樹脂基碳纖維復合材料的自阻電加熱固化方法技術

一種樹脂基碳纖維復合材料的自阻電加熱固化方法，采用通電加熱碳纖維的方式提供樹脂固化所需的熱量，同時結合壓力罐提供的壓力成型，最終獲得所需要的零件。本發明專利技術將電加熱的方式應用到纖維增強型復合材料中去，對樹脂基碳纖維復合材料預成形體通電加熱，通過控制電源電流的方式來控制預成形體的溫度，這種加熱方式的溫度易于控制，加熱時間短，加熱效率高，并且能夠改善加熱固化時預成形體的溫度分布情況，最終獲得質量滿足要求的樹脂基碳纖維復合材料零件。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及復合材料的加熱固化研究領域，具體是一種樹脂基碳纖維復合材料的 自阻電加熱固化方法。
技術介紹
先進復合材料因其具有比強度、比剛度高以及質量輕等一系列優點而廣泛應用于 航空航天、能源、交通以及生物醫學領域。一般來說先進復合材料是由高體積分數的纖維和 中高溫樹脂體系復合而成，纖維是增強復合材料剛度和強度的組分，纖維的含量越高，結構 的強度和剛度就越大。樹脂基碳纖維復合材料指的是以碳或石墨纖維為增強體，并與樹脂 進行復合而成的，其中碳纖維的性能好、纖維類型和規格多、成本適中，同時碳纖維也是一 種較好的導電填料，能在很小的填充量下達到很高的導電性能，因此樹脂基碳纖維復合材 料具有較高的導電性能，在復合材料的加熱固化中，可利用這一特性對復合材料預成形體 進行通電加熱固化。 由于碳纖維為導電材料，樹脂為絕緣體，因此采用通電的方式對鋪設完成的樹脂 基碳纖維預浸料鋪層進行自阻加熱時，電流只能從碳纖維中通過并由自身電阻產生焦耳 熱，然后將熱量傳遞給周圍的樹脂。對于樹脂基碳纖維復合材料，其固化的過程就是成形的 過程，這個過程可分為三個階段，第一個階段是升溫階段，第二個階段是保溫階段，第三個 階段為降溫階段。在升溫階段，樹脂基碳纖維預成型體的溫度逐漸上升，隨著溫度的上升樹 脂的流動性增強，此時樹脂基碳纖維預成形體中的碳纖維被樹脂充分潤濕，而樹脂基碳纖 維預浸料表面的壓力則在短時間內迅速上升到最大值后保持最大的壓力值不變;在保溫階 段，壓力保持升溫階段達到的最大值不變，此時對復合材料施加的壓力可擠壓出預成形體 中的空氣、除去空隙并實現纖維的均勻分布;在降溫階段，關閉電源使樹脂基碳纖維預浸料 的溫度逐漸恢復至室溫，最終得到符合要求的樹脂基碳纖維復合材料零件。 中國專利CN 1730203A(金屬基復合材料電流直加熱動態燒結熱壓制備方法及裝 置)介紹了一種金屬基復合材料的電流直加熱動態燒結熱壓制備裝置，它包括電流直加熱 動態燒結熱壓爐、熱壓燒結模具，熱壓燒結模具由普碳鋼外框、模具、陶瓷絕緣層構成。該發 明使電流通過產品而不通過模具，通過大電流引起材料自身電阻發熱，利用燒結過程中電 流的特征與被燒結材料溫度的關系，并且通過控制電流的特征短時間內完成燒結過程。然 而這種裝置僅適用于粉末燒結的方式成形出金屬基復合材料，而不能適用于碳纖維復合材 料的加熱固化。一般對于碳纖維復合材料，傳統的加熱固化方式主要是熱傳導與熱輻射，這 種加熱方式的加熱時間長，熱量傳遞速度慢。因此，需要一種適合于樹脂基碳纖維復合材料 的加熱固化方法，來解決傳統加熱方式中加熱時間長，熱量傳遞速度慢以及成本高等問題， 采用通電加熱的方式固化成形出質量滿足要求的樹脂基碳纖維復合材料。
