CN105666842A - 一种高温热塑性复合材料制品的加工方法 - Google Patents

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刘秀菊
张德宾
梁旭
邹积洋
邵军
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Abstract

本发明公开了一种高温热塑性复合材料制品的加工方法，该方法利用原位固结技术进行缠绕或铺放成型，即首先利用能够在短时间内达到较高温度(900℃)的热气炬，加热预先制备的预浸带，使预浸带中树脂基体高温熔融，然后将其以0.5-15m/min的速度在导带辊的作用下均匀缠绕在芯模的表面，在径向压力辊的和张力收紧装置的作用下，排出预浸带界面之间的空隙，通过熔体流动和施加压力实现预浸带层与层之间的粘结，最后在固结冷却为密实的缠绕结构。本发明的原位固结成型工艺方法，能够适用于大部分热塑性复合材料预浸料的干法缠绕或铺放，其制成的不同的纤维增强热塑性复合材料构件可满足多种工业领域的应用需要。

Description

一种高温热塑性复合材料制品的加工方法
技术领域
本发明属于复合材料科学技术领域，具体的，本发明涉及通过原位固结缠绕工艺来制造热塑性复合材料制品的成型方法。
背景技术
纤维增强热塑性树脂基复合材料(FiberReinforcedThermoPlastic，简称FRTP)是一种以树脂为基体，纤维充当增强剂而组成的复合材料，其制品与热固性复合材料制品相比具有以下优点a)制品可重复加工，废旧制品可再生利用，利于环保；b)基体树脂种类多，可选择性大；c)可热成型，成型周期短，生产效率高；d)韧性高，耐冲击性能好；e)预浸料保存期限几乎不受限制；f)产品设计自由度大，可制成复杂形状，成型适应性广，是下一代复合材料发展的热点。由于克服了热固性树脂基复合材料断裂韧性差、损伤容限低、吸湿、成型加工周期长等缺点，因而近二十年来，热塑性树脂基复合材料得到了迅速的发展，其产品可广泛用于航天、航空、兵器、汽车、建材和化工防腐容器等领域。
目前，国内外对热塑性复合材料的缠绕工艺主要集中在利用预先制备的预浸带进行缠绕方面，成型时，预浸带中树脂基体高温熔融，通过熔体流动和施加压力实现预浸带层与层之间的粘结。但由于热塑性复合材料基体树脂的熔体粘度普遍较高，熔体流动困难，为了使热塑性树脂获得较低的粘度，往往需要更高的温度，更高的热量输入，耗用更多的能量。
原位固结缠绕加工技术利用热塑性复合材料不需要固化周期，在缠绕或铺放到芯模上后能够即刻熔融和即刻再结晶/固结的优点，定位加热复合材料预浸带，降低了对复合材料和芯模的热量输入，这一加工工艺消除了热膨胀的影响，可以有效地保证产品尺寸稳定性。
目前用于高性能热塑性复合材料原位固结缠绕加工技术的热源主要有大功率激光器(二极管式，功率2000w)、热气炬、氢氧火焰、超声波等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高温热塑性复合材料制品的加工方法，该方法利用热塑性复合材料不需要固化周期，在缠绕或铺放到芯模上后能够即刻熔融和即刻再结晶/固结的优点，以类似于“焊接”的方式定位加热复合材料预浸带，降低了对复合材料和芯模的热量输入；同时这一加工工艺消除了热膨胀的影响，可以有效地保证产品尺寸稳定性。本发明采用原位固结成型的工艺方法，制备在高温下可长期使用，具有优异力学性能的新一代高性能热塑性复合材料缠绕构件。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种高温热塑性复合材料制品的加工方法，利用热气炬加热预先制备的热塑性复合材料预浸带，使预浸带中树脂基体高温熔融，然后将其以0.5-15m/min的速度在导带辊的作用下均匀缠绕在芯模的表面，并通过加压固结，最后固结冷却为密实的缠绕结构。所述加压固结是指在张力和径向压力作用下排除预浸带界面之间的孔隙，最后在压力的作用下固结冷却为密实的缠绕结构。本发明中，所述预浸带在以0.5-15m/min的速度运动的同时，在径向压力辊的和张力收紧装置的作用下，排出预浸带界面之间的空隙，通过熔体流动和施加压力实现预浸带层与层之间的粘结，即为加压固结。
上述技术方案中，预先制备的预浸带缠绕在料盘上进行放卷，所述料盘的预浸带在张力作用下，经过多组导带辊的导向作用到达芯模，经径向压力辊和芯模的预热作用，利用热气炬提供的热量迅速加热，使热塑性的基体树脂快速熔融，然后以一定的速度均匀缠绕或铺放在芯模的表面，在张力收紧装置提供的张力和径向压力辊提供的压力作用下排除预浸带界面之间的孔隙，最后在压力作用下固结冷却为密实的缠绕结构。
