CN105729828A - 一种碳纤维复合材料加热固化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合材料加热固化工艺，属于碳纤维复合材料成型工艺技术领域，包括以下步骤，步骤一，抽真空，将碳纤维复合材料放入固化装置内，抽真空至小于?0.8bar，维持时间2min～10min；步骤二，加压升温，将固化装置内环境温度提升到120℃～170℃，升温速度为1.0℃/min～2.0℃/min，并且同时加压到1.0bar～2.0bar；步骤三，保温加压，在步骤二的压力条件下，继续加压到3.0bar～4.0bar，恒压100min～150min；步骤四，降温降压，按照8℃～12℃的温度梯度缓慢降低环境温度，各个温度梯度保温5min～15min，直到环境温度低于80℃时开始缓慢降压。该技术方案得到的碳纤维复合材料产品合格率较现有工艺更高，生产成本得到有效控制，有益效果显著。

Description

一种碳纤维复合材料加热固化工艺
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合材料加热固化工艺，属于碳纤维复合材料成型工艺技术领域。
背景技术
碳纤维复合材料作为一种先进的复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车、战略性武器（导弹等）等领域已有广泛的应用。例如将其用于航空航天结构上，可比常规的金属结构减重20%～30%，并可明显改善其气动弹性特性，运用于航天领域能有效提高飞行性能，为其他材料无法或难以达到。在民用领域，碳纤维复合材料的重量等于同体积钢材的四分之一，但是强度等于相同体积铝材的十倍，因而高端运动器材、体育用品如自行车、球拍、弓箭等，大都采用碳纤维制成。同时碳纤维产品也可以应用于CT床、假肢、骨科器械等。
随着科学技术的进步，碳纤维的产量不断增大，质量逐渐提高，而生产成本稳步下降。各种性能优异的碳纤维复合材料将会越来越多地应用于日常生产生活中。但由于碳纤维生产工艺要求严格，目前世界上碳纤维技术发达的国家（美国、德国、日本、韩国），对于向中国输出碳纤维产品和技术，保持着极其谨慎的态度。即使在目前，我国碳纤维以及碳纤维制品的进口，还受到发达国家的严格控制。另一方面国产碳纤维在质量上和产能上，均远远不能满足市场需求，尤其是民用领域的高品质碳纤维复合材料，更是难以达到世界水准，因此提供一种稳定的碳纤维生产工艺，具有重要意义。
在碳纤维复合材料生产工艺中，复合材料的加热固化工艺中由于会发生复杂的热交换和化学反应，理论上在复合材料内部将产生温度梯度，特别是当复合材料体积较大时，温度梯度差别过大将引起复合材料构件内部残余应力过大，导致构件变形的问题。通常在加热固化工艺中，需要在碳纤维复合材料外包覆真空袋及透气毡等辅助材料，这些辅助材料在起到绝热作用的同时，在靠近模具的表面和靠近真空袋的表面的温度分布完全不一样，这也造成热压装置内温度场较为复杂，这也对加热固化工艺过程中，热压装置内温度的全方位监控，提出了更高要求。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种碳纤维复合材料加热固化工艺，具体技术方案如下：
一种碳纤维复合材料加热固化工艺，包括以下步骤，步骤一，抽真空；步骤二，加压升温；步骤三，保温加压；步骤四，降温降压；
所述步骤一中，将碳纤维复合材料放入固化装置内，抽真空至小于-0.8bar，维持时间2min～10min；
所述步骤二中，将固化装置内环境温度提升到120℃～170℃，升温速度为1.0℃/min～2.0℃/min，并且同时加压到1.0bar～2.0bar；
所述步骤三中，在步骤二的压力条件下，继续加压到3.0bar～4.0bar，恒压100min～150min；
所述步骤四中，按照8℃～12℃的温度梯度缓慢降低环境温度，各个温度梯度保温5min～15min，直到环境温度低于80℃时开始缓慢降压。
作为上述技术方案的改进，所述步骤二中，当复合材料上热电偶温度达到120℃～125℃时，维持环境温度始终大于热电偶温度2℃～5℃。
作为上述技术方案的改进，当步骤二中的复合材料上热电偶温度升至140℃时，开启步骤三。
作为上述技术方案的改进，所述步骤四中，当复合材料上热电偶温度降至60℃时，完成降压。
上述技术方案得到的碳纤维复合材料产品合格率较现有工艺更高，生产成本得到有效控制，有益效果显著。
具体实施方式
本发明提供了一种碳纤维复合材料加热固化工艺，包括以下步骤，步骤一，抽真空；步骤二，加压升温；步骤三，保温加压；步骤四，降温降压；
步骤一，抽真空，将碳纤维复合材料放入固化装置内，抽真空至小于-0.8bar，维持时间2min～10min，该步骤中抽真空的目的是检查热压装置内的气密性；
步骤二，加压升温，将固化装置内环境温度提升到120℃～170℃，升温速度为1.0℃/min～2.0℃/min，并且同时加压到1.0bar～2.0bar，该步骤的目的是通过加压将碳纤维复合材料压紧到模具上，在热压装置内以一定的速率升温，通过对流的方式与模具的表面和真空袋表面进行热交换，温度通过热传导的方式，分别与真空袋上表面和模具模板的下表面向复合材料构件内部进行热量传递；该步骤中，可以进一步控制当复合材料上热电偶温度达到120℃～125℃时，维持环境温度始终大于热电偶温度2℃～5℃，由于该温度区间内碳纤维复合材料内部已开始发生固化反应，固化反应放出的热量将提高复合材料本身的温度，该温度可以由设置在复合材料构件上的热电偶进行监控，此时控制略高于复合材料构件本身的温度，有利于合理的控制环境温度与构件自身温度场的均匀性，避免两者叠加形成复杂的温度场，造成构件内部固化梯度不同，导致产品内部应力大，控制合理的升温速率，将有利于减小这种不均匀性；
步骤三，保温加压，在步骤二的压力条件下，继续加压到3.0bar～4.0bar，恒压100min～150min，该步骤的目的是保持一定的压力，确保碳纤维复合材料构件的成型精度，为了提高材料成型后的均匀性，当步骤二中的复合材料上热电偶温度升至140℃时，再开启步骤三。
步骤四，降温降压，按照8℃～12℃的温度梯度缓慢降低环境温度，各个温度梯度保温5min～15min，直到环境温度低于80℃时开始缓慢降压，采取先降温再降压的工艺，并且采用分梯度降温的工艺，能够有效避免降温速率过快将引起构件内部残余应力以及模具与构件之间的剪切应力，导致构件质量问题，当复合材料上热电偶温度降至60℃时，完成降压。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细阐述。
实施例一
按照以下步骤进行碳纤维复合材料加热固化工艺：
步骤一，抽真空，将碳纤维复合材料放入固化装置内，抽真空至小于-0.8bar，维持时间2min；
步骤二，加压升温，将固化装置内环境温度提升到122℃，升温速度为1.0℃/min，并且同时加压到1.2bar，当复合材料上热电偶温度达到122℃时，维持环境温度始终大于热电偶温度5℃；
步骤三，当步骤二中的复合材料上热电偶温度升至140℃时，保温加压，在步骤二的压力条件下，继续加压到3.5bar，恒压120min；
步骤四，降温降压，按照10℃的温度梯度缓慢降低环境温度，各个温度梯度保温10min，直到环境温度低于80℃时开始缓慢降压，当复合材料上热电偶温度降至60℃时，完成降压，得到的碳纤维复合材料产品。
实施例二
按照以下步骤进行碳纤维复合材料加热固化工艺：
步骤一，抽真空，将碳纤维复合材料放入固化装置内，抽真空至小于-0.8bar，维持时间5min；
步骤二，加压升温，将固化装置内环境温度提升到125℃，升温速度为2.0℃/min，并且同时加压到1.2bar，当复合材料上热电偶温度达到122℃时，维持环境温度始终大于热电偶温度4℃；
步骤三，当步骤二中的复合材料上热电偶温度升至140℃时，保温加压，在步骤二的压力条件下，继续加压到3.8bar，恒压100min；
步骤四，降温降压，按照12℃的温度梯度缓慢降低环境温度，各个温度梯度保温15min，直到环境温度低于80℃时开始缓慢降压，当复合材料上热电偶温度降至60℃时，完成降压，得到的碳纤维复合材料产品。
实施例三
按照以下步骤进行碳纤维复合材料加热固化工艺：
步骤一，抽真空，将碳纤维复合材料放入固化装置内，抽真空至小于-0.8bar，维持时间10min；
步骤二，加压升温，将固化装置内环境温度提升到127℃，升温速度为2.0℃/min，并且同时加压到2.0bar，当复合材料上热电偶温度达到125℃时，维持环境温度始终大于热电偶温度2℃；
步骤三，当步骤二中的复合材料上热电偶温度升至140℃时，保温加压，在步骤二的压力条件下，继续加压到4.0bar，恒压130min；
步骤四，降温降压，按照8℃的温度梯度缓慢降低环境温度，各个温度梯度保温6min，直到环境温度低于80℃时开始缓慢降压，当复合材料上热电偶温度降至60℃时，完成降压，得到的碳纤维复合材料产品。
经检测，上述实施例一、二、三得到的碳纤维复合材料产品合格率较现有工艺更高，生产成本得到有效控制，有益效果显著。

