本专利技术实施例7示意图；图5为本专利技术实施例8示意图。具体实施例方式实施例15288/T700环氧树脂基复合材料的自电阻加热成型5288/T700预浸料按16铺层，然后放入带绝缘边框的冷模具中(图1)，其上下表面分别贴合作为接触电极的铜箔，形成沿复合材料厚度方向的导电回路。预压实，测定接触电阻(一般仅几个至十几个欧姆)，参考热压罐法成型的温度参数，核算得到成型需要的电流和电压。在压力下接通脉冲电源(24伏安全电压)，接通时间1秒，断开时间3-5秒，共5个脉冲，估计复合材料的成型温度200-250℃，然后保压冷却，得到合格的复合材料，其主要性能见表1。表1.自电阻加热法制备的5288/T700树脂基复合材料的力学性能5288/T700弯曲强度，MPa1450弯曲模量，GPa92.8层间剪切强度，MPa93.3拉伸强度，MPa2100拉伸模量，GPa125纤维体分，vol％ 52实施例2双马来酰亚胺树脂(BMI)/3186碳纤维织物树脂基复合材料的自电阻加热成型BMI/3186预浸料按准各向同性铺层，重复实施例1的过程，但按照双马来酰亚胺树脂的高温固化条件进行能量衡算，得到成型所需要的电流、电压等控制范围，并推算到成型工艺的基本参数，如温度、压力制度等。通过电流控制这些成型的温度和压力，成型过程持续45min，其中接通时间1秒，断开时间3-5秒，共5个脉冲，估计复合材料的成型温度250-300℃，然后保压冷却，得到合格的复合材料。实施例3热固性聚酰亚胺树脂(PI)/827碳纤维织物树脂基复合材料的自电阻加热成型PI/827预浸料按16铺层。重复实施例1的过程，但按照热固性聚酰亚胺树脂的特定固化条件进行能量衡算，得到成型所需要的电流、电压等控制范围，并推算到成型工艺的基本参数，如温度、压力制度等。通过电流控制这些温度和压力等，成型过程持续60min，其中接通时间2秒，断开时间6-10秒，共10个脉冲，估计复合材料的成型温度300-350℃，然后保压冷却，得到合格的复合材料。特别注意的是，必须将整个装置放入真空箱，并在成型的全过程中保持真空度约为0.9左右。实施例4PEEK热塑性树脂/碳纤维复合材料的自电阻加热成型将PEEK/T300碳纤维共编织的预浸料按16铺层，重复实施例1的过程，但按照热固性聚酰亚胺树脂的特定固化条件进行能量衡算，得到成型所需要的电流、电压等控制范围，并推算到成型工艺的基本参数，如温度、压力制度等。通过电流控制这些温度和压力等，成型过程持续30min，其中接通时间2秒，断开时间6-10秒，共10个脉冲，估计复合材料的成型温度350-380℃，然后保压冷却，得到合格的复合材料。这个成型过程也在真空箱内完成，并在成型的全过程中保持真空度约为0.9左右。实施例5PEEK热塑性树脂基复合材料的自电阻复合加热焊接-1将PEEK/T300碳纤维复合材料板材单面搭接，然后放入带绝缘边框的冷模具中(图3)，其上下表面分别贴合接触电极，形成仅仅在搭接面积上的沿复合材料厚度方向的导电回路。预压实，测定接触电阻(一般仅几个欧姆)，进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：益小苏，秦明，
申请(专利权)人：中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：