CN109177223B - 一种纤维增强树脂基复合材料层合板快速制备方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料基因组技术领域，涉及一种纤维增强树脂基复合材料层合板快速制备方法和装置。装置包括加热平台、热压平台、传送装置、控制***和真空***，热压平台的数量根据所制备的复合材料层合板工艺的阶段数确定，所有热压平台布置在两个加热平台之间，平台之间等距分布，每相邻两个平台之间通过传送装置连接，控制***分别控制并调节每个热压平台的工艺参数和传送装置的传送速度，工艺参数包括压力、温度及保温时间。本发明提供了一种可批量化实现快速制备不同工艺的复合材料层合板的方法和装置，本发明提供的复合材料制备装置和方法通过传送装置将多个加热平台和热压平台串联起来共同实现复合材料制备的完整流程。

Description

一种纤维增强树脂基复合材料层合板快速制备方法和装置
技术领域
本发明属于复合材料基因组技术领域，涉及一种纤维增强树脂基复合材料层合板快速制备方法和装置。
背景技术
先进高分子基复合材料具有广泛的应用需求，但现有研发模式中研发链条各环节以经验和试错筛选为主，缺乏协同设计优化，导致研发成本高、实验周期长、原材料消耗大等问题。
因此，借鉴人类基因组计划的思想而提出的材料基因工程，致力于解决这一问题，基本思路是采用高通量集成计算技术、高通量制备和评测技术、跨尺度材料物性和工艺数据库研究，发展基于材料基因工程的先进高分子基复合材料研发模式。其中探索高通量纤维增强树脂基复合材料制备研发与评价新方法，发展复合材料高通量制备技术，从而提高研发中的迭代和评价效率，是其关键环节之一。
基于材料基因工程的复合材料研发模式中需要实现批量化制备不同工艺的复合材料，以便快速对工艺进行试验，以筛选出最优性能试样的工艺条件。要制备不同工艺条件的复合材料层合板，需要不断改变温度、时间和压力等工艺条件。
目前基于预浸料的层合结构复合材料主要采用热压罐工艺、真空袋工艺、模压工艺等方法制备，由于受到设备条件和工装尺寸的限制，研发试验过程的特点是一个批次只能采用一种工艺条件制备出很有限的试样。例如，采用热压罐工艺制备纤维增强树脂基复合材料试样的具体过程是：首先完成预浸料铺层铺叠并进行工艺组合，然后将复合材料工艺组合体送入热压罐，抽真空至所要求的真空度，按照一定升温制度升温、保温、降温，并在一定的温度按照工艺要求施加压力，。整个过程耗时耗力，大大增加了复合材料层合板的制备周期，而且制备成本较高。综上所述，目前的复合材料制备工艺和装置不能实现批量化快速制备不同工艺的复合材料，无法满足复合材料高通量制备技术的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种可批量化实现快速制备不同工艺的复合材料层合板的方法和装置，提高制备效率，缩短制备时间，并降低制备成本。
本发明的技术解决方案是：
装置包括加热平台、热压平台、传送装置、控制***和真空***，热压平台的数量根据所制备的复合材料层合板工艺的阶段数确定，所有热压平台布置在两个加热平台之间，平台之间等距分布，每相邻两个平台之间通过传送装置连接，控制***分别控制并调节每个热压平台的工艺参数和传送装置的传送速度，工艺参数包括压力、温度及保温时间。
利用纤维增强树脂基复合材料层合板的装置制备纤维增强树脂基复合材料层合板的方法是：预成型体在每一个加热平台或热压平台上的停留时间相同，即每个工艺阶段的时间相同，在每个工艺阶段结束时刻，控制***控制所有热压平台释放压力，压力释放后控制***控制传送装置带动所有进入加热平台或热压平台的预成型体移动一个热压平台的距离，进入下一热压平台进行下一个工艺阶段；具体步骤是，
(1)将所有加热平台和热压平台预先升温至各个平台所属工艺阶段的最高温度；
(2)第一块预成型体进入第一个加热平台后，完成工艺第一阶段；
(3)工艺第一阶段结束时刻，控制传送装置移动一个平台的距离，传送第一块预成型体至第一个热压平台位置；在第一块预成型体进入第一个热压平台位置的同时，第二块预成型体进入第一个加热平台；
(4)控制第一个热压平台进行加压，完成第一块预成型体制备工艺的第二阶段；完成第一块预成型体制备工艺的第二阶段的同时，完成第二块预成型体制备工艺的第一阶段；
(5)第一块预成型体制备工艺第二阶段结束时刻，通过控制***释放第一个热压平台的压力，压力释放后控制传送装置移动一个平台的距离，第一块预成型体进入第二个热压平台，第二块预成型体进入第一个热压平台，第三块预成型体进入第一个加热平台；
(6)控制第三个热压平台和第二个热压平台加压，完成第一块预成型体制备工艺的第三阶段，完成第二块预成型体制备工艺的第二阶段；完成第一块预成型体制备工艺的第三阶段的同时，第三块预成型体在第一个加热平台完成工艺的第一阶段；
