[发明专利]长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻加热快速成型方法

说明书

本发明公开了一种以碳纤维薄毡作为加热单元的热塑性复合材料电阻加热的快速成型方法及加工系统。加工系统包括真空袋封装系统(或模压系统)、金属电极、电压调控装置、程序温度调控装置、热电偶。金属电极通过导电银胶固定在碳纤维薄毡两端，将铺层好的材料体系置于真空袋或模压机模具中。通过电压调控装置对碳纤维薄毡通电加热，并通过温度控制装置实现工艺温度的调控。本发明可以实现长纤维及连续纤维热塑性复合材料的快速加热成型，为热塑性复合材料成型工艺提供了一种可以程序控制的快速加热成型方法，极大地缩短了热塑性复合材料成型周期，为热塑性复合材料的快速成型提供了技术支撑。

技术领域

本发明涉及一种纤维增强热塑性复合材料的电阻加热快速成型方法，更特别地说，是采用碳纤维薄毡作为电阻加热单元，以玻璃纤维、玄武岩纤维等纤维增强热塑性粒料或预浸料作为原材料，通过真空袋成型工艺(或模压工艺)与加载电极组合进行电阻自加热成型。

背景技术

热塑性复合材料凭借其优异的性能，如：可回收、易修复、工艺时间短、抗冲击性能好、成型过程无化学反应更容易实现过程控制，在航空航天、汽车、建筑等诸多领域应用前景广阔。

对于连续纤维及长纤维增强热塑性复合材料，传统成型工艺有模压成型工艺、真空袋成型工艺、热压罐成型工艺等等。热塑性复合材料的传统成型工艺均是采用外部热源加热，由外及内进行热传导。热塑性基体树脂如聚丙烯、尼龙、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等，具有热导率低、熔点高的特点，加热熔融与降温成型周期长、耗能大，导致生产效率低、成本高。

因此发展新的热塑性复合材料成型技术，对于缩短复合材料成型周期，提高能量利用率，降低制造成本，进而推动热塑性复合材料的规模化应用有重要意义。

目前针对碳材料自电阻加热成型工艺，已有的相近专利如下：在中国专利申请号200310113547.4(无权)，申请日2013年11月17日，发明名称为“碳纤维增强复合材料的自电阻加热成型方法”的专利申请中公开了一种导电性碳、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。其技术解决方法为充分利用碳纤维复合材料的自电阻，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，成型、焊接、修补复合材料。

美国格拉弗技术国际控股有限公司的专利US2003/037856发明名称为“热压法制碳/碳复合材料”公开了一种成形复合材料的方法，其步骤包括：合并包括含碳纤维的增强材料与可碳化基质材料从而形成混合物；将该混合物加热到足以使至少一部分基质材料熔融的温度；加热步骤包括：对混合物施加电流以便在混合物内部产生热；并在加热该混合物的同时，对混合物施加至少35kg/cm²的压力从而形成压缩的复合材料；提高压缩复合材料的密度：其方法是将可碳化材料引入到压缩复合材料中的空洞中，随后烘烤该压缩复合材料以达到至少1.30g/cm³的密度；以及用处理组分浸渍该密度至少为1.30g/cm³的压缩复合材料，其中所述处理组分包含金属、金属合金、硼、热固化树脂及其组合中的至少一种。

在中国专利申请号201410018321.4(有权)，申请日2014年1月16日，发明名称为“碳纤维增强复合材料的加工系统及其采用液体成型工艺的可控碳纤维自加热方法”的专利申请中公开了一种真空袋压与加载电极的组合方法进行纤维增强复合材料的的成型工艺及装置，其中纤维织物在加载正负电极的条件下实现了纤维自加热。其技术解决方案是按照复合材料的真空辅助树脂灌注工艺，在真空袋封装模具中进行导电连续纤维织物的铺层，在织物铺层过程时，在连续织物两端铺放正负电极。然后抽真空灌注树脂，连接电源通电加热，在真空袋压下进行复合材料的固化。再按照复合材料的一般工艺过程，冷却、脱模，即可实现复合材料的成型。