CN108016054A - 碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺 - Google Patents

Abstract

碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺。本发明公开了一种碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，其中包括将预浸料分切成一定形状及角度的预浸料；清洁模具，涂覆脱模剂；使用加热平台对切割后的预浸料预加热处理；将其铺放形成形状规整的碳纤维复合材料层；使用真空膜袋密封处理，抽真空负压；使用烘箱将其加热固化；冷却后将碳纤维复合材料层从模具上分离；对其进行切割打磨，得到碳纤维复合材料成型膜盘的成品件。本发明方法制得的膜盘具有高含量纤维，表面光亮无气泡，层间结合强度到达模压成型工艺的效果，满足航空航天航海领域对碳纤维复合材料制品生产的要求。

Description

碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺

技术领域：

本发明涉及一种碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，特别涉及一种预浸料碳纤维复合材料即闭模内压成型工艺。

背景技术：

树脂基碳纤维增强相复合材料，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低，比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。

模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法它是将一定量预浸料加入金属对模内，经加热、加压来固化成型的一种方法。模压成型工艺的主要优点是生产效率高，便于实现专业化和自动化生产，可有效降低制造成本；产品尺寸精度高，重复性好；表面光洁，无需二次修饰；能一次成型结构复杂的制品。模压成型的不足之处在于模具制造复杂，投资较大。随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的不断改进和发展，模压料的成型温度和压力的相对降低，使得模压成型制品的生产率显著提高，质量向精细化发展，尺寸逐步向大型化发展，目前已能生产大型汽车部件、浴盆、整体卫生间组件等。

发明内容：

本本发明的目的是明确一种碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，为了解决现有技术中无法用碳纤维复合材料制造出质量轻、强度高、耐磨性强的膜盘的问题，进而提供一种碳纤维复合材料成型膜盘的制作工艺。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，所述的工艺通过以下步骤实现：

步骤1、预浸料分切处理过程，包括：将卷状的预浸料装配在料架上，将预浸料在经纬切割机上铺平并校准限位，调试切割机，根据铺放要求以及铺放角度的不同，按照切割机所绘制的图形进行切割，重复上述步骤直至将所有预浸布分切完成，并收集分切好的预浸料；

步骤2、膜盘模具清理及预浸料预热过程：

首先，使用丙酮将膜盘模具表面清理至无杂质附着状态，然后，在膜盘模具表面均匀涂覆2-3次的环氧树脂脱模剂，最后，利用加热平台对步骤1分切得到的预浸料进行预热加热操作；

步骤3、预浸料铺放过程，包括：

在预热加热平台上将步骤2预热后软化的预浸料按照设计结论的纤维方向、铺放顺序进行铺放，铺放时沿纤维方向将层间的气泡挤出，最后铺成形状规整的碳纤维复合材料层；该种气泡挤出方法能有效避免复合材料预浸料在进行模压处理时纤维走形，所制成的制件能保证其均匀、平整、无气隙等特性；

步骤4、模压处理过程，包括：

得到形状规整的碳纤维复合材料层后，在膜盘夹具内按照PTFE脱模布、碳纤维复合材料层和PTFE脱模布的铺放顺序进行铺放，然后，使用连接夹紧机构将膜盘模具锁紧保持压力；

步骤5、固化脱模过程，包括：

首先，将锁紧的模具放入烘箱中，进行140℃的温度下烘烤120min的固化历程；然后，待制件冷却至20±5℃，将所述碳纤维复合材料层进行脱模；最后，对制件进行切割、打磨以及表面处理，得到碳纤维复合材料成型膜盘。

有益效果：

本发明方法明确了碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，该种工艺具有许多优点：制件强度和模量高，密度低，比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好。

本发明的成型工艺所加工制成的复合材料成型膜盘，纤维含量高达55％以上，表面光亮无气泡，层间结合强度到达模压成型工艺的效果，实现了更轻更强的目的，能满足航空航天航海领域对碳纤维复合材料制品生产的要求。