进一步的技术方案中，所述方法在以下加工设备中制备：所述加工设备包括：料盘、导带辊、径向压力辊、芯模、和热气炬；所述芯模具有张力收紧装置；所述径向压力辊和所述芯模呈相切的位置设置，所述热气炬设置在所述芯模和所述径向压力辊之间。
进一步的技术方案中，所述热塑性复合材料预浸带为单向纤维增强热塑性树脂基体的单向带，其制备原料包括增强纤维和热塑性复合材料基体；所述增强纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、和PBO纤维中的一种或多种；所述热塑性复合材料基体选自聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)的一种。
进一步的技术方案中，所述热塑性复合材料预浸带中纤维体积含量为47％～63％。
进一步的技术方案中，所述热气炬的加热温度为300-900℃。该工艺采用的热源为热气炬，该热气炬能在短时间内达到900℃的高温，从而可将大部分的热塑性复合材料预浸带的树脂基体熔化，获得流动性较好的低粘度的熔体，并在辅助以一定的压力，实现热塑性预浸带层与层之间的粘结。
进一步的技术方案中，所述芯模和径向压力辊具有预热功能，预热温度均为60-280℃。
进一步的技术方案中，缠所述张力收紧装置提供的张力提供的缠绕张力0-30N，所述径向压力辊径向压力为1-20MPa。
本发明高温热塑性复合材料制品加工方法所带来的有益效果是：
(1)本发明通过原位固结工艺缠绕成型，能够增强制品界面之间的粘合，获得低空隙率的密实缠绕结构，从而获得具有优异力学性能的高性能热塑性复合材料制品。
(2)由于热塑性复合材料不需要固化周期，在缠绕或铺放到芯模上后能够即刻熔融和即刻再结晶/固结，因而缩短了产品制造周期。
(3)通过类似于“焊接”的方式原位固结工艺定位加热复合材料预浸带，降低了对复合材料和芯模的热量输入，减少了能源消耗，降低了生产成本。原位固结加工工艺消除了热膨胀的影响，可以有效地保证产品尺寸稳定性，提高了产品的制造精密度。
附图说明
图1是本发明的涉及的原位固结加工工艺的工艺流程图。
图中各个附图标记对应的部件名称是：1-料盘；2-导带辊；3-预浸带；4-径向压力辊；5-芯模；6-热气炬。
具体实施方式
实施例一
以下结合附图和实施例对本发明涉及的技术方案进行进一步的详细说明。
结合图1来说明本实施方式。本实施方式将缠绕于料盘1的玻璃纤维/PPS预浸带3(纤维体积含量分别为50％)在张力作用下，经过多组导带辊2的导向作用到达芯模5，经径向压力辊4和芯模5的预热作用，利用热气炬6提供的热量迅速加热，使热塑性的PPS基体树脂快速熔融，然后以一定的速度均匀缠绕或铺放在芯模5的表面，在张力收紧装置提供的张力和径向压力辊4提供的压力作用下排除预浸带界面之间的孔隙，最后在压力作用下固结冷却为密实的缠绕结构。
缠绕成型工艺参数为：缠绕张力0-30N，芯模和径向压力辊预热温度60-280℃，加热温度300-500℃，缠绕速度0.5-15m/min，径向压力1-20MPa。
本实施例制成的玻璃纤维增强PPS复合材料缠绕构件具有一系列优异性能(表1)，能够满足耐高温环境的使用要求。
表1玻璃纤维/PPS性能
序号 项目 单位 性能
1 拉伸强度 MPa 1005
2 拉伸模量 GPa 46.4
3 弯曲强度 MPa 1242
4 弯曲模量 GPa 46.7
5 热变形温度 ℃ ≥250
实施例二
本实施例与实施例1基本相同，其区别仅在于，所述预浸带为玻璃纤维/PI预浸带，纤维体积含量分别为55％。
本实施例制成的玻璃纤维增强聚酰亚胺复合材料缠绕构件具有一系列优异性能(表2)，能够满足多种工业领域的需要。
表2玻璃纤维/PI性能
序号 项目 单位 性能
1 拉伸强度 MPa 1606
2 拉伸模量 GPa 61.58
3 弯曲强度 MPa 1042
4 弯曲模量 GPa 60.84
5 热变形温度 ℃ ≥250
实施例三
本实施例与实施例1基本相同，其区别仅在于，所述预浸带为碳纤维/PEEK预浸带，纤维体积含量分别为5％。
本实施例制成的碳纤维增强PEEK复合材料缠绕构件可满足耐高温环境的使用要求，具有一系列优异性能(表3)，能够满足多种工业领域的需要。
表3碳纤维/PEEK性能
序号 项目 单位 性能
1 拉伸强度 MPa 1150
2 拉伸模量 GPa 126.3
3 弯曲强度 MPa 1478
4 弯曲模量 GPa 104.7
5 热变形温度 ℃ ≥250
以上实施例对本发明进行具体描述，这些实施例仅用于对本发明作用作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的内容作出一些非本质性改变，均属本发明保护范围。

