一种复合材料部件及其制备装置和方法与流程

1.本发明属于碳纤维复合材料领域，具体涉及一种以碳纤维为主体复合其他材料的复合材料部件及其制备装置和方法。


背景技术：

2.碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
3.碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
4.由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的mx导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
5.车门防撞梁随着新材料新技术的应用，经历着由高强钢到铝合金再到纤维增强复合材料的发展，其中复合材料以其优异的比刚度和比强度成为了实现汽车减重的重大效果。而目前复合材料车门防撞梁的制备方式大部分为预浸料模压成型，所成型的结构大部分为板壳结构或三明治夹层结构。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种复合材料部件及其制备装置和方法，具体方案如下：一种复合材料部件，其由内到外依次由内表面材料层、玻璃纤维层1、碳纤维层、玻璃纤维层2和外表面材料层构成，其中内表面材料层和外表面材料层采用的是玻璃纤维材料，碳纤维层采用的是0
°
碳纤维，所述玻璃纤维层1是1200tex的玻璃纤维通过缠绕固定在内表面材料层上制得的网状结构，碳纤维层贴覆在玻璃纤维层1上，玻璃纤维层2是1200tex的玻璃纤维通过缠绕固定在碳纤维层上制得的网状结构，外表面材料层包覆在玻璃纤维层2上。
7.所述（内表面材料层和外表面材料层的重量）：（玻璃纤维层1和玻璃纤维层2的重量）：碳纤维的重量为15:10:75。
8.一种复合材料部件的制备装置，芯轴（1）依次贯穿内表面材料用导毡架1（2）、缠绕机1（3）、树脂槽1（4）、树脂槽2（5）、导纱装置（6）、缠绕机2（7）、外表面材料用导毡架2（8）和
加热模具（9），树脂槽1（4）、树脂槽2（5）设置在芯轴的两侧，还包括牵引装置（10）及设在牵引装置后道的裁切装置（11）。
9.所述外表面材料用导毡架2（8）与加热模具（9）的入口处之间的距离为3-5cm。
10.所述导纱装置（6）由近树脂槽一侧的金属板、近缠绕机2（7）一侧的聚四氟乙烯板和导纱装置（6）两侧的固定架1（14）和固定架2（15）构成，金属板和聚四氟乙烯板分别固定在固定架1（14）和固定架2（15）上，所述金属板和聚四氟乙烯板的中心与芯轴（1）的中心在同一条直线上，聚四氟乙烯板与金属板之间的距离为10-15cm，金属板上设有用于让碳纤维穿过的孔。附着树脂的碳纤维通过左边金属板中的孔，由于最终产品通常是对称结构，所以金属板上的孔也是对称的。碳纤维集束后被拉挤向前移动，碳纤维通过聚四氟乙烯板时，碳纤维可贴附在芯轴表面，同时聚四氟乙烯板的润滑作用还可以起到让纤维集束通过时不产生毛纱。
11.一种复合材料部件的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将内表面材料经过内表面材料用导毡架1（2）包覆在芯轴（1）上；步骤2：将玻璃纤维通过缠绕机1（2）缠绕在内表面材料层上；步骤3：碳纤维经树脂槽1（4）和树脂槽2（5）吸附树脂后，通过导纱装置（6）贴覆在步骤2得到的材料上，形成矩形管状部件；步骤4：将玻璃纤维通过缠绕机2（7）缠绕在步骤3得到的矩形管状部件上；步骤5：外表面材料经外表面材料用导毡架2（8）包覆在步骤4得到的部件上；步骤6：步骤5得到的部件经加热模具（9）加热固化成型；步骤7：将步骤6成型后的部件进行裁切至目标尺寸，即可得最终产品。
12.优选地，在开始步骤1之前先将内表面材料、外表面材料、玻璃纤维缠绕层1所用的玻璃纤维和玻璃纤维缠绕层2所用的玻璃纤维、碳纤维，通过人工穿纱的方式依次通过导纱装置（6），加热模具（9）和牵引装置（10），然后开启牵引装置使所有纤维材料向前运动，将芯轴（1）送入加热模具（9）中。
13.进一步的，步骤2中缠绕机1（3）缠绕时采用螺旋缠绕，螺旋缠绕时缠绕角度相等但方向相反的玻璃纤维形成交叉点，缠绕角度α1设定为tanα1=l1/（n1×
w1），其中l1为矩形管状部件内表面周长，n1为缠绕锭纱的数量，w1为缠绕纱线的宽度；缠绕机转速设定为1.5r/min。
14.步骤4中缠绕机2（7）缠绕时采用螺旋缠绕，螺旋缠绕时缠绕角度相等但方向相反的玻璃纤维形成交叉点，缠绕角度α2设定为tanα2=l2/（n2*w2），其中l2为矩形管状部件外表面周长，n2为缠绕锭纱的数量，w2为缠绕纱线的宽度；缠绕机转速设定为2r/min。
15.树脂槽1（4）和树脂槽2（5）中的树脂是由环氧树脂：固化剂：内脱模剂：无机填料按质量比为100：105：1-2：5-8组成。
16.步骤6中模具加热采用三段式加热，第一段加热温度为170
±
2℃，第二段加热温度为175
±
2℃，第三段加热温度为180
±
