一种脉冲电流固化碳纤维复合材料的成型方法技术

本申请所述的一种脉冲电流固化碳纤维复合材料的成型方法，在碳纤维复合材料延纤维长度方向的两端分别设置导电性良好的金属材料作为电极，脉冲电源通过导线与电极相连，提供频率，峰值可控的脉冲电流，在电流的热效应作用下碳纤维中产生焦耳热，通过调整平均电流大小进行温度控制，同时通过调整脉冲电流的频率大小改变趋肤效应的趋肤深度，使碳纤维的有效电阻改变，进而协同控制材料温度，在碳纤维复合材料上外加均匀压力辅助条件下，根据复合材料固化温度要求进行碳纤维复合材料的固化成型。型。型。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲电流固化碳纤维复合材料的成型方法


[0001]本申请涉及碳纤维复合材料固化成型领域，具体涉及一种脉冲电流固化碳纤维复合材料的成型方法。

技术介绍

[0002]碳纤维复合材料与金属材料或其他工程材料相比，具有较高的比强度、比模量、良好的耐疲劳性能和耐腐蚀性，并且大多数碳纤维复合材料可通过设计增强纤维的取向及用量来对结构材料的性能实行剪裁，达到性能最佳化。作为航空航天高技术产品的重要组成部分，碳纤维复合材料能有效降低飞行器的结构质量，增加有效载荷和射程，降低成本。波音787(波音公司)和空客A350(空客公司)等飞机用碳纤维复合材料取代了50％以上的机身。随着碳纤维复合材料的优异性能越来越多地被认识和接受，其在能源、交通、汽车、海洋、建筑及其他工业部门的应用也在快速地发展。
[0003]碳纤维复合材料的传统固化工艺采用的是热压罐法，由于热压罐内空气温度均匀、罐内压力均匀、模具相对简单、适用范围较广、成型工艺稳定可靠等。现已成为航空航天领域的主承力和次承力结构件成型的首选工艺。但是热压罐固化复合材料制品的耗费大、作业慢、制品尺寸受限制；模具需能承受作业温度并且生产成本较高。
[0004]碳纤维复合材料电流固化利用的是材料本身的导电性，电流通过材料时会产生焦耳热，从而达到加热树脂基体的目的。从理论上分析，只要每根碳纤维都有电流传导，整个体积范围内的加热就会产生均匀的温度分布，由于温度对碳纤维内部电流的敏感响应，实现了快速加热和冷却速率,达到高能效。相比传统的热压罐法，这种方法的电热转换效率很高，不仅节省能源，还能实现快速加热固化。但是碳纤维的高电导率使得材料达到固化温度时所需的电流过大，如将一块长80mm宽50mm厚1mm的碳纤维复合材料加热至130℃所需的电流为50A左右，较大的电流在产生大量焦耳热的同时还会对碳纤维本身产生电流刻蚀作用，严重的会造成碳纤维的穿孔，从而影响碳纤维复合材料构件的整体力学性能。因此，亟需一种解决电流刻蚀作用降低碳纤维复合材料性能的方法。