技術實現思路
針對傳統固化成形復合材料時存在的不足，解決傳統加熱方式中加熱時間長，熱 量傳遞速度慢，以及成本高的問題，本專利技術提出了一種樹脂基碳纖維復合材料的自阻電加 熱固化方法。 本專利技術的具體過程是： 步驟1，表面清洗;通過清洗去除各矩形的樹脂基碳纖維預浸料長邊的兩端的樹 月旨，使該樹脂基碳纖維預浸料兩端的碳纖維暴露出來，用于埋設電極。清洗的長度均為10~ 15mm;所述樹脂基碳纖維預浸料的數量為偶數。 步驟2,鋪疊樹脂基碳纖維預浸料。將經過清洗的各樹脂基碳纖維預浸料進行鋪 疊，并使相鄰的兩層樹脂基碳纖維預浸料之間成90°鋪疊，直至將所有樹脂基碳纖維預浸料 鋪疊完，得到樹脂基碳纖維預浸料預成形體。當鋪疊至預成形體中部鋪層時，在兩層樹脂基 碳纖維預浸料之間放置兩個涂有導電膏的電極，并使所述兩個電極均位于樹脂基碳纖維預 浸料長邊的兩端。將所述電極的導線引出。所述預成形體采用樹脂基碳纖維預浸料進行鋪 置。 步驟3，工裝準備。在所述"C"形件的模具表面鋪設一層絕緣材料;將上述安放有電 極的樹脂基碳纖維預浸料預成形體放置在該絕緣材料上;在樹脂基碳纖維預浸料預成形體 上表面等距放置有三個熱電偶，各熱電耦分別與溫度控制器連接。 采用真空袋組合單元將上述鋪設好的樹脂基碳纖維預成形體、電極、模具和熱電 偶按照現有技術密封在一起，抽取袋中的空氣直至真空狀態后放入壓力罐中，電源位于壓 力罐的外部，通過導線與壓力罐內部真空袋中的電極連接。 所述真空袋組合單元包括真空袋、透氣氈、吸膠材料和有孔隔離膜。將模具置于真 空袋內底層，在該模具的上表面依次鋪設絕緣材料和透氣氈;將樹脂基碳纖維預浸料預成 形體放置在透氣氈的上表面。在所述透氣氈的上表面鋪設吸膠材料;在所述吸膠材料的上 表面再鋪設第二層透氣氈。將所述有孔隔離膜鋪設在第二層透氣氈的上表面。完成上述鋪 設后，用密封膠將真空袋密封。 步驟4,確定加熱固化參數。所述加熱固化參數包括樹脂基碳纖維預浸料預成形體 的電阻和通過樹脂基碳纖維預浸料預成形體電流的強度。 通過公式1確定樹脂基碳纖維預浸料預成形體的電阻R:通過公式2和3確定樹脂基碳纖維預浸料預成形體電流的強度I其中，R是樹脂基碳纖維預成形體的電阻，Pf是碳纖維的電阻率，Lx是預成形體的長 度，Vf是碳纖維的體積分數，Ly是預成形體的寬度，eo是預成形體鋪層的總厚度，I是需要設 定的通過樹脂基碳纖維預成形體的電流強度，ε是樹脂基碳纖維預成形體的發射率,A 1是預 成形體的散熱表面積，σ是斯特藩-玻耳茨曼常數，T1是預成形體預期保溫溫度，1~ 2是實驗室 室溫。步驟5,通電加熱固化。根據確定的加熱固化參數，對樹脂基碳纖維預浸料預成形體通 入確定的直流電流，使樹脂基碳纖維預浸料預成形體以2~5°C/min的升溫速率升溫至170 ~190°C;當加溫至170~190°C時開始保溫。在通電流的同時，抽真空對壓力罐加壓至0.4~ 0 · 6MPa，對樹脂基碳纖維預浸料預成形體施加壓力。當壓力罐的壓力達到0 · 4~0 · 6MPa后關 閉氣體閥門保壓，使預成形體表面上的壓力保持該壓力不變直到完成復合材料的固化成 形。 