专利名称：碳纤维管材的成型方法及其模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维管材的成型方法及其模具。
背景技术：
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7 9倍，抗拉弹性模量为230_430Gpa。因此材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa以上。铝合金是工业应用较广泛的一类有色金属结构材料，其塑形高、抗腐蚀性能好，可制成各种管材、型材和板材。但是铝合金管材由于重量大、避震性差，应用在自行车架、摄影器材等对重量和抗震性能要求较高的场合中，容易对自行车性能、摄影效果等造成影响。随着碳纤维复合材料技术的不断开发与演进，碳纤维复合材料的管材由于具有重量轻、强度高、韧性佳、抗震性强等优点，而逐渐取代了铝合金管材且被市场接受。目前，市场上所使用的碳纤维管材在成型方法上，大多均采用金属芯棒上直接缠绕碳纤维单向预浸带，然后，将两半模靠压机或紧固螺栓合模加压、加热成型。该方法能够满足规则形状如圆形管材的制造。但是当所需制造的管材为不规则的管材时，如带凹槽，该方法存在的如下缺点(1)合模困难，生产效率低；( 成型压力受限，产品复合材料层易存在分层、气泡等缺陷致使产品质量不稳定，废品率高。因此，本领域迫切需要研发一种合模简单、厚度均勻、质量稳定性好的碳纤维管材的成型方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种碳纤维管材的成型方法及其模具。本发明的碳纤维管材的成型方法，是由金属芯棒与受热膨胀橡胶材料制成的芯模包覆碳纤维预浸带后装模、合模、加热而成。该方法尤其适用于不规则管材的制造，具有工艺简单、生产效率高、制造成本低、产品壁厚均勻、质量稳定性好等优点，具有广泛的市场应用前景。本发明的第一方面提供了一种碳纤维管材的成型方法，包括以下步骤芯模制备制作用于包覆碳纤维单向预浸带的芯模，所述芯模包括金属芯棒和包覆金属芯棒的橡胶材料；铺覆碳纤维单向预浸带芯模表面涂覆脱模剂后，将碳纤维单向预浸带按不同角度多层铺覆；合模将已铺覆碳纤维预浸带的芯模定位放入阴模内，并合模、紧固；固化、冷却、脱模将已合模的模具放入烘箱内，待固化后随炉冷却，然后脱模形成所需制件。在另一优选例中，所述制件为摄影三脚架。
较优地，所述制件为具有防旋转凹槽的摄影三脚架。
在另一优选例中，所述金属芯棒与所述橡胶之间采用胶粘剂粘贴牢固。
较优地，所述胶粘剂为胶粘剂型号HX-P88-8或7011胶。
在另一优选例中，所述橡胶材料其硬度(A)为30 40，抗撕裂强度> 6ΚΝ/ΠΓ1，线型膨胀系数> 2400K-1 X 10_6，体积膨胀系数> 7500K-1 X 10_6。
较优地，所述橡胶材料为硅橡胶材料
在另一优选例中，碳纤维单向预浸带的铺覆角度为-90度至90度。
较优地，所述碳纤维单向预浸带型号为T700SC-1I。
在另一优选例中，碳纤维单向预浸带的铺覆层数为6 8层。
在另一优选例中，将多件已合模的模具放入烘箱内，同时进行固化。
在另一优选例中，随炉冷却温度小于等于60°C。
在另一优选例中，所述芯模的轴向具有凹槽。
在另一优选例中，所述阴模为具有上模和下模的两半式，并设有所述芯模的轴向和周向定位装置。
本发明的第二方面提供了一种碳纤维管材的成型模具，包括芯模和阴模，所述芯模由金属芯棒和橡胶材料制成；所述阴模为具有上模和下模的两半式，并设有所述芯模的轴向和周向定位装置。
在另一优选例中，所述芯模的轴向具有凹槽。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于本碳纤维管材的成型方法是由金属芯棒与受热膨胀橡胶材料制成的芯模铺覆碳纤维预浸带后合模、加热而成。 产品成型时的压力由该种橡胶材料受热膨胀而提供，在成型过程中的压力大小可根据橡胶厚度而设计。金属芯棒包覆一层橡胶材料制成芯模，使产品合模更简单。制作出的制件表面光滑、无气泡，内部无疏松、分层现象，尺寸完全满足设计要求。该碳纤维管材的成型方法具有工艺简单、生产效率高、制造成本低、产品壁厚均勻、质量稳定性好等优点。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再--累述。
