一種等截面複合材料型材的生產方法

2023-06-01 23:14:56

一種等截面複合材料型材的生產方法
【專利摘要】本發明公開一種等截面複合材料型材的生產方法，該生產方法採用以下工藝步驟：1）織造工藝：採用大型2.5D立體織機完成2.5D預製織物在線立體織物的製造；2）預定型工藝：立體織物通過傳送裝置傳輸到預定型裝置中進行連續定型；3）浸膠工藝：將壓力、計量可控的注射裝置及回流裝置與浸膠裝置連接，以設計的壓力和流速將樹脂注入到浸膠裝置中，注入的樹脂量與設計的壓力、預製織物厚度和拉擠速率相配合；4）固化成型工藝：浸膠後的預製織物送入金屬模具內，在拉擠設備電加熱板的作用下固化成型，採用三區加熱固化工藝，固化溫度範圍為100℃~180℃；5）切割成品：利用跟蹤切割機，按需求長度切割成複合材料型材成品。
【專利說明】 一種等截面複合材料型材的生產方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及複合材料製備技術，具體為一種等截面複合材料型材的生產方法。
【背景技術】
[0002]高性能纖維增強樹脂基複合材料被認為是繼鋼材、鋁合金和鈦合金後的新一代材料，此類材料具有結構可設計性、輕質高強、耐腐蝕、成型方便等優勢。在眾多的複合材料產品中，以等截面複合材料型材的開發和應用最為廣泛，目前已成功應用於航空、航天、建築、橋梁等工程領域。
[0003]高性能纖維增強等截面複合材料型材的生產技術主要包含模壓成型技術、熱壓罐成型技術、拉擠成型技術和纏繞成型技術，其中模壓成型技術具有空間、面積佔有量少，成本相對低廉，生產效率高，工藝成熟等優點，然而，不足之處在於:難以生產截面形狀複雜的製品，加上受壓機限制，僅適合於生產中小型複合材料型材。熱壓罐成型技術生產等截面型材具有適用範圍廣、成型工藝穩定可靠的優勢，但投資大，成本高的問題限制了其應用。與其他成形技術相比，使用纏繞成形技術生產等截面型材的主要優點是:能夠按照產品的受力狀況設計纏繞規律，能充分發揮纖維的強度，生產效率高，成本低，但纏繞技術產品適應性較差，無法纏繞任意截面的製品，尤其是截面有凹狀的製品。拉擠成型技術是將連續的增強纖維進行浸潰後，牽引經過成形模具.在模具內固化成形為規定截面形狀，脫模後成形為最終製品的加工方法。使用拉擠成型技術不僅成本低、理論上可生產任意形狀截麵製品、產品質量穩定，尤其是拉擠工藝可自動化連續生產任意長度型材的特點是以上三種方法所無法比擬的。目前拉擠成型方法被認為是生產等截面複合型材最理想的方法。但在型材的實際應用中，除了需要承受拉伸、剪切等應力外，還經常會受到彎曲、扭轉和壓縮等作用造成的不同部位和不同方向的應力，這使得單向纖維增強的複合材料型材無法滿足複雜載荷工況下的力學性能需求。

【發明內容】

[0004]針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種等截面複合材料型材的生產方法。該生產方法採用立體織造技術和連續樹脂傳遞模塑工藝相結合的方法來解決目前拉擠成型技術製備的等截面型材無法滿足複雜載荷工況的難題，具有實際的工程意義。
[0005]本發明解決所述技術問題的技術方案是，設計一種等截面複合材料型材的生產方法，該生產方法採用以下工藝步驟:
[0006]I)織造工藝:採用大型2.立體織機將多層經紗等間距排列，經過整經、穿綜、開口、引緯和打緯工序完成2.5D預製織物在線立體織物的製造；所述多層經紗為碳纖維、玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維或玄武巖纖維中的至少一種；