同時用溫度控制器對預成形體的溫度進行監測和記錄。 步驟6,取出樹脂基碳纖維復合材料零件。關閉電源，卸載壓力罐內的壓力，以2~5 °C/min的降溫速率對所述待預成形體的溫度降溫至室溫。壓力卸載完畢后，打開壓力罐，從 真空袋中取出固化的樹脂基碳纖維復合材料零件。 本專利技術采用通電加熱碳纖維的方式提供樹脂固化所需的熱量，同時結合壓力罐提 供的壓力成型，最終獲得所需要的零件。 本專利技術將電加熱的方式應用到纖維增強型復合材料中去，對樹脂基碳纖維復合材當前第1頁1 2 3 4 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種樹脂基碳纖維復合材料的自阻電加熱固化方法，其特征在于，具體過程是：步驟1，表面清洗；通過清洗去除各矩形的樹脂基碳纖維預浸料長邊的兩端的樹脂，使該樹脂基碳纖維預浸料兩端的碳纖維暴露出來，用于埋設電極；清洗的長度均為10～15mm；所述樹脂基碳纖維預浸料的數量為偶數；步驟2，鋪疊樹脂基碳纖維預浸料；將經過清洗的各樹脂基碳纖維預浸料進行鋪疊，并使相鄰的兩層樹脂基碳纖維預浸料之間成90°鋪疊，直至將所有樹脂基碳纖維預浸料鋪疊完，得到樹脂基碳纖維預浸料預成形體；當鋪疊至預成形體中部鋪層時，在兩層樹脂基碳纖維預浸料之間放置兩個涂有導電膏的電極，并使所述兩個電極均位于樹脂基碳纖維預浸料長邊的兩端；將所述電極的導線引出；步驟3，工裝準備；在所述“C”形件的模具表面鋪設一層絕緣材料；將上述安放有電極的樹脂基碳纖維預浸料預成形體放置在該絕緣材料上；在樹脂基碳纖維預浸料預成形體上表面等距放置有三個熱電偶，各熱電耦分別與溫度控制器連接；采用真空袋組合單元將上述鋪設好的樹脂基碳纖維預成形體、電極、模具和熱電偶按照現有技術密封在一起，抽取袋中的空氣直至真空狀態后放入壓力罐中，電源位于壓力罐的外部，通過導線與壓力罐內部真空袋中的電極連接；步驟4，確定加熱固化參數；所述加熱固化參數包括樹脂基碳纖維預浸料預成形體的電阻和通過樹脂基碳纖維預浸料預成形體電流的強度；步驟5，通電加熱固化；根據確定的加熱固化參數，對樹脂基碳纖維預浸料預成形體通入確定的直流電流，使樹脂基碳纖維預浸料預成形體以2～5℃/min的升溫速率升溫至170～190℃；當加溫至170～190℃時開始保溫；在通電流的同時，抽真空對壓力罐加壓至0.4～0.6MPa，對樹脂基碳纖維預浸料預成形體施加壓力；當壓力罐的壓力達到0.4～0.6MPa后關閉氣體閥門保壓，使預成形體表面上的壓力保持該壓力不變直到完成復合材料的固化成形；同時用溫度控制器對預成形體的溫度進行監測和記錄；步驟6，取出樹脂基碳纖維復合材料零件；關閉電源，卸載壓力罐內的壓力，以2～5℃/min的降溫速率對所述樹脂基碳纖維預浸料預成形體的溫度降溫至室溫；壓力卸載完畢后，打開壓力罐，從真空袋中取出固化的樹脂基碳纖維復合材料零件。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王永軍，蔡豫晉，王望，元振毅，楊凱，劉天驕，何俊杰，郭睿，李曉治，肖旭東，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61