[发明专利]一种导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法

说明书

一种连续导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，其特征是通过在成型机构上设置若干具有电势差的金属触点，使动态传送的导电纤维与其发生滑动或滚动接触，导电纤维在多级金属触点间发生电损耗产生热量，根据传感器监测的各级温度，动态调控各级输入电能，将复合材料逐级加热至成型温度，完成快速原位成型。本发明利用材料自身电导损耗作为热源，无需施加外热源，在挤出、铺放、拉挤等纤维复材定向运动的成型过程中，实现复合材料的高速加热最终原位成型，其热响应速度快，纤维均匀发热，能量利用率高，该方法可大幅提高复材原位成型质量，缩短纤维增强复合材料的制造周期，降低制造成本。

技术领域

本发明涉及一种复合材料成型方法，尤其是一种连续导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，具体地说是一种利用电损耗加热的导电纤维增强复合材料快速原位固化成型方法。

背景技术

导电纤维增强的复合材料如碳纤维增强复合材料在航空航天、汽车、船舶等领域具有极高的重量占比，成为了交通运输业中不可或缺的关键材料。然而目前复合材料依然大量采用“预成型-固化-加工”三步制造工序，即纤维或纤维预浸料首先通过自动铺放、缠绕、挤出、拉挤等预成型方法在模具或模腔中形成一定的外形形状，在通过空气、模具或是辐照等方法对预成型好的材料进行加热，冷却或者固化，最后再通过裁切修边钻孔等加工步骤完成整个零件的制造。

上述方法分为三个步骤成型复合材料，效率低、能耗高，尤其针对大型、复杂度高的复合材料，成型及固化所花费的时间及能耗都达到了极高的数量级，且两个过程中的过程参数，以及质量控制需要单独考虑不同的过程变量，以适应不同工步的特点。难以适应大量高性能复合材料的制造。再加之，传统的固化过程，采用外部热源的加热方式，加热过程依靠传热机理，热量由材料表面传递至材料内部，这将直接导致复合材料厚度方向形成较大的温差。又由于热利用率低，温度滞后性大，现有的固化方法也难以满足快速的复材制造要求。

目前有单位或研究机构提出复合材料原位固化的方法，即将固化过程集成在预成型过程原位，也即预成型完成，整个零件就固化完成。如西安交通大学专利（CN103358564B）保护了一种紫外光/电子束原位固化纤维铺放成型装置及方法，东北林业大学专利（CN106273533B）保护了一种利用感应加热的纤维缠绕原位固化方法，还有部分方案是利用激光、红外辐照、微波或者热风枪等方法在复合材料成型装备上集成，尝试实现连续复合材料成型过程中的原位固化。然而，截止目前，大部分原位成型的装置及方法主要还是面向热塑性树脂基复合材料的原位固化，因为热塑性复合材料在加热后可以迅速冷却结晶形成实体，实现秒级的成型。但目前的加热工艺还存在热影响区温度不均匀，制件热应力大，成型质量差等问题。对于热固性复合材料，其固化过程必然发生交联反应，需要一定的反应时间，上述高能束集中加热的方法，还无法实现最终材料可持续的完全固化。

申请者团队前期保护了一种利用碳纤维自身综合电损耗发热固化复合材料的方法（公开号CN201710975475.6），该方法针对大型复合材料层合板铺放成型完成的后的固化过程，可以实现高质量、高效率、低能耗的固化。然而目前针对于整体构件铺放完成后的独立电损耗加热固化方法，无法直接应用于预成型和固化同时进行的原位成型过程中。其主要原因在于，虽然电损耗加热可以实现较快的自加热升温速率，但是整体的均匀加热难以适应丝束动态传送过程中的多级分布加热，且导电丝束原位成型也需要在较短时间内完成，整体加热的方法无法适用于动态的原位成型。故本发明提出一种连续导电纤维增强复合材料的快速原位成型方法，以实现热影响区温度均匀，制件热应力小，成型质量好的导电纤维复材原位成型过程。

发明内容