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CN112976606A - 一种碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具、热压成型系统及成型方法 - Google Patents

一种碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具、热压成型系统及成型方法 Download PDF

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CN112976606A
CN112976606A CN202110166827.XA CN202110166827A CN112976606A CN 112976606 A CN112976606 A CN 112976606A CN 202110166827 A CN202110166827 A CN 202110166827A CN 112976606 A CN112976606 A CN 112976606A
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CN
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electrode
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翟瞻宇
陈超
王晓雨
丁玉栋
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Central South University
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Central South University
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Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具、热压成型系统及成型方法，该成型模具包括：第一热压模具；第二热压模具，与第一热压模具相对设置，第一热压模具与第二热压模具之间形成模具型腔；第一电极，设于第一热压模具上远离模具型腔的一端；第二电极，设于第二热压模具上远离模具型腔的一端；电源，第一电极和第二电极均与电源相连接。本发明的成型模具、热压成型系统及成型方法生产工序少、加工效率高、产品质量好、适合于大批量自动化生产，并且成型过程中电极不易受压变形损坏。

Description

一种碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具、热压成 型系统及成型方法
技术领域
本发明涉及复合材料结构件成型技术领域，具体而言，涉及一种快速成型连续碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具、热压成型系统及成型方法。
背景技术
高性能连续碳纤维增强热塑性复合材料凭借其优良的承载性能、较低的密度和环保可回收等优异性能，在航空航天、轨道交通、汽车工业等领域已获得广泛应用，是践行当前节能减排与可持续发展战略的重要举措。
目前碳纤维增强热塑性复合材料构件的制造方法主要有热压罐成型工艺、模压成型工艺、纤维缠绕成型工艺等，均采用外部热源加热，由外向内进行热传导。由于热塑性聚合物具有热导率低、熔点高的特点，加热熔融与降温周期较长，传统成型工艺中从外向内的加热方式导致碳纤维增强热塑性复合材料高昂的制造成本。因此，发展一种高效、低成本的成型工艺，用以实现碳纤维增强热塑性复合材料的快速成型，对践行汽车行业节能减排具有重要的现实意义。
碳纤维具有导电性，将碳纤维同时作为增强材料和加热源，利用其自阻加热效应，可以实现碳纤维增强树脂基复合材料的成型。但是，在现有成型工艺中，通常是在沿碳纤维布或者碳纤维预浸料的长度方向上(两端)布置电极，或者将电极布置在模具型腔的表面。
在碳纤维预浸料两端连接电极的方式，一方面沿纤维长度方向形成的电流回路容易受碳纤维自身断裂等缺陷的影响，从而影响碳纤维的温度分布，造成聚合物流动不均匀，最终影响结构件的成型质量，存在孔隙等缺陷。另一方面，在碳纤维预浸料两端连接电极，每一次生产都需要安装和取下电极，阻碍生产效率的提升，不利于大批量自动化生产。将电极布置在模具型腔表面的方式，在加工过程中，电极承受压力，容易遭到破坏；并且，该方法同样面临成型过程中电极反复安装的问题，不利于大批量生产。
因此，需要开发一种新型的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型方法，以减少生产工序、提高加工效率和加工质量，适用于大批量自动化生产。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具、热压成型系统及成型方法，该成型模具、热压成型系统及成型方法生产工序少、加工效率高、产品质量好、适合于大批量自动化生产，并且成型过程中电极不易受压变形损坏。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具，包括：