附图说明：

图1是，实施例1中预浸布分切处理结构示意图；

图2是，实施例1中模具结构示意图；

图3是，实施例1中固化过程结构示意图；

其中：1-预浸布收放架，2-振动切割刀，3-切割平台，4-预浸布；5-凸模，6-合模螺栓，7-定位销，8-凹模，9-活动楔块；10-烘箱，11-组装后的模具。

具体实施方式：

具体实施方式一：

本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，该种碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，它涉及到树脂基碳纤维预浸布的分切方法，即首先将卷状预浸布装配在料架上，将预浸布边缘与位置校准机械结构进行限位固定，使用震动切割刀将预浸布分切为多个指定尺寸的预浸料，将分切好的预浸料收集，重复上述步骤直至将所有预浸布分切完成。

该种树脂基碳纤维预浸布的分切方法制得的预浸料具有厚度均匀且尺寸精确，对制品的致密性、均匀性、尺寸精度都有十分显著的提高。

该种碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，它涉及到预热加工工艺方法，即在模具附近使用加热设备对模具进行非接触式加热，使模具由内到外升温均匀。该加热工艺方法的温度可控精度可以达到±0.2℃，能有效控制模具温度且能量损耗低于20％。

该种模具预热加热工艺方法与传统红外加热相比较具有以下优势：模具是由内到外升温，温度能保持稳定且均匀，在预浸料铺设时能保证层间气体有效挤出；非接触式加热的温度控制十分精确，温度可控精度可以达到±0.2℃，能保证进行铺设时树脂的粘度与流动性；能量损耗低于20％，而且在生产制作过程中降低了操作者的安全风险。

该种碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，即使用模具施加预紧力，将分切出的碳纤维复合材料预浸料，按照设计好的纤维方向、铺设顺序进行铺放，铺成形状规整的碳纤维复合材料层放置于模具内部，形成碳纤维复合材料层的方法，是按照以下步骤实现的。

所述的工艺通过以下步骤实现：

步骤1、预浸料分切处理过程，包括：将卷状的预浸料装配在料架上，将预浸料在经纬切割机上铺平并校准限位，调试切割机，根据铺放要求以及铺放角度的不同，按照切割机所绘制的图形进行切割，重复上述步骤直至将所有预浸布分切完成，并收集分切好的预浸料；该种树脂基碳纤维预浸布的分切方法制得的预浸料具有厚度均匀且尺寸精确，对制品的致密性、均匀性、尺寸精度都有十分显著的提高；

步骤2、膜盘模具清理及预浸料预热过程：

首先，使用丙酮将膜盘模具表面清理至无杂质附着状态，然后，在膜盘模具表面均匀涂覆2-3次的环氧树脂脱模剂，最后，利用加热平台对步骤1分切得到的预浸料进行预热加热操作；

步骤3、预浸料铺放过程，包括：

在预热加热平台上将步骤2预热后软化的预浸料按照设计结论的纤维方向、铺放顺序进行铺放，铺放时沿纤维方向将层间的气泡挤出，最后铺成形状规整的碳纤维复合材料层；该种气泡挤出方法能有效避免复合材料预浸料在进行模压处理时纤维走形，所制成的制件能保证其均匀、平整、无气隙等特性；

步骤4、模压处理过程，包括：

得到形状规整的碳纤维复合材料层后，在膜盘夹具内按照PTFE脱模布、碳纤维复合材料层和PTFE脱模布的铺放顺序进行铺放，然后，使用连接夹紧机构将膜盘模具锁紧保持压力；

步骤5、固化脱模过程，包括：

首先，将锁紧的模具放入烘箱中，进行140℃的温度下烘烤120min的固化历程；然后，待制件冷却至20±5℃，将所述碳纤维复合材料层进行脱模；最后，对制件进行切割、打磨以及表面处理，得到碳纤维复合材料成型膜盘。经受力测试该制件的最大应力为172.3MPa，最大位移补偿为6.7mm，最大角度补偿为1.8°。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，步骤1所述的按照切割机所绘制的图形进行切割，重复上述步骤直至将所有预浸布分切完成的过程中，采用坐标切割机震动切割刀的切割方法将预浸料进行分切处理的。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，步骤2所述的利用加热装置对步骤1分切得到的预浸料进行预热加热操作时，所用的加热装置为数字化加热平台装置。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，步骤2所述的对步骤1分切得到的预浸料进行预热加热操作时，是将预浸料加热到29±1℃。