[0007]2)預定型工藝:經織造工藝完成的2.5D結構立體織物通過傳送裝置傳輸到預定型裝置中，採用預定型裝置對預製織物進行連續定型；[0008]3)浸膠工藝:將壓力、計量可控的注射裝置及回流裝置與浸膠裝置連接，以設計的壓力和流速將樹脂注入到浸膠裝置中，注入的樹脂量與設計的壓力、預製織物厚度和拉擠速率相配合；
[0009]4)固化成型工藝:浸膠後的預製織物送入金屬模具內，在拉擠設備電加熱板的作用下固化成型，採用三區加熱固化工藝，固化溫度範圍為100°c?180°C ；
[0010]5)切割成品:利用跟蹤切割機，按需求長度切割成複合材料型材成品。
[0011]與現有公知等截面複合型材製備技術相比，本發明所提出的在線立體織造-連續樹脂傳遞模塑複合材料的生產方法具有以下優點:
[0012]1.對比於公知的等截面型材拉擠成型技術，本發明所使用的2.5D立體織造一連續樹脂傳遞模塑技術得到的織物預製體具有緻密的層層角聯鎖結構，這種結構可保證型材製品中增強纖維的連續和完整，幾乎不存在受力後內部分層失效的問題，保證了等截面型材良好的承載能力。
[0013]2.對比於公知的等截面型材拉擠成型技術，本發明所使用的2.5D立體織造技術可根據載荷工況需求設計型材截面中不同部位的性能，可進一步滿足複雜工況下的載荷需求。
[0014]3.相比於公知的模壓、熱壓罐、纏繞成型技術，本發明的在線立體織造-連續樹脂傳遞模塑複合材料的生產方法可實現等截面型材的自動化連續生產。
[0015]4.本發明的生產線得到的等截面複合型材製品性能優異，生產效率高，適於規模化推廣使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明等截面複合材料型材生產方法的工藝流程圖；
[0017]圖2為本發明等截面複合材料型材生產方法所得製品中立體織物的單元結構示意圖；
[0018]圖3為本發明等截面複合材料型材生產線中的在線立體織造部分示意圖；
[0019]圖4為本發明等截面複合材料型材生產線中的連續樹脂傳遞模塑部分示意圖；
[0020]圖5為本發明等截面複合材料型材生產線中預定型裝置示意圖；
[0021]圖6為本發明等截面複合材料型材生產線中浸膠裝置示意圖。
[0022]圖3中，I為紗錠，2為導紗輥，3為紗線，4為導紗板，5為V形張力調節分紗輥，6為導紗板，7為綜框,8為提綜裝置,9為張力線，10為多孔綜絲，11為引緯、打緯裝置，12為預製織物。
[0023]圖4中，13為傳送裝置，14為注射裝置，15為回流儲液罐，16為織物定型裝置，17為浸膠裝置，18為加熱板,19為固化模具,20為前牽引裝置,21為後牽引裝置,22為祐1梁製品，23為切割裝置。
[0024]圖5中，161為上注射管，162為下注射管，163為上噴嘴，164為下噴嘴，12為預製織物，166為隔熱塊，167為電加熱管。
[0025]圖6中，171為定型後的立體織物，172為模腔前部動密封上膠條，173為模腔前部動密封下膠條，174為上注射管，175為下注射管，176為注射腔，177為排氣回流管，178為回流儲液腔，179為模腔後部動密封上膠條，1710為模腔後部動密封下膠條。【具體實施方式】
[0026]以下結合實施例及其附圖對本發明做進一步說明。
[0027]本發明設計的一種等截面複合材料型材的生產方法(簡稱生產方法，參見圖1-6)，該生產方法採用以下工藝步驟:
[0028]I)織造工藝:採用大型2.立體織機將多層經紗等間距排列，經過整經、穿綜、開口、引緯和打緯工序完成2.5D預製織物在線立體織物的製造；所述多層經紗為碳纖維、玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維或玄武巖纖維中的至少一種；