(7)第一块预成型体制备工艺的第三阶段完成时刻，通过控制***释放热压平台的压力，压力释放后控制传送装置移动一个平台的距离，所有预成型体进入下一平台进行工艺的下一阶段，新的预成型体进入第一个加热平台完成制备工艺的第一阶段；
(8)以此类推，第n台热压平台进行加压，完成工艺第n+1阶段的过程中，第n-1台同时加压，完成工艺第n阶段，新进入装置的预成型体完成工艺的第一阶段；
(9)重复以上流程即连续制备不同工艺的层合板。
加热平台的数目可以根据保温段的不同而增减；热压平台也可以根据要求加压的温度段的数量而增减；附属真空***在试样需要真空条件时使用。
该装置可以模拟类似于热压罐工艺、真空袋工艺和热压工艺的来快速制备各类工艺条件的纤维增强树脂基复合材料层合板试样。
本发明具有的优点和有益效果
本发明提供了一种可批量化实现快速制备不同工艺的复合材料层合板的方法和装置，本发明提供的复合材料制备装置和方法通过传送装置将多个加热平台和热压平台串联起来共同实现复合材料制备的完整流程。每个加热平台或热压平台完成工艺的一个阶段，传送装置可实现预成型体在不同平台之间的移动，并配有真空***在试样需要真空条件时使用。传统的热压罐方法和模压方法制备不同工艺的层合板时需要将模具温度由高温降至室温才能进行下一次工艺流程。本发明提供的复合材料层合板制备方法，每个加热平台或热压平台完成整个制备工艺的一个阶段，不需要降至室温；即任意一平台完成一个预成型体在该平台的工艺后，可以马上进行下一个预成型体的工艺，保证了平台的连续工作。另外，热压平台可针对不同的预成型体调整压力和温度，快速实现工艺参数的变化。该方法可以节约大量的升温降温时间、提高制备效率、降低制备成本，并能够模拟热压罐、真空袋和模压工艺各种实验条件，实现较为准确的控制实验条件，快速制备各种工艺条件的层合板。
附图说明
图1纤维增强复合材料试样快速制备装置示意图
具体实施方式
纤维增强树脂基复合材料快速制备装置：该装置由一系列的加热平台1、4和热压平台2、3通过传送装置6串联而成，配有控制***8和附属的真空***7在必要时提供真空。该装置可实现物料线性连续运行，并且可以在线调整温度、压力，从而实现批量、快速制备具有不同工艺制度的复合材料。对于需要初始加热，在温度达到一定值后加压，到最高温度保温保压的工艺的制备工艺。具体实施步骤如下：
(1)首先将加热平台1、4和热压平台2、3升温至工艺设定的温度，然后将第一块预成型体5放入第一个加热平台1上加热，加热时长为工艺第一阶段的时间；
(2)通过控制***8控制传送装置6移动一个平台的距离，第一块预成型体5进入第一个热压平台2；
(3)控制***8控制热压平台2施加相应的压力，加压、加热相应的时间，完成工艺的第二阶段；在热压平台2进行热压工艺的过程中，第二块预成型体进入第一个加热平台1，加热完成工艺第一阶段；
(4)通过控制***8控制热压平台2释放压力，压力释放后控制控制传送装置6移动一个平台的距离，第一块预成型体5进入第二个热压平台3，第二块预成型体进入第一个热压平台2；
(5)控制***8控制热压平台2和热压平台3施加相应的压力，加压、加热相应的时间，第一块预成型体5和第二块预成型体分别完成工艺的第三阶段和第二阶段，后续预成型体进入第一个加热平台1完成工艺的第一阶段；
(6)控制***8控制热压平台2和热压平台3释放压力，压力释放后控制控制传送装置6移动一个平台的距离，第一块预成型体5完成整个工艺流程进入第二个加热平台4降温处理；其余预成型体进入下一阶段的工艺；
(7)可通过控制***8控制加热平台1的温度和热压平台2、3的温度、压力以及保温时间，可以方便快速的制备不同工艺的层合板样品；
(8)在以上的步骤中，如有需要，真空***7可以对预成型体5进行抽真空处理。
实施例1
对工艺如下的层合板：室温抽真空至-0.095MPa，40℃加压0.4-1.2MPa，保温20-60min后，在110℃-130℃恒温60-120min，降温至室温，制备多种工艺条件下的样品，测试其力学性能，以优化工艺。其主要工艺条件如表1所示。
表1某层合板制备工艺
Figure BDA0001726306830000041
可以采用如下方法进行快速制备：
1)将预浸料按照预先设定的铺层顺序进行铺贴，得到13个预成型体，室温抽真空，真空度不小于-0.095MPa。
2)采用两段热压平台，第一热压平台为温度设置为40℃，第二热压平台设置温度为110℃。将1#试样放入第一个热压平台，加压0.4MPa，保温30min后，移入第二个热压平台，加压0.4MPa，保温60min。