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，步骤3所述的预浸料铺放过程中，膜盘模具具有凹模和凸模两部分，膜盘模具的凸模的锥度与膜盘的设计变形量相同。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，步骤3所述的预浸料按照设计结论表2的纤维方向、铺放顺序进行铺放，铺放时将层间的气泡挤出的过程中，是将层间的气泡沿纤维方向挤出的。

具体实施方式七：

与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，步骤3所述的预浸料铺放过程中，铺成形状规整的碳纤维复合材料层的外轮廓尺寸比所述膜盘模具的内轮廓尺寸大2.75mm～3.15mm。该偏差值能有效提升碳纤维复合材料层在固化加热过程中的变形与堆积现象。

具体实施方式八：

与具体实施方式七不同的是，本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，步骤5所述的固化脱模过程中，模具凹模边界设有活动楔块，脱模时可利用活动楔块将制件顶出。

具体实施方式九：

与具体实施方式一、二、四、六或八不同的是，本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，模具铺层步骤中所述模具设有4个定位销，9个合模螺栓。

具体实施方式十：

与具体实施方式九不同的是，本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，步骤4所述的模压处理过程中，使用连接夹紧机构将膜盘模具锁紧操作中所用的预紧力为95-135N。利用此范围内的预紧力能控制模具制件在下一步的固化过程中的树脂溢出量与成品尺寸保持在正常范围内。

具体实施方式十一：

与具体实施方式一、二、四、六、八或十不同的是，本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，所述预紧力为103N。

具体实施方式十二：

与具体实施方式十一不同的是，本实施方式的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，步骤5所述的固化脱模过程中，所述的使用烘箱按照设计的固化历程进行固化的过程中，所用烘箱采用不锈钢材料进行焊接，其内部内置风机使空气保持对流状态，使其内部受热均匀。

实施例1：

碳纤维环氧树脂预浸布为中复神鹰碳纤维有限责任公司的SYT700S/环氧5228碳纤维预浸布，其单向板力学性能如表1所示，将其水平放置于宁波经纬数控设备有限公司的FH-RM复合材料行业坐标切割机上，安装切割角度为26°切割刀片，调整刀深为42.00mm，如图1沿纤维延伸方向安装切割设备的限位装置；并将预浸料的端面设置为与限位装置水平边缘对齐，开启切割机的吸风固定将待切割的宽幅预浸布平整地吸附固定在切割机的工作台面；利用切割程序软件定位切割刀的起始位置并绘制切割路径，开始宽幅预浸料的分切工作，即开始预浸带的分切制作；最后将切割后的预浸料铺设在图2所示模具内以完成该步骤。

图3中的模具11是选为带有拔模斜度的45号钢模具，将模具用丙酮进行清理至无杂质附着状态，之后使用环氧树脂脱模剂将其均匀涂覆于模具表面2-3次后，将模具加热至29℃±1℃。

将预浸料进行预热软化后，将预浸料按照表2的纤维方向、铺设顺序进行铺放，铺设时每层都用刮板将纤维层间的气泡挤出，铺成形状规整的碳纤维复合材料层。

铺设完成时停止加热，按照PTFE脱模布、铺放完成的碳纤维复合材料层、PTFE脱模布的顺序铺放至模具内，使用连接夹紧机构将模具以103N的预紧力锁紧。

启动并调试烘箱，设定相应的固化历程，将锁紧的模具放入烘箱中以140℃/120min为固化历程；固化结束后待模具冷却至室温后，将所述碳纤维复合材料层进行脱模；对制件进行切割打磨，进行表面处理，得到碳纤维复合材料成型膜盘。经受力测试该制件的最大应力为172.3MPa，最大位移补偿为6.7mm，最大角度补偿为1.8°。