图1是本发明第一实施方式的碳纤维管材的成型方法的流程示意图2是本发明第二实施方式的碳纤维管材的成型模具的结构示意图。
具体实施方式
本发明人通过广泛而深入的研究，意外地发现，将金属芯棒与受热膨胀橡胶材料制成的芯模，铺覆碳纤维预浸带后合模、加热而制成碳纤维管材。在成型过程中的压力大小可根据橡胶厚度而设计，在降低了合模难度的同时又能够制备出表面光滑、无气泡，内部无疏松、无分层现象，尺寸完全满足设计要求的碳纤维管材。该方法解决了现有成型方法存在的合模困难、生产效率低、成型压力受限、质量不稳定、废品率高的问题。具有工艺简单、生产效率高、制造成本低、产品壁厚均勻、质量稳定性好等优点。在此基础上，发明人完成了本发明。术语碳纤维单向预浸带碳纤维单向预浸带是将碳纤维与环氧树脂通过热熔、热压工艺制成的复合物，是制造碳纤维制品的先驱材料。碳纤维复合材料具有高模量、高强度、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、导电、导热、热膨胀系数小等一系列优异性能，用其制造的构件或产品具有结构强度高、 刚性好、重量轻等特点。在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本发明第一实施方式涉及一种碳纤维管材的成型方法。图1是该碳纤维管材的成型方法的流程示意图，包括以下步骤芯模制备步骤101制作用于包覆碳纤维单向预浸带的芯模，所述芯模包括金属芯棒和包覆金属芯棒的橡胶材料。优选地，所述金属芯棒与所述橡胶之间采用胶粘剂粘贴牢固。所述胶粘剂可以选用以硅橡胶材料为基体的专用胶粘剂。优选地，所述橡胶材料其硬度㈧为30 40，抗撕裂强度> 6ΚΝ/ΠΓ1，线型膨胀系数> Moor1 X 10_6，体积膨胀系数> δΟΟΚ—ΧΙΟΛ所述橡胶调料可以选用硅橡胶材料C0CA31-11。优选地，所述芯模的轴向具有凹槽。所述金属芯棒可以选用不锈钢、45#钢棒。铺覆碳纤维单向预浸带步骤102芯模表面涂覆脱模剂后，将碳纤维单向预浸带按不同角度多层铺覆。优选地，碳纤维单向预浸带的铺覆层数为6-8层。优选地，碳纤维单向预浸带各层可按-90度至90度铺覆。合模步骤103将已铺覆碳纤维预浸带的芯模定位放入阴模内，并合模、紧固。优选地，阴模是一个两半式闭合模具，由上模和下模组成，并设有所述芯模的轴向和周向定位装置。本实施方式中，在上模和下模的工作表面涂覆脱模剂，并晾置；将已铺覆碳纤维单向预浸带的芯模对准阴模定位结构放入下模内，通过上下模定位销合模，并采用紧固件合模到位。固化、冷却、脱模步骤104将已合模的模具放入烘箱内，待固化后随炉冷却，然后脱模形成所需制件。优选地，烘箱内可按需放入件模具同时进行固化，以提高效率，降低成本。优选地，随炉冷却至60°C或60°C以下。
本发明的第二实施方式涉及一种碳纤维管材的成型模具。图2是该碳纤维管材的成型模具的结构示意图。
该碳纤维管材的成型模具包括芯模和阴模，所述芯模由金属芯棒5和橡胶材料6 制成；所述阴模为具有上模1和下模3的两半式，并设有所述芯模的轴向和周向定位装置。
芯模由金属芯棒5和橡胶材料6制成，芯模的轴向具有凹槽。阴模采用两半式闭合模具，由上模1和下模3组成。将碳纤维单向预浸带包覆在芯模表面，对准阴模定位装置放入下模3内，通过定位销2将上模合模与下模上，然后采用紧固件7紧固。经过固化、冷却后，对制件4进行脱模，完成所需制件4。
本发明的优点
(1)产品成型时的压力由橡胶材料受热膨胀而提供，在成型过程中的压力大小可根据橡胶厚度而设计。
(2)金属芯棒包覆一层橡胶材料制成芯模，产品合模更简单。
(3)制作出的制件表面光滑、无气泡，内部无疏松、分层现象，尺寸完全满足设计要求。
(4)工艺简单、生产效率高、制造成本低、产品壁厚均勻、质量稳定性好。
实施例1
采用上述碳纤维管材成型方法制造外径为Φ 28mm,壁厚为1. 5mm,长为^Omm的带凹槽的摄影三脚架碳纤维脚管。制作金属芯棒直径为Φ 11，橡胶材料厚度为7mm的芯模。金属芯棒与橡胶采用以硅橡胶材料为基体的专用胶粘剂粘接牢固。裁剪T7000SC-UK碳纤维单向预浸带8层，从第1层至第8层各纤维角度分别为0°、45°、-45°、0°、15°、-15°、 5°、-5°，将上述裁剪好的碳纤维单向预浸带各层按角度手工包覆于芯模上。将芯模对准阴模定位，并用螺栓紧固。将模具放入烘箱内，将碳纤维单向预浸带固化后，随炉冷却至 60°C以下，脱模形成所需的摄影三脚架碳纤维脚管。