[0029]2)預定型工藝:經織造工藝完成的2.5D結構立體織物通過傳送裝置傳輸到預定型裝置中，採用預定型裝置對預製織物進行連續定型；
[0030]3)浸膠工藝:將壓力、計量可控的注射裝置及回流裝置與浸膠裝置連接，以設計的壓力和流速將樹脂注入到浸膠裝置中，注入的樹脂量與設計的壓力、預製織物厚度和拉擠速率相配合；
[0031]4)固化成型工藝:浸膠後的預製織物送入金屬模具內，在拉擠設備電加熱板的作用下固化成型，採用三區加熱固化工藝，固化溫度範圍為100°c?180°C ；
[0032]5)切割成品:利用跟蹤切割機，按需求長度切割成複合材料型材成品。
[0033]所述步驟3)中壓力、計量可控的注射裝置主要是由PCL輸入輸出控制裝置、儲液罐、計量泵、壓力表、流量表、閥門及相關傳輸管路組成，所述回流裝置由齒輪泵和儲液罐組成；所述樹脂為環氧樹脂、乙烯基樹脂或不飽和樹脂中的一種，所述預製織物為步驟I)製成的2.5D立體織物。
[0034]本發明所述的立體織物增強等截面複合材料型材的生產方法總體上是通過採用
2.立體織機經整經、分紗、二次整經、穿筘、穿綜、開口、引緯、打緯工藝，將增強纖維製成等截面的立體織物預製體，然後通過傳送裝置將預製體連續傳送到預定型裝置中定型，定型後經浸膠裝置和固化模具後製成具有規定形狀截面的立體織物增強複合材料型材。立體織物結構具有優異的耐損傷容限以及不分層的整體結構、具有高維自由度的可設計性特點，通過改變纖維交織結構，可以在很寬的範圍內剪裁材料的力學性能和物理性能以滿足承載等使用條件的要求；連續樹脂傳遞模塑工藝主要特點是在原有拉擠工藝基礎上將開放的浸膠槽部分改換為封閉的浸膠裝置，再通過預製織物定型裝置將織物預定型以保證連續樹脂傳遞模塑工藝過程的順利進行，該工藝可實現已定型織物的連續浸膠-固化，進而在有效提高現有等截面複合材料型材整體力學性能的基礎上實現連續生產。
[0035]本發明生產方法具體依次包含整經、分紗、二次整經、穿筘、穿綜、開口、引緯、打緯、傳送、預定型、注膠、固化、牽引和切割工藝(參見圖1)。與公知的拉擠成型方法生產的連續單向纖維增強複合材料型材相比，本發明特點是將高性能纖維立體織造工藝通過預製體傳輸、預定型和注膠工藝與拉擠成型工藝中固化、牽伸和切割工藝聯結，採用在線立體織造-樹脂傳遞模塑的方法生產具有2.5D織物結構的等截面複合型材(參見圖2)。
[0036]本發明生產方法的在線立體織造生產工藝是(參見圖3):將所有紗錠I固定到經紗架上，將紗線3退繞後經過導紗輥2，通過設計導紗輥2的排列位置使每根經紗3單獨進入導紗板4而不產生接觸摩擦，穿過導紗板4分別使紗架上半部分經紗3與下半部分經紗3分別通過V形張力調節分紗輥5進入導紗板6，從導紗板6引出的紗線穿入綜框7，其中每列導紗瓷眼導出的紗線穿一個綜眼，每個綜眼導出的每根紗線分別穿入多孔綜絲10中的一綜或兩綜，通過張力線9連接提綜裝置8和綜絲10，通過提綜裝置帶動綜絲10上下往復運動以實現多層經紗開口，再經過引緯、打緯機構11後，完成2.5D型材預製織物12的立體織造。其中該部分在線立體織造為已有技術。
[0037]本發明生產方法的連續樹脂傳遞模塑生產工藝(參見圖4)包含傳送、預定型、注膠、固化、牽引、切割幾個具體的工藝過程。首先，將織造好的2.5D預製織物12經傳送機構13傳送到定型裝置16中，預製織物12在定型裝置16中，其前端為蒸餾水噴塗，將蒸餾水分別從上注射管161和下注射管162注入，通過上噴嘴163和下噴嘴164分別噴出，將預製織物12噴溼；裝置後端採用電加熱管167加熱定型，裝置的前、後兩端採用隔熱膠木連接。
