一种非连续纤维增强复合材料的成型工艺的制作方法

本发明涉及先进复合材料制造，具体为一种非连续纤维增强复合材料的成型工艺。

背景技术：

1、近年来，基于芯鞘型双组分连续纤维切断而成的非连续纤维原位基体复合材料，因兼具轻量化特性与可回收环保优势，已成为业界研究热点，该类材料通常先通过双组分复合纺丝设备制备芯鞘结构连续纤维，芯层选用高强高模聚合物，鞘层选用较低熔点的热塑性聚合物，连续纤维经切断后得到非连续短纤维，短纤维经开松、梳理、铺网等工艺制备预成型体，随后置入模具中通过加热加压使鞘层熔融并转化为基体，冷却固化后即得到复合材料制品；

2、目前与本发明较为接近的现有技术方案，是采用双组分芯鞘短纤维、通过热压罐或平板模压机进行整体加热加压成型的工艺，该方案通过模具壁面对预成型体整体进行由外向内的热传导加热，使鞘层材料达到熔点以上并熔融，同时施加较高的成型压力驱动熔融基体在纤维束间流动，排出孔隙内滞留空气并浸润芯层纤维，维持压力保压冷却后卸压开模取出制品；

3、然而，该现有技术方案存在如下不足：其一，由于增强用芯层体积分数通常大于60%，鞘层熔体量有限，在有限成型时间内难以充分排尽纤维束内部滞留空气，制品内部易残留孔隙缺陷，其二，为驱除孔隙缺陷而提高的成型压力会产生较大剪切应力，易将熔融鞘层从芯层表面撕裂剥离，形成纤维结块与局部干区，其三，模具壁面向内部传导加热的方式热量传递路径长，芯层在长时间高温环境下易发生热致松弛，导致其拉伸强度和模量衰减，难以保留原有的力学性能。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：如何在保证增强芯层体积分数大于60%的前提下，克服非连续纤维模压成型过程中因鞘层熔体量匮乏而导致的制品内部孔隙缺陷问题；

2、同时避免因驱除孔隙缺陷而被迫施加的高压、高剪切流动对芯层与鞘层界面的撕裂剥离作用；

3、并避免传统模具由外向内热传导加热方式导致高强度芯层发生热致松弛而丧失原有高强高模性能的问题，从而在同一工艺中实现高流动浸润需求与低剪切、低热损效果的兼顾。

4、为解决上述技术问题，本发明提供一种非连续纤维增强复合材料的成型工艺，包括以下步骤：

5、提供非连续纤维预成型体，所述非连续纤维沿径向由内至外依次包括芯层、动态共价交联过渡层和鞘层，所述芯层为非极性聚合物材料，所述鞘层为掺杂有极性纳米相的热塑性聚合物材料，所述鞘层的介电损耗因子大于所述芯层的介电损耗因子，所述过渡层为含有动态共价键的聚合物材料，所述动态共价键能够在受热条件下发生解聚反应、在温度降低条件下发生重新交联反应；

6、将所述预成型体置入模具型腔内，闭合模具完成合模；

7、对合模后的模腔施加电磁场，所述电磁场为微波电磁场、射频电磁场中的一种，使所述鞘层因其介电损耗因子大而被选择性加热熔融，同时使所述过渡层中的动态共价键因温度升高而发生解聚反应，令所述过渡层的粘度降低，所述芯层因其介电损耗因子小而温度保持低于所述芯层的分子链松弛温度；

8、在所述过渡层粘度降低的状态下，使熔融后的所述鞘层在所述预成型体内部流动并浸润所述芯层；

9、停止施加所述电磁场，对模具进行降温保压，使所述过渡层中已解聚的动态共价键重新发生交联反应，将冷却固化后的所述鞘层与所述芯层通过化学键连接，形成界面自重构；

10、待温度降至预定脱模温度以下后，卸除压力并开模，得到非连续纤维增强复合材料制品。

11、采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

12、1.本发明通过在芯层与鞘层之间引入具有流变雪崩特性的动态共价交联过渡层，使该过渡层在受热瞬间因动态共价键大规模解聚而粘度急剧下降，形成隔离液膜，使短切纤维在高填充率条件下能够在较低成型压力下实现快速流动并排尽微孔隙，从而降低制品孔隙率；

13、2.本发明由于成型压力显著降低，熔体流动过程中产生的剪切应力相应减小，避免了高剪切力对鞘层与芯层界面的撕裂剥离作用，减少纤维结块与局部干区的产生；

14、3.本发明通过芯层与鞘层介电损耗因子的差异设计，并采用靶向电磁场选择性加热方式，使电磁能量选择性地被鞘层吸收并快速升温熔融，芯层因几乎不吸收电磁能量而保持低于其分子链松弛温度的状态，从而保留芯层原有的高强高模性能；

15、4.本发明在降温保压阶段，过渡层中已解聚的动态共价键重新发生交联反应，将冷却固化后的鞘层基体与芯层通过化学键重新连接，形成化学键合界面，界面结合强度得以提升；

16、5.本发明所提供的工艺无需依赖高压驱动熔体流动，可相应缩短保压时间，提升生产效率。

1.一种非连续纤维增强复合材料的成型工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的成型工艺，其特征在于，所述过渡层的材料为含有呋喃基团和马来酰亚胺基团的超支化预聚物，所述呋喃基团与所述马来酰亚胺基团通过diels-alder反应形成所述动态共价键。

3.根据权利要求1所述的成型工艺，其特征在于，所述极性纳米相为碳基偶极子、钛酸钡纳米粒子中的一种。

4.根据权利要求1所述的成型工艺，其特征在于，所述芯层的材料为超高分子量聚乙烯、芳纶中的一种；

5.根据权利要求1所述的成型工艺，其特征在于，在提供所述非连续纤维预成型体的步骤之前，还包括：分别制备芯层原料、鞘层原料及过渡层预聚物原料，将所述芯层原料、所述鞘层原料及所述过渡层预聚物原料分别输送至多组分复合纺丝设备，采用同轴复合纺丝工艺一次性原位共挤出，得到芯-过渡层-鞘三层结构连续纤维，将所述连续纤维按预定长度切断，得到所述非连续纤维。

6.根据权利要求1所述的成型工艺，其特征在于，对合模后的模腔施加电磁场的步骤中，实时监测所述芯层对应区域和所述鞘层对应区域的温度，根据监测得到的温度数据反馈调节所述电磁场的输出功率。

7.根据权利要求1所述的成型工艺，其特征在于，所述动态共价键为二硫键、亚胺键、硼酸酯键中的一种，通过键交换反应实现解聚与重新交联。

8.根据权利要求1所述的成型工艺，其特征在于，对合模后的模腔施加电磁场的步骤，替换为对合模后的模腔施加特定波长的红外激光，所述鞘层中掺杂有对该特定波长激光的吸收率大于所述芯层的纳米相。

9.根据权利要求1所述的成型工艺，其特征在于，对合模后的模腔施加电磁场的步骤，替换为对合模后的模腔施加交变磁场，所述鞘层中掺杂有磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒在所述交变磁场作用下产生涡流热效应使所述鞘层选择性升温。

10.一种用于权利要求1至9中任一项所述成型工艺的非连续纤维，其特征在于，沿径向由内至外依次包括芯层、动态共价交联过渡层和鞘层，所述芯层为非极性聚合物材料，其体积分数占纤维总体积的60%以上；