Claims (7)

1.一种高温热塑性复合材料制品的加工方法，其特征在于，利用热气炬加热预先制备的热塑性复合材料预浸带，使预浸带中树脂基体高温熔融，然后将其以0.5-15m/min的速度在导带辊的作用下均匀缠绕在芯模的表面，并通过加压固结，最后固结冷却为密实的缠绕结构。
2.如权利要求1所述的一种高温热塑性复合材料制品的加工方法，其特征在于，所述方法在以下加工设备中制备：所述加工设备包括：料盘、导带辊、径向压力辊、芯模、和热气炬；所述芯模具有张力收紧装置；所述径向压力辊和所述芯模呈相切的位置设置。
3.根据权利要求2所述的高温热塑性复合材料制品的加工方法，其特征在于，所述热塑性复合材料预浸带为单向纤维增强热塑性树脂基体的单向带，制备原料包括增强纤维和热塑性复合材料基体；所述增强纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、和PBO纤维中的一种或多种；所述热塑性复合材料基体选自聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)的一种。
4.如权利要求3所述的一种高温热塑性复合材料制品的加工方法，其特征在于，所述热塑性复合材料预浸带中纤维体积含量为47％～63％。
5.如权利要求4所述的一种高温热塑性复合材料制品的加工方法，其特征在于，所述热气炬的加热温度为300-900℃。
6.如权利要求5所述的一种高温热塑性复合材料制品的加工方法，其特征在于，所述芯模和径向压力辊具有预热功能，预热温度均为60-280℃。
7.如权利要求6所述的一种高温热塑性复合材料制品的加工方法，其特征在于，所述张力收紧装置提供的张力提供的缠绕张力0-30N，所述径向压力辊径向压力为1-20MPa。
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