[0038]其中，所述步驟2)中採用的預定型裝置中主要包含噴水、加熱兩部分。在預定型工藝中，所噴射蒸餾水溫度為25 - 50°C，噴射流量為500 - 1000mL/min，後端模具中的加熱管的加熱溫度為120 - 180°C，通過使用噴嘴噴水使浸潤的高性能纖維表麵漿料或處理劑有一定程度的溶解，再經高溫加熱使織物中水分快速氣化並隨著織物的向前運動使水蒸氣散出。
[0039]定型後的織物171進入浸膠裝置17後，通過注射裝置14中PCL輸入輸出控制裝置以及計量泵、壓力表、流量表、閥門等控制樹脂的流量和流速，此部分為現有技術。樹脂分別通過上注射管174和下注射管175注入浸膠裝置17的前模腔176中，前模腔176前端上下動密封膠條可控制樹脂不從浸膠裝置17入口處流出，在浸膠模腔內形成一定壓力，使樹脂在注滿前模腔176後，繼續注入到後模腔178中，對織物進行二次浸滲樹脂，樹脂充滿後模腔178後從回流管177流到回流儲液罐15中，待儲液罐15充滿四分之三後，通過齒輪泵將回流儲液罐15中的樹脂注入到注射裝置14中。織物完成樹脂注射後，直接進入固化模具19，固化模具19由上下加熱板18進行三區加熱固化工藝，對於乙烯基樹脂和不飽和樹月旨，所述三區加熱固化工藝的加熱溫度為:100 - 1100C>140 - 150°C和140 - 160°C ;對於環氧樹脂，所述三區加熱固化工藝的加熱溫度為:140 - 1600C >160 - 180°C和155 - 175°C，從固化模具拉出的複合材料型材22經前後牽引裝置20、21拉出後，根據需要長度採用切割裝置23切割。
[0040]本發明生產方法與現有技術相比，實現了等截面立體織物增強複合材料型材的連續生產，為提高立體織物增強複合材料的生產效率，進一步提高複合材料型材的綜合力學性能提供新的途徑。
【權利要求】
1.一種等截面複合材料型材的生產方法，該生產方法採用以下工藝步驟: 1)織造工藝:採用大型2.立體織機將多層經紗等間距排列，經過整經、穿綜、開口、引緯和打緯工序完成2.5D預製織物在線立體織物的製造；所述多層經紗為碳纖維、玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維或玄武巖纖維中的至少一種； 2)預定型工藝:經織造工藝完成的2.5D結構立體織物通過傳送裝置傳輸到預定型裝置中，採用預定型裝置對預製織物進行連續定型； 3)浸膠工藝:將壓力、計量可控的注射裝置及回流裝置與浸膠裝置連接，以設計的壓力和流速將樹脂注入到浸膠裝置中，注入的樹脂量與設計的壓力、預製織物厚度和拉擠速率相配合； 4)固化成型工藝:浸膠後的預製織物送入金屬模具內，在拉擠設備電加熱板的作用下固化成型，採用三區加熱固化工藝，固化溫度範圍為100°C ^lSO0C ； 5)切割成品:利用跟蹤切割機，按需求長度切割成複合材料型材成品。
2.根據權利要求1所述生產方法，其特徵在於所述預定型工藝中，噴射蒸餾水溫度為25-50°C，噴射流量為500-1000mL/min，後端模具中的加熱管的加熱溫度為120_180°C。
3.根據權利要求1所述的生產方法，其特徵在於對於乙烯基樹脂和不飽和樹脂，所述三區加熱固化工藝的加熱溫度為:100-110°C、140-150°C和140_160°C。
4.根據權利要求1所述的生產方法，其特徵在於對於環氧樹脂，所述三區加熱固化工藝的加熱溫度為:140-160°C、160-180°C和 155_175°C。
【文檔編號】B29B11/14GK103991227SQ201410182439
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】吳寧, 胡曉敏, 張國利, 陳光偉, 王靜, 陳利 申請人:天津工業大學