第一热压模具；
第二热压模具，与第一热压模具相对设置，第一热压模具与第二热压模具之间形成模具型腔；
第一电极，设于第一热压模具上远离模具型腔的一端；
第二电极，设于第二热压模具上远离模具型腔的一端；
电源，第一电极和第二电极均与电源相连接。
进一步地，第一热压模具上远离模具型腔的一端开设第一电极槽，第一电极置于第一电极槽内；第二热压模具上远离模具型腔的一端开设第二电极槽，第二电极置于第二电极槽内。
进一步地，第一热压模具和第二热压模具内于靠近模具型腔的一端设有冷却系统。
进一步地，冷却系统为沿模具型腔排列设置的多根冷却通道。
根据本发明的另一个方面，提供了一种碳纤维增强热塑性复合材料结构件的热压成型系统，热压成型机的热压平台上安装有上述的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具。
进一步地，第二热压模具安装在热压成型机的下模座上，第一热压模具安装在热压成型机的上模座上，第一热压模具通过上模座与热压成型机的动力源相连接。
进一步地，第一热压模具与上模座之间设有第一绝缘板，第二热压模具与下模座之间设有第二绝缘板。
根据本发明的另一方面，提供了一种碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型方法，采用上述的热压成型系统对碳纤维增强热塑性复合材料结构件进行成型，该成型方法包括以下步骤：
S1：将碳纤维增强热塑性复合材料预浸料放入模具型腔中，将第一热压模具和第二热压模具合模并通过热压成型机施加压力；
S2：通过电源、第一电极和第二电极向第一热压模具和第二热压模具通入脉冲电流，使第一电极、第一热压模具、碳纤维增强热塑性复合材料预浸料、第二热压模具和第二电极形成电流回路；在电流的作用下预浸料快速升温，当预浸料温度高于树脂熔融温度后，该热塑性树脂熔融，并在压力作用下完成对碳纤维的浸润；
S3：热压结束后断开电源，开启冷却系统对第一热压模具和第二热压模具进行冷却，模具冷却后开模取件，即得到碳纤维增强热塑性复合材料结构件。
进一步地，步骤S2中，预浸料成型温度为树脂熔融温度的1.1-1.3倍，预浸料成型压力为1-10MPa。
应用本发明的技术方案，通过在第一热压模具上远离模具型腔的一端设置第一电极，在第二热压模具上远离模具型腔的一端设置第二电极，并将该第一电极和第二电极与电源相连接；在对复合材料预浸料进行热压成型过程中，通过电源、第一电极和第二电极向第一热压模具和第二热压模具通入脉冲电流，使第一电极、第一热压模具、碳纤维增强热塑性复合材料预浸料、第二热压模具和第二电极形成电流回路；在电流的作用下使复合材料预浸料快速升温，当预浸料温度高于树脂熔融温度(Tm)后，热塑性树脂开始熔融，并在压力作用下完成对碳纤维的浸润。该成型模具、热压成型系统及成型方法成型结束后无需对电极进行重新安装，有效减少了生产工序，极大地提高了生产效率，可实现复合材料结构件的连续自动化生产；并且成型过程中电极不承受成型压力，防止了电极的变形损坏。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的热压成型系统的结构示意图。
图2为本发明的成型模具放入预浸料时的结构示意图。
图3为本发明的成型模具对预浸料通电时的结构示意图。
图4为本发明的成型模具对模具进行冷却时的结构示意图。
图5为本发明的成型模具取出复合材料结构件时的结构示意图。
图6为本发明的成型方法加工过程温度示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、第一热压模具；2、第二热压模具；3、第一电极；4、第二电极；5、电源；6、模具型腔；7、热压成型机；8、冷却通道；10、第一绝缘板；11、第二绝缘板；71、下模座；72、上模座；73、动力源；101、第一电极槽；201、第二电极槽。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而仅仅是为了便于对相应零部件进行区别。同样，“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
实施例1：
参见图2至图5，一种本发明实施例的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具，该成型模具主要包括第一热压模具1、第二热压模具2、第一电极3、第二电极4和电源5。其中，第一热压模具1与第二热压模具2相对设置(即第一热压模具1的成型面与第二热压模具2的成型面，面对面设置)，在第一热压模具1与第二热压模具2的相对面之间形成用于放置复合材料预浸料的模具型腔6；第一电极3设置在第一热压模具1上远离模具型腔6的一端；第二电极4设置在第二热压模具2上远离模具型腔6的一端；并且该第一电极3和第二电极4均与电源5相连接。
上述的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具，通过在第一热压模具1上远离模具型腔6的一端设置第一电极3，在第二热压模具2上远离模具型腔6的一端设置第二电极4，并将该第一电极3和第二电极4与电源5相连接；在对复合材料预浸料进行热压成型过程中，通过电源5、第一电极3和第二电极4向第一热压模具1和第二热压模具2通入脉冲电流，使第一电极3、第一热压模具1、碳纤维增强热塑性复合材料预浸料、第二热压模具2和第二电极4形成电流回路；在电流的作用下使复合材料预浸料快速升温，在温度高于热塑性树脂的熔融温度后，热塑性树脂开始熔融，并在压力作用下完成对碳纤维的浸润。
