[发明专利]定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置及方法

说明书

本发明公开复合材料加工领域中的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置及方法，融料腔内部正中间装有多功能搅拌装置，融料腔的底部经闸阀连接左右水平布置的挤料腔，挤料腔的左侧是水平布置的伸缩式液压缸，伸缩式液压缸的右端连接有一级套筒活塞，二级套筒活塞与一级套筒活塞同轴连接；挤料腔的右端出口同轴连接且连通渐缩阶梯管式喷嘴，渐缩阶梯管式喷嘴内部具有从左到右的多级的渐缩式阶梯管，渐缩式阶梯管的管道内径从左往右依次递减且左右长度从左往右依次递减；本发明将下料、搅拌、挤料三个过程融为一体，引导短切碳纤维丝在热塑性树脂基体中沿材料挤出方向的定向排列，将短切碳纤维丝和热塑性树脂基体原材料直接加工成连续丝材。

技术领域

本发明涉及复合材料加工领域,特别涉及能定向的短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置及方法。

背景技术

碳纤维是一种纤维状碳材料，具有耐高温、抗腐蚀、高导热等优点，主要被制成碳纤维增强复合材料来使用。在实际使用过程中，碳纤维增强复合材料具有其他纤维增强复合材料无法比拟的性能优势，这种复合材料强度高、耐疲劳、抗腐蚀，导电且导热性能良好。随着3D打印技术的应用，采用3D打印技术生产碳纤维增强复合材料新型构件已经成为一种新兴的制造工艺。常见的3D打印成形技术有:SLA技术、FDM技术、SLS技术、LOM技术和3DP技术等，其中FDM技术因其运行成本低、打印质量好、成形精度高、材料种类多、后期处理简单等优势而被广泛使用。基于FDM工艺所使用的短切碳纤维增强丝材，通常是由熔融的热塑性树脂基体与短切碳纤维丝混合均匀后通过挤丝装置进行制备。在利用短切碳纤维增强丝材进行FDM打印时，短切碳纤维丝在热塑性树脂基体中的取向度对丝材最终的力学性能有很大的影响。在目前的混合方式下，短切碳纤维丝在热塑性树脂基体中随机排列，表现出各向同性性质，从而使制备得复合材料构件的力学性能提高有限，复合材料特有的可设计性优势难以充分发挥。因此，设计一种短切碳纤维和热塑性树脂基体均匀混合、且纤维取向一致的制丝装置，对实现高性能热塑性碳纤维复合材料的3D打印显得尤为重要。

已有中国专利公开号为CN106891518A的文献中公开了一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，包括：热熔加热装置、气压挤出装置、非对称式均匀搅拌装置、短碳纳米管纤维极化处理装置和自动盘丝装置。该装置能够实现短切碳纤维增强丝材的预制，打印预制丝材可以提高碳纤维结构件的打印精度和机械性能。但是其存在的缺点是：

（1）对短切碳纤维丝的取向原理是通过天线发射高压电场，瞬间实现导电短切碳纤维的极化，并实现其在熔融热塑性复合材料基质中的定向排列处理。但往往由于熔融热塑性复合材料的高粘度及纤维的柔韧性，使纤维极化取向所需的电场强度大、电场分布复杂，容易造成纤维定向排列效果不理想，且存在安全隐患。

（2）所采用的非对称式均匀搅拌装置功能单一，仅包含对短切碳纤维粉末和热塑性复合材料的分级搅拌，对于高粘度熔融树脂基体来讲，其上下层搅拌均匀程度相差较大，容易造成后期挤丝质量和性能的不稳定，且搅拌效率较低。

（3）所采用的挤出动力源是气缸，挤丝过程中靠从气缸管路输入的压力气体对高粘度的熔融热塑性复合材料施加推挤力，故所需气体压力大，而且压力气体也极容易混入热塑性复合材料融体从而导致在挤出丝材中出现气泡，进而影响所制备丝材和最终纤维复合材料制件的力学性能。

（4）该技术对搅拌、挤丝过程中，融体的流动状态受温度变化的影响没有给予充分考虑，因此在挤丝通道中，位于流速和压力变化剧烈的部位容易造成堵塞，尤其是当每一工作循环完成并停机后，残留于挤丝通道中、未完全挤出的高粘度热塑性复合材料融体会逐渐冷却凝固，在堵塞挤丝通道的同时，造成极大的原材料浪费，使得挤丝工作难以顺利、持续进行。

发明内容