2℃。
17.一种复合材料部件的应用，用于制成防撞梁。采用本技术工艺制备的具有空心结构的矩形管，然后两端粘结金属件后即可制备防撞梁。
18.本发明的创新之处为：1、采用最内层为玻璃纤维材料、后将玻璃纤维缠绕在最内层材料上、再在玻璃纤维缠绕层上贴覆碳纤维层，再将玻璃纤维缠绕在碳纤维层上，最后用玻璃纤维材料包覆，最
终加热固化，采用该方法制得的复合材料部件可同时在满足产品轴向性能的和产品径向性能，且能同时满足性能和工业品外观的要求；（内表面材料层和外表面材料层的重量）：（玻璃纤维层1和玻璃纤维层2的重量）：碳纤维的重量为15:10:75，采用该比例制得的产品既可以有较好的性能，同时质量也更轻。
19.2、在制造复合材料部件中时，特别提出表面材料用导毡架2与加热模具的入口处之间的距离为3-5cm，产品组合完成后5s以内即可进入模具加热固化，保证了成品的成型质量；另外通过优化设置玻璃纤维的缠绕角度和缠绕机的转速，可在一定范围内对产品径向性能（弯曲刚度）进行调节。
20.本发明的有益技术效果：成型工艺具有生产效率高，良品率高的特点。以实施例1为例，以拉挤速率30cm/min计算，月产量可达1万件；与金属车门防撞梁对比，重量降低20%以上，且弯曲刚度比纯拉挤的防撞梁提升接近15%。
附图说明
21.图1为本发明复合材料部件的制备装置的示意图。
22.图2为本发明实施例1复合材料部件的示意图。
23.图3为本发明实施例1中导纱装置的示意图。
24.其中1-芯轴；2-内表面材料导毡架1；3-缠绕机1；4-树脂槽1；5-树脂槽2；6-导纱装置；7-缠绕机2；8-外表材料导毡架2；9-加热模具；10-牵引装置；11-裁切装置；12-金属板；13-聚四氟乙烯板；14-固定架1；15-固定架2。
具体实施方式
25.实施例1准备工作：将内表面材料、外表面材料、玻璃纤维缠绕层1所用的玻璃纤维和玻璃纤维缠绕层2所用的玻璃纤维、碳纤维，通过人工穿纱的方式依次通过导纱装置，加热模具和牵引装置，然后开启牵引机使所有纤维材料向前运动，再将芯轴慢慢送入加热模具中，具体步骤为：如图1所示，采用400gsm的玻纤表面材料作为内表面材料通过导毡架包覆在芯轴上；1200tex的玻璃纤维通过缠绕机1以30
°
的缠绕角度将内表面材料包覆在芯轴上，缠绕机转速为1.5r/min；再将0
°
50k的碳纤维经树脂槽1和树脂槽2吸附树脂后，经过导纱装置形成一个矩形管的外形，树脂槽1和2中树脂按重量比配方为：环氧树脂100份，固化剂105份，内脱模剂1-2份，无机填料5-8份；接着，1200tex的玻璃纤维通过缠绕机2以40
°
缠绕角度将矩形管外形固定，缠绕机转速为2r/min；然后，400gsm的玻纤表面材料作为外表面材料再通过导毡架，导毡架出口距离模具入口5cm，外表面材料入模后即可将矩形管包覆；包覆成型矩形管经模具加热固化成型；本发明采用模具温度为170℃/175℃/180℃；上述操作过程中，由牵引装置提供所有材料前进的动力，牵引速度为30cm/min；最后，当成型好的矩形管进入裁切装置时，进行定长裁切，制得的产品的示意图如图2所示。
26.将上述裁切好的矩形管两端胶接金属件即可得到防撞梁。表1和表2列出了本实施例制得的产品与在尺寸相同的情况下重量和性能对比数据。
27.表1不同材质车门防撞梁重量对此
材质重量高强度钢1.82kg铝合金1.67kg本实施例1制得的产品1.3kg表2 不同材质车门防撞梁性能对此材质重量弯曲刚度纯拉挤工艺制得的防撞梁1.33kg663n/mm本实施例1制得的产品1.24kg762n/mm实施例2准备工作：将内表面材料、外表面材料、玻璃纤维缠绕层1所用的玻璃纤维和玻璃纤维缠绕层2所用的玻璃纤维、碳纤维，通过人工穿纱的方式依次通过导纱装置，加热模具和牵引装置，然后开启牵引机使所有纤维材料向前运动，再将芯轴慢慢送入加热模具中，具体步骤为：采用400gsm的玻纤表面材料作为内表面材料通过导毡架包覆在芯轴上；1200tex的玻璃纤维通过缠绕机1以30
°
的缠绕角度将内表面材料包覆在芯轴上，缠绕机转速为1.5r/min；再将0
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50k的碳纤维经树脂槽1和树脂槽2吸附树脂后，经过导纱装置形成一个矩形管的外形，树脂槽1和2中树脂按重量比配方为：环氧树脂100份，固化剂105份，内脱模剂1-2份，无机填料5-8份；接着，1200tex的玻璃纤维通过缠绕机2以40
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缠绕角度将矩形管外形固定，缠绕机转速为2r/min；然后，400gsm的玻纤表面材料作为外表面材料再通过导毡架，导毡架出口距离模具入口5cm，外表面材料入模后即可将矩形管包覆；包覆成型矩形管经模具加热固化成型；本发明采用模具温度为168℃/175℃/182℃；上述操作过程中，由牵引装置提供所有材料前进的动力，牵引速度为30cm/min；最后，当成型好的矩形管进入裁切装置时，进行定长裁切。