与沿碳纤维长度方向通电(预浸料两端连接电极)的自阻加热成型方式相比，本发明通过第一热压模具1和第二热压模具2通电，形成第一热压模具1-复合材料预浸料-第二热压模具2的电流回路，通过自阻对碳纤维进行加热，可有效避免碳纤维断裂等缺陷造成的温度分布不均匀的情况，从而减少成型结构件的微观缺陷，提高产品性能。
并且，沿碳纤维长度方向通电(预浸料两端加持电极)的通电方式，不利于工业化连续生产，每一次生产周期结束后都需要对电极进行重新安装。本发明将电极集成在第一热压模具1和第二热压模具2中，复合材料结构件成型结束后，无需对电极进行重新安装，有效减少了生产工序，极大地提高了生产效率，可实现复合材料结构件的连续自动化生产。此外，本发明的成型模具将第一电极3、第二电极4布置在模具远离成型面的一端，可以有效地避免电极受压破坏，有利于降低生产成本，提升生产效率。
参见图2至图5，在本实施例中，在第一热压模具1上远离模具型腔6的一端开设有一个第一电极槽101，第一电极3置于该第一电极槽101内；在第二热压模具2上远离模具型腔6的一端开设有一个第二电极槽201，第二电极4置于该第二电极槽201内。如此设置，在复合材料结构件成型结束后，只需开模取出结构件，然后放入新的待成型的复合材料预浸料即可，无需重新安装电极；并且，可以避免将电极设置在模具的成型面而导致电极受压损坏的情况。
进一步地，在本实施例中，在第一热压模具1和第二热压模具2内于靠近模具型腔6的一端均设置有冷却系统。在复合材料结构件热压成型结束后，通过该冷却系统可对模具进行冷却。
具体地，参见图1至图5，该冷却系统为沿模具型腔6排列设置的多根冷却通道8。热压成型结束后，向该冷却通道8内通入冷却介质(如冷却水)以对模具进行冷却。
实施例2：
参见图1以及图2至图5，一种本发明实施例的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的热压成型系统，该热压成型系统包括热压成型机7，在热压成型机7的热压平台上安装有本发明实施例1的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具。
具体地，在本实施例中，第二热压模具2安装在热压成型机7的下模座71上，第一热压模具1安装在热压成型机7的上模座72上，并且该第一热压模具1通过上模座72与热压成型机7的动力源73相连接。
如此设置，在对碳纤维增强热塑性复合材料进行热压成型时，第二热压模具2固定不动，先将复合材料预浸料放置在模具型腔6内，通过热压成型机7的动力源73向第一热压模具1施加压力，驱动第一热压模具1下压与第二热压模具2合模，然后通电对预浸料进行自阻加热，即可将碳纤维增强热塑性复合材料热压成型得到结构件。
进一步地，在本实施例中，在第一热压模具1与上模座72之间还设置有一块第一绝缘板10，在第二热压模具2与下模座71之间还设置有一块第二绝缘板11。通过该第一绝缘板10可使第一热压模具1与上模座72之间保持绝缘；通过该第二绝缘板11可使第二热压模具2与下模座71之间保持绝缘。
该碳纤维增强热塑性复合材料结构件的热压成型系统的工作原理如下：
步骤S1：将碳纤维增强热塑性复合材料预浸料(其中，热塑性树脂为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚醚醚酮(PEEK)中的任一种)放入模具型腔6中，将第一热压模具1和第二热压模具2合模并通过热压成型机7施加压力；
步骤S2：打开电源5，通过电源5、第一电极3和第二电极4向第一热压模具1和第二热压模具2通入脉冲电流，使第一电极3、第一热压模具1、碳纤维增强热塑性复合材料预浸料、第二热压模具2和第二电极4形成电流回路(根据不同预浸料基体的熔点设定不同的电流，其中不同温度对应的电流通过实验得到；为了是树脂充分熔融，并且避免成型过程中温度过高带来的树脂退化问题，该成型温度区间通常为树脂熔融温度的1.1-1.3倍)；在自阻电流的作用下使预浸料快速升温，使热塑性树脂熔融，并在压力(通常为1-10MPa)作用下完成对碳纤维的浸润；
步骤S3：热压结束后断开电源5，开启冷却系统对第一热压模具1和第二热压模具2进行冷却；为了提升产品表面质量，在冷却的同时继续以相同的压力保压；模具冷却后开模取出结构件，即得到碳纤维增强热塑性复合材料结构件。
碳纤维增强热塑性复合材料结构件的具体成型实例如下：
1、材料选择
选择PA6/T300碳纤维共编织预浸料
2、工艺流程及参数
(2.1)制样：准备尺寸裁剪为200mm×200mm、纤维密度为1.8g/cm3、基体密度为1.14g/cm3的碳纤维共编织预浸料12层，并在模具中完成对齐铺层得到试样。试样上下表面各放置一层聚四氟乙烯脱模布便于后续脱模。
(2.2)安装电极：裁剪200mm×30mm×3mm的铜排2条，分别置于模具与绝缘板之间预先加工的电极槽中，如图1至图5。在电极露出部分有加工好的6mm孔，通过螺栓连接导线接线鼻子。