表1，单向板力学性能：

纵向拉伸强度	1910MPa	纵向拉伸模量	130GPa
				纵向压缩强度	1154MPa	横向拉伸模量	10.3GPa
横向拉伸强度	22MPa	面内剪切模量	4.7GPa
				横向压缩强度	150MPa	泊松比	0.3
剪切强度	79MPa

表2，预浸料按照表2的纤维方向、铺设顺序，设计参数要求所设计并实际使用的：

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，其特征是：所述的工艺通过以下步骤实现：

步骤1、预浸料分切处理过程，包括：将卷状的预浸料装配在料架上，将预浸料在经纬切割机上铺平并校准限位，调试切割机，根据铺放要求以及铺放角度的不同，按照切割机所绘制的图形进行切割，重复上述步骤直至将所有预浸布分切完成，并收集分切好的预浸料；

步骤2、膜盘模具清理及预浸料预热过程：

首先，使用丙酮将膜盘模具表面清理至无杂质附着状态，然后，在膜盘模具表面均匀涂覆2-3次的环氧树脂脱模剂，最后，利用加热平台对步骤1分切得到的预浸料进行预热加热操作；

步骤3、预浸料铺放过程，包括：

在预热加热平台上将步骤2预热后软化的预浸料按照设计结论的纤维方向、铺放顺序进行铺放，铺放时沿纤维方向将层间的气泡挤出，最后铺成形状规整的碳纤维复合材料层；

步骤4、模压处理过程，包括：

得到形状规整的碳纤维复合材料层后，在膜盘夹具内按照PTFE脱模布、碳纤维复合材料层和PTFE脱模布的铺放顺序进行铺放，然后，使用连接夹紧机构将膜盘模具锁紧保持压力；

步骤5、固化脱模过程，包括：

首先，将锁紧的模具放入烘箱中，进行140℃的温度下烘烤120min的固化历程；然后，待制件冷却至20±5℃，将所述碳纤维复合材料层进行脱模；最后，对制件进行切割、打磨以及表面处理，得到碳纤维复合材料成型膜盘。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，其特征在于：步骤1所述的按照切割机所绘制的图形进行切割，重复上述步骤直至将所有预浸布分切完成的过程中，采用坐标切割机震动切割刀的切割方法将预浸料进行分切处理的。

3.根据权利要求1或2所述的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，其特征在于：步骤2所述的利用加热装置对步骤1分切得到的预浸料进行预热加热操作时，所用的加热装置为数字化加热平台装置。

4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，其特征在于：步骤2所述的对步骤1分切得到的预浸料进行预热加热操作时，是将预浸料加热到29±1℃。

5.根据权利要求1、2或4所述的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，其特征在于：步骤3所述的预浸料铺放过程中，膜盘模具具有凹模和凸模两部分，膜盘模具的凸模的锥度与膜盘的设计变形量相同。

6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，其特征在于：步骤3所述的预浸料按照设计结论的纤维方向、铺放顺序进行铺放，铺放时将层间的气泡挤出的过程中，是将层间的气泡沿纤维方向挤出的。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，其特征在于：步骤3所述的预浸料铺放过程中，铺成形状规整的碳纤维复合材料层的外轮廓尺寸比所述膜盘模具的内轮廓尺寸大2.75mm～3.15mm。

8.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，其特征在于：步骤4所述的模压处理过程中，使用连接夹紧机构将膜盘模具锁紧操作中所用的预紧力为95-135N。

9.根据权利要求8所述的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，其特征在于：所述预紧力为103N。

10.根据权利要求1、2、4、6、8或9所述的碳纤维复合材料成型膜盘制造工艺，其特征在于：步骤5所述的固化脱模过程中，所述的使用烘箱按照设计的固化历程进行固化的过程中，所用烘箱采用不锈钢材料进行焊接，其内部内置风机使空气保持对流状态，使其内部受热均匀。