经检测，使用该碳纤维管材成型方法制备的摄影三脚架碳纤维脚管表面光滑、无气泡，内部无酥松、分层现象；尺寸完全满足设计要求。
实施例2
采用上述碳纤维管材成型方法制造摄影三脚架碳纤维脚管。与上述实施例1的主要区别在于，金属芯棒直径增加为Φ 11. 5，橡胶材料厚度仍为7mm ；碳纤维单向预浸带采用 6层结构铺覆，从第1层至第6层各纤维铺覆角度分别为0°、45°、-45°、0°、5°、-5°， 其它材料、工艺及参数不变，制成了摄影三脚架碳纤维脚管。经检测，该制件表面及内部质量与实施例1相同，即表面光滑、无气泡，内部无酥松、分层现象；同时，制件的纵向强度基本相等，但横向强度略有降低。
对比例
采用带凹槽的金属芯棒上直接缠绕碳纤维单向预浸带的方法制备上述带凹槽的摄影三脚架碳纤维脚管。裁剪T7000SC-ia(碳纤维单向预浸带8层，从第1层至第8层各纤维角度分别为0°、45°、-45°、0°、15°、-15°、5°、-5° (与上述实施例1的铺覆角度相同)，将裁剪好的碳纤维单向预浸带各层按角度手工包覆于芯模上。将带有与该凹槽匹配的两半模靠压机或紧固螺栓合模加压、加热成型。
经检测，采用金属芯棒上直接缠绕碳纤维单向预浸带的方法制备的摄影三脚架碳纤维脚管材料层具有分层，碳纤维脚管表面具有气泡，产品质量不稳定，废品率为30%左
右ο 在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
权利要求
1.一种碳纤维管材的成型方法，其特征在于，包括以下步骤芯模制备制作用于包覆碳纤维单向预浸带的芯模，所述芯模包括金属芯棒和包覆金属芯棒的橡胶材料；铺覆碳纤维单向预浸带芯模表面涂覆脱模剂后，将碳纤维单向预浸带按不同角度多层铺覆；合模将已铺覆碳纤维预浸带的芯模定位放入阴模内，并合模、紧固； 固化、冷却、脱模将已合模的模具放入烘箱内，待固化后随炉冷却，然后脱模形成所需制件。
2.根据权利要求1所述的碳纤维管材的成型方法，其特征在于，所述金属芯棒与所述橡胶之间采用胶粘剂粘贴牢固。
3.根据权利要求1所述的碳纤维管材的成型方法，其特征在于，所述橡胶材料其硬度 (A)为30 40，抗撕裂强度> 6ΚΝ/ΠΓ1，线型膨胀系数> 2400K-1 X 10_6，体积膨胀系数> 7500Κ-1Χ10Λ
4.根据权利要求1所述的碳纤维管材的成型方法，其特征在于，碳纤维单向预浸带的铺覆角度为-90度至90度。
5.根据权利要求1所述的碳纤维管材的成型方法，其特征在于，碳纤维单向预浸带的铺覆层数为6 8层。
6.根据权利要求1所述的碳纤维管材的成型方法，其特征在于，将多件已合模的模具放入烘箱内，同时进行固化。
7.根据权利要求1所述的碳纤维管材的成型方法，其特征在于，随炉冷却温度小于等于 60°C。
8.根据权利要求1所述的碳纤维管材的成型方法，其特征在于，所述芯模的轴向具有凹槽。
9.根据权利要求1所述的碳纤维管材的成型方法，其特征在于，所述阴模为具有上模和下模的两半式，并设有所述芯模的轴向和周向定位装置。
10.一种碳纤维管材的成型模具，其特征在于，包括芯模和阴模，所述芯模由金属芯棒和橡胶材料制成；所述阴模为具有上模和下模的两半式，并设有所述芯模的轴向和周向定位装置。
全文摘要
本发明涉及公开了一种碳纤维复合材料技术领域，公开了一种碳纤维管材的成型方法，包括以下步骤，芯模制备制作用于包覆碳纤维单向预浸带的芯模，芯模包括金属芯棒和包覆金属芯棒的橡胶材料。铺覆碳纤维单向预浸带芯模表面涂覆脱模剂后，将碳纤维单向预浸带按不同角度多层铺覆。合模将已铺覆碳纤维预浸带的芯模定位放入阴模内，并合模、紧固。固化、冷却、脱模将已合模的模具放入烘箱内，待固化后随炉冷却，然后脱模形成所需制件。本发明的碳纤维管材的成型方法具有工艺简单、生产效率高、制造成本低、产品壁厚均匀、质量稳定性好等优点。
文档编号B29C33/38GK102490372SQ20111041239
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者杨现伟, 范欣愉, 陈刚 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所