Claims (4)

1.一种碳纤维复合材料加热固化工艺，包括以下步骤，步骤一，抽真空；步骤二，加压升温；步骤三，保温加压；步骤四，降温降压；其特征在于，
所述步骤一中，将碳纤维复合材料放入固化装置内，抽真空至小于-0.8bar，维持时间2min～10min；
所述步骤二中，将固化装置内环境温度提升到120℃～170℃，升温速度为1.0℃/min～2.0℃/min，并且同时加压到1.0bar～2.0bar；
所述步骤三中，在步骤二的压力条件下，继续加压到3.0bar～4.0bar，恒压100min～150min；
所述步骤四中，按照8℃～12℃的温度梯度缓慢降低环境温度，各个温度梯度保温5min～15min，直到环境温度低于80℃时开始缓慢降压。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料加热固化工艺，其特征在于，所述步骤二中，当复合材料上热电偶温度达到120℃～125℃时，维持环境温度始终大于热电偶温度2℃～5℃。
3.如权利要求2所述的一种碳纤维复合材料加热固化工艺，其特征在于，当步骤二中的复合材料上热电偶温度升至140℃时，开启步骤三。
4.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料加热固化工艺，其特征在于，所述步骤四中，当复合材料上热电偶温度降至60℃时，完成降压。
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