技术实现思路

[0005]本申请目的在于解决上述现有技术的不足，提供一种脉冲电流固化碳纤维复合材料的成型方法。
[0006]本申请的实施例可以通过以下技术方案实现：
[0007]一种脉冲电流固化碳纤维复合材料的成型方法。
[0008]所述成型方法中包括成型装置，所述成型装置包括表面平整的刚性模具1及将刚性模具密封包裹的真空袋7和抽真空软管9，真空袋7和抽真空软管9使得成型装置内部为真空环境；成型装置还包括绝缘布(膜)3、隔离布(膜)4、碳纤维预浸料5、透气毡6、电极8、导线16、高频脉冲电源10、夹具13、刚性均压板14、温度探头15，所述导线16的一端与电极8连接，另一端穿过真空袋7与高频脉冲电源10正负极相连；
[0009]成型步骤如下：
[0010]步骤一：材料的裁剪与铺放准备，
[0011]剪裁出所需尺寸和数量的碳纤维预浸料5、尺寸大于碳纤维预浸料5的绝缘布(膜)3、隔离布(膜)、4透气毡，所述碳纤维预浸料5为各类碳纤维增强热固性树脂预浸料、各类碳纤维增强热塑性树脂预浸料、干碳纤维和树脂片材或者胶膜；
[0012]步骤二：材料铺放，
[0013]从所述刚性模具1表面向上依次铺放绝缘布(膜)3、隔离布(膜)4、碳纤维预浸料5、电极8，并在电极8上侧再次自下而上放置隔离布(膜)4、透气毡6，形成碳纤维复合材料组合单元17；所述电极8放置在碳纤维预浸料5长度方向的两端；
[0014]步骤三：电路连接及辅助设备安放，
[0015]在碳纤维复合材料组合单元17上提供均匀的辅助压力，电极8处采用夹具13配合刚性均压板14提供压紧力，减小电极8与碳纤维复合材料组合单元17之间的接触电阻，并在碳纤维复合材料组合单元17正上方放置温度探头15辅助温度测量；
[0016]步骤四：输入电参数加热固化，
[0017]高频脉冲电源10中设置初始电流频率和电流大小，根据多层碳纤维预浸料5固化温度曲线要求，结合温度探头16测量的温度进行电流大小或者频率的调节，且优先调高脉冲的频率使多层碳纤维预浸料5温度逐渐上升，过程中在多层碳纤维预浸料5的温度达到合适的时候进行保温；
[0018]步骤五：卸载与拆模，
[0019]多层碳纤维预浸料5固化完成后，将高频脉冲电源10参数归零后关闭，待自然冷却至室温后，再关闭真空泵11，取下夹具13，取出碳纤维复合材料组合单元17，将多层碳纤维预浸料5与电极8接触部分切割掉，得到最终的碳纤维复合材料。
[0020]进一步，所述电极8的宽度为10～30mm。
[0021]进一步，所述刚性模具为耐热玻璃、石英石等石材质板、铝板钢板刚度较大的金属板。
[0022]进一步，当刚性模具采用非金属材料时，可不用铺设绝缘层。
[0023]进一步，所述透气毡是耐高温聚酯纤维材料，可在复合材料上层形成透气层，防止真空密封时出现假真空状态。
[0024]进一步，所述真空泵为能提供不小于0.09Mpa负压的设备。
[0025]进一步，所述导线应为截面积大于60mm2的多股软导线，导线与电极连接方式可以采用焊接或者夹紧的固定方式。
[0026]进一步，所述温度探头所能测温范围应不小于0℃
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400℃，且测量区域至少覆盖整个碳纤维复合材料组合单元17。
[0027]进一步，高频脉冲电流形式可以是正脉冲、负脉冲、双向脉冲，脉冲频率应连续可调，最高脉冲频率不低于100KHz，脉冲电流大小从零开始连续可调，最大电流不低于200A。
[0028]本申请实施例提供的脉冲电流固化碳纤维复合材料的成型方法至少具有以下有益效果：
[0029](1)更快的温度响应速度，由于高频电流产生的趋肤效应，使得电流主要在碳纤维表面流动，同样的电流大小情况下，高频电流在碳纤维表面的电流密度远大于直流电流在
碳纤维表面的电流密度，因此在碳纤维表面产生更高的温度，材料升温更快，固化周期更短，固化效率更高。
[0030](2)更低的固化电流，由于高频电流产生的趋肤效应，使得碳纤维材料的有效电阻增大，根据焦耳热公式Q＝I2Rt，其中Q为电流通过导体时产生的焦耳热，I为电流大小，R为导体电阻，t为电流通过时间，从公式中可以看出，在通电时间相同的情况下，要产生相同的焦耳热，电阻越大，所需的电流越小。因此，固化同样的复合材料，高频电流的电流大小要比直流电流小。
[0031](3)更好的碳纤维
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树脂界面质量，由上述(1)和(2)中可以得到更短的固化周期和更低的固化电流，使得电流刻蚀作用的影响程度降低，同时，由于高频电流产生的趋肤效应，电流的刻蚀作用主要发生在碳纤维表面，在碳纤维表面形成刻痕或者凹槽，这些凹槽和刻痕的存在，增大了碳纤维的表面积，即增大了碳纤维与树脂之间的接触面积，使得碳纤维
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树脂界面层质量更好。
附图说明
[0032]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉冲电流固化碳纤维复合材料的成型方法，其特征在于，所述成型方法中包括成型装置，所述成型装置包括表面平整的刚性模具及将刚性模具密封包裹的真空袋和抽真空软管，真空袋和抽真空软管使得成型装置内部为真空环境；成型装置还包括绝缘布(膜)、隔离布(膜)、碳纤维预浸料、透气毡、电极、导线、高频脉冲电源0、夹具、刚性均压板、温度探头，所述导线的一端与电极连接，另一端穿过真空袋与高频脉冲电源0正负极相连；成型步骤如下：步骤一：材料的裁剪与铺放准备，剪裁出所需尺寸和数量的碳纤维预浸料、尺寸大于碳纤维预浸料的绝缘布(膜)、隔离布(膜)、透气毡，所述碳纤维预浸料为各类碳纤维增强热固性树脂预浸料、各类碳纤维增强热塑性树脂预浸料、干碳纤维和树脂片材或者胶膜；步骤二：材料铺放，从所述刚性模具表面向上依次铺放绝缘布(膜)、隔离布(膜)、碳纤维预浸料、电极，并在电极上侧再次自下而上放置隔离布(膜)、透气毡，形成碳纤维复合材料组合单元；所述电极放置在碳纤维预浸料长度方向的两端；步骤三：电路连接及辅助设备安放，在碳纤维复合材料组合单元上提供均匀的辅助压力，电极处采用夹具配合刚性均压板提供压紧力，减小电极与碳纤维复合材料组合单元之间的接触电阻，并在碳纤维复合材料组合单元正上方放置温度探头辅助温度测量；步骤四：输入电参数加热固化，高频脉冲电源0中设置初始电流频率和电流大小，根据多层碳纤维预浸料固化温度曲线要求，结合温度探头测量的温度进行电流大小或者频率的调节，且优先调高脉冲的频率使多层碳纤维预浸料温度逐渐上升，过程中在多层碳纤维预浸料的温度达到合适的时候进行保温；步骤五：卸载与拆模，多层碳纤维预浸料固化完成后，将高频脉冲电源0参数归零后关闭，待自然冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，张鸿名，王博，陈震，李鑫，常旭升，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：