(2.3)选择成型参数：通过DSC测试分析得到PA6/T300碳纤维共编织预浸料的熔点在222℃左右，碳纤维增强热塑性树脂复合材料的加工成型温度一般为其熔融温度的1.1-1.3倍，因此选取成型温度为240℃。将试样置入模具的型腔中，铜电极两端连接直流稳压电源，依次从低到高通入直流电，通过埋置在型腔壁附近的温度传感器测得加工电流为140A。查阅资料，成型压力选择2MPa，成型保压时间选择30s。
(2.4)自阻加热成型：将铺层好的碳纤维共编织预浸料置入模具后合模，模压机选择MTS CMT4204万能试验机自主改装；模具连接直流电源，通入140A电流，约15s后预浸料温度达到并稳定在240℃左右，升温速率大约为14.7K/s；保压30s后通入冷却水并继续以2Mpa的压力保压；试件大约30s后回复室温，最后开模取件。整个加工周期在2min以内，远低于普通热压成型工艺所需时间，经测试，复合材料板材性能与传统热压工艺基本一致。加工过程温度示意图如图6。
总体而言，本发明的成型模具、热压成型系统及成型方法，充分利用了碳纤维自阻加热的特性，高效、节能地完成碳纤维的浸渍；同时，将电极置于成型模具后端电极槽内，成型结束后无需对电极进行重新安装，有效减少了生产工序，极大地提高了生产效率，可实现复合材料结构件的连续自动化生产；并且，成型过程中电极不承受成型压力，防止了电极的变形损坏。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具，其特征在于，包括：
第一热压模具(1)；
第二热压模具(2)，与所述第一热压模具(1)相对设置，所述第一热压模具(1)与所述第二热压模具(2)之间形成模具型腔(6)；
第一电极(3)，设于所述第一热压模具(1)上远离所述模具型腔(6)的一端；
第二电极(4)，设于所述第二热压模具(2)上远离所述模具型腔(6)的一端；
电源(5)，所述第一电极(3)和所述第二电极(4)均与所述电源(5)相连接。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具，其特征在于，所述第一热压模具(1)上远离所述模具型腔(6)的一端开设第一电极槽(101)，所述第一电极(3)置于所述第一电极槽(101)内；所述第二热压模具(2)上远离所述模具型腔(6)的一端开设第二电极槽(201)，所述第二电极(4)置于所述第二电极槽(201)内。
3.根据权利要求2所述的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具，其特征在于，所述第一热压模具(1)和所述第二热压模具(2)内于靠近所述模具型腔(6)的一端设有冷却系统。
4.根据权利要求3所述的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具，其特征在于，所述冷却系统为沿所述模具型腔(6)排列设置的多根冷却通道(8)。
5.一种碳纤维增强热塑性复合材料结构件的热压成型系统，包括热压成型机(7)，其特征在于，所述热压成型机(7)的热压平台上安装有如权利要求1-4中任意一项所述的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型模具。
6.根据权利要求5所述的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的热压成型系统，其特征在于，所述第二热压模具(2)安装在所述热压成型机(7)的下模座(71)上，所述第一热压模具(1)安装在所述热压成型机(7)的上模座(72)上，所述第一热压模具(1)通过所述上模座(72)与所述热压成型机(7)的动力源(73)相连接。
7.根据权利要求6所述的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的热压成型系统，其特征在于，所述第一热压模具(1)与所述上模座(72)之间设有第一绝缘板(10)，所述第二热压模具(2)与所述下模座(71)之间设有第二绝缘板(11)。
8.一种碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型方法，其特征在于，采用如权利要求5-7中任意一项所述的热压成型系统对碳纤维增强热塑性复合材料结构件进行成型，所述成型方法包括以下步骤：
S1：将碳纤维增强热塑性复合材料预浸料放入所述模具型腔(6)中，将所述第一热压模具(1)和所述第二热压模具(2)合模并通过所述热压成型机(7)施加压力；
S2：通过所述电源(5)、所述第一电极(3)和所述第二电极(4)向所述第一热压模具(1)和所述第二热压模具(2)通入脉冲电流，使所述第一电极(3)、所述第一热压模具(1)、碳纤维增强热塑性复合材料预浸料、所述第二热压模具(2)和所述第二电极(4)形成电流回路；在电流的作用下预浸料快速升温，当预浸料温度高于树脂熔融温度后，该热塑性树脂熔融，并在压力作用下完成对碳纤维的浸润；
S3：热压结束后断开所述电源(5)，开启冷却系统对所述第一热压模具(1)和所述第二热压模具(2)进行冷却，模具冷却后开模取件，即得到碳纤维增强热塑性复合材料结构件。
9.根据权利要求8所述的碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型方法，其特征在于，步骤S2中，预浸料成型温度为树脂熔融温度的1.1-1.3倍，预浸料成型压力为1-10MPa。
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