[發明專利]一種導電纖維增強復合材料的快速原位成型方法

有效

• 申請號: 201910072610.5
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109648895B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 楊子劍;李迎光;郝小忠
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B29C70/88
• 分類號: B29C70/88
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 瞿網蘭

一種連續導電纖維增強復合材料的快速原位成型方法，其特征是通過在成型機構上設置若干具有電勢差的金屬觸點，使動態傳送的導電纖維與其發生滑動或滾動接觸，導電纖維在多級金屬觸點間發生電損耗產生熱量，根據傳感器監測的各級溫度，動態調控各級輸入電能，將復合材料逐級加熱至成型溫度，完成快速原位成型。本發明利用材料自身電導損耗作為熱源，無需施加外熱源，在擠出、鋪放、拉擠等纖維復材定向運動的成型過程中，實現復合材料的高速加熱最終原位成型，其熱響應速度快，纖維均勻發熱，能量利用率高，該方法可大幅提高復材原位成型質量，縮短纖維增強復合材料的制造周期，降低制造成本。

技術領域

本發明涉及一種復合材料成型方法，尤其是一種連續導電纖維增強復合材料的快速原位成型方法，具體地說是一種利用電損耗加熱的導電纖維增強復合材料快速原位固化成型方法。

背景技術

導電纖維增強的復合材料如碳纖維增強復合材料在航空航天、汽車、船舶等領域具有極高的重量占比，成為了交通運輸業中不可或缺的關鍵材料。然而目前復合材料依然大量采用“預成型-固化-加工”三步制造工序，即纖維或纖維預浸料首先通過自動鋪放、纏繞、擠出、拉擠等預成型方法在模具或模腔中形成一定的外形形狀，在通過空氣、模具或是輻照等方法對預成型好的材料進行加熱，冷卻或者固化，最后再通過裁切修邊鉆孔等加工步驟完成整個零件的制造。

上述方法分為三個步驟成型復合材料，效率低、能耗高，尤其針對大型、復雜度高的復合材料，成型及固化所花費的時間及能耗都達到了極高的數量級，且兩個過程中的過程參數，以及質量控制需要單獨考慮不同的過程變量，以適應不同工步的特點。難以適應大量高性能復合材料的制造。再加之，傳統的固化過程，采用外部熱源的加熱方式，加熱過程依靠傳熱機理，熱量由材料表面傳遞至材料內部，這將直接導致復合材料厚度方向形成較大的溫差。又由于熱利用率低，溫度滯后性大，現有的固化方法也難以滿足快速的復材制造要求。

目前有單位或研究機構提出復合材料原位固化的方法，即將固化過程集成在預成型過程原位，也即預成型完成，整個零件就固化完成。如西安交通大學專利（CN103358564B）保護了一種紫外光/電子束原位固化纖維鋪放成型裝置及方法，東北林業大學專利（CN106273533B）保護了一種利用感應加熱的纖維纏繞原位固化方法，還有部分方案是利用激光、紅外輻照、微波或者熱風槍等方法在復合材料成型裝備上集成，嘗試實現連續復合材料成型過程中的原位固化。然而，截止目前，大部分原位成型的裝置及方法主要還是面向熱塑性樹脂基復合材料的原位固化，因為熱塑性復合材料在加熱后可以迅速冷卻結晶形成實體，實現秒級的成型。但目前的加熱工藝還存在熱影響區溫度不均勻，制件熱應力大，成型質量差等問題。對于熱固性復合材料，其固化過程必然發生交聯反應，需要一定的反應時間，上述高能束集中加熱的方法，還無法實現最終材料可持續的完全固化。

申請者團隊前期保護了一種利用碳纖維自身綜合電損耗發熱固化復合材料的方法（公開號CN201710975475.6），該方法針對大型復合材料層合板鋪放成型完成的后的固化過程，可以實現高質量、高效率、低能耗的固化。然而目前針對于整體構件鋪放完成后的獨立電損耗加熱固化方法，無法直接應用于預成型和固化同時進行的原位成型過程中。其主要原因在于，雖然電損耗加熱可以實現較快的自加熱升溫速率，但是整體的均勻加熱難以適應絲束動態傳送過程中的多級分布加熱，且導電絲束原位成型也需要在較短時間內完成，整體加熱的方法無法適用于動態的原位成型。故本發明提出一種連續導電纖維增強復合材料的快速原位成型方法，以實現熱影響區溫度均勻，制件熱應力小，成型質量好的導電纖維復材原位成型過程。

發明內容