3)在1#试样移入第二热压平台后30min，即可将2#样品放入第一个热压平台，加压后保持相应温度，后续样品以此类推。
4)这样制备上述13个样品的总时间不超过21h；而如果采用热压罐工艺，加上升温降温时间，平均每个试样的制备时间为6h，制备上述样品需要78h，且能源和设备消耗巨大。因此，本方法可大大提高层合板试样制备速度，节约能源和资源。
实施例2
对工艺如下的层合板：室温抽真空至-0.095MPa，80℃保温20-60min后，130℃保温30min，190℃保温60-120min，降温至室温，制备多种工艺条件下的样品，用于测试其力学性能，以优化工艺。
可以采用如下方法进行快速制备：
1)将预浸料按照预先设定的铺层顺序进行铺贴，得到多个预成型体，室温抽真空，真空度不小于-0.095MPa。
2)采用3段加热平台，第一加热平台为温度设置为80℃，第二加热平台设置温度为130℃，第三加热平台为190℃。
3)根据规划的不同制备工艺，通过控制***调整预成型体在三个加热平台的停留时间，便可得到不同工艺的样品。
实施例3
对工艺如下的层合板：110℃加压0.1-0.3MPa，保温30min。在170℃加压0.4-0.8MPa，保温60min，降温至室温，制备多种工艺条件下的样品，用于测试其力学性能，以优化工艺。
可以采用如下方法进行快速制备：
1)将预浸料按照预先设定的铺层顺序进行铺贴，得到多个预成型体。
2)采用一个加热平台和两个热压平台共同完成工艺流程，加热平台温度设为80℃，第一热压平台温度设为110℃，第二热压平台温度设为170℃。
3)预成型体首先在加热平台进行预升温，然后依次进入第一热压平台和第二热压平台，根据规划的不同制备工艺，通过控制***调整两个热压平台的压力便可得到不同工艺的样品。

Claims (3)

1.一种采用纤维增强树脂基复合材料层合板的装置制备纤维增强树脂基复合材料层合板的方法，其特征是：所述装置包括加热平台、热压平台、传送装置、控制***和真空***，热压平台的数量根据所制备的复合材料层合板工艺的阶段数确定，所有热压平台布置在两个加热平台之间，平台之间等距分布，每相邻两个平台之间通过传送装置连接，控制***分别控制并调节每个热压平台的工艺参数和传送装置的传送速度，工艺参数包括压力、温度及保温时间；预成型体在每一个加热平台或热压平台上的停留时间相同，即每个工艺阶段的时间相同，在每个工艺阶段结束时刻，控制***控制所有热压平台释放压力，压力释放后控制***控制传送装置带动所有进入加热平台或热压平台的预成型体移动一个热压平台的距离，进入下一热压平台进行下一个工艺阶段；具体步骤是，
(1)将所有加热平台和热压平台预先升温至各个平台所属工艺阶段的最高温度；
(2)第一块预成型体进入第一个加热平台后，完成工艺第一阶段；
(3)工艺第一阶段结束时刻，控制传送装置移动一个平台的距离，传送第一块预成型体至第一个热压平台位置；在第一块预成型体进入第一个热压平台位置的同时，第二块预成型体进入第一个加热平台；
(4)控制第一个热压平台进行加压，完成第一块预成型体制备工艺的第二阶段；完成第一块预成型体制备工艺的第二阶段的同时，完成第二块预成型体制备工艺的第一阶段；
(5)第一块预成型体制备工艺第二阶段结束时刻，通过控制***释放第一个热压平台的压力，压力释放后控制传送装置移动一个平台的距离，第一块预成型体进入第二个热压平台，第二块预成型体进入第一个热压平台，第三块预成型体进入第一个加热平台；
(6)控制第三个热压平台和第二个热压平台加压，完成第一块预成型体制备工艺的第三阶段，完成第二块预成型体制备工艺的第二阶段；完成第一块预成型体制备工艺的第三阶段的同时，第三块预成型体在第一个加热平台完成工艺的第一阶段；
(7)第一块预成型体制备工艺的第三阶段完成时刻，通过控制***释放热压平台的压力，压力释放后控制传送装置移动一个平台的距离，所有预成型体进入下一平台进行工艺的下一阶段，新的预成型体进入第一个加热平台完成制备工艺的第一阶段；
(8)以此类推，第n台热压平台进行加压，完成工艺第n+1阶段的过程中，第n-1台同时加压，完成工艺第n阶段，新进入装置的预成型体完成工艺的第一阶段；
(9)重复以上流程即连续制备不同工艺的层合板。
2.根据权利要求1所述的制备纤维增强树脂基复合材料层合板的方法，其特征是：所述装置中加热平台的数目根据保温段的不同而增减；热压平台根据要求加压的温度段的数量而增减；真空***在试样需要真空条件时使用。
3.根据权利要求1所述的制备纤维增强树脂基复合材料层合板的方法，其特征是：利用所述装置模拟热压罐工艺、真空袋工艺和热压工艺制备各类工艺条件的纤维增强树脂基复合材料层合板。
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