一种模压工艺的制作方法

本发明涉及一种模压工艺，具体地，涉及一种用热塑性预浸料成型复合材料制件的模压工艺方法，用于提高复合材料制件的性能均一性和尺寸精度，进而提高产品合格率和降低装配难度。本发明适用于航空、汽车、风力、管道等多行业的热塑性复合材料制造，如平板、曲板、加强肋、固定角片、连接部件、口盖等。

背景技术：

热塑性与热固性复合材料相比，成型更快、具备更高的韧性和疲劳寿命。热塑性复合材料已经用于飞机、汽车、和管道等结构中。体积小、产量大的热塑性复合材料制件多使用模压方法成型。

热塑性复合材料模压成型常用的工艺过程是：在热压设备内对预浸料连续加热、加压、连续降温。这种传统的工艺过程经常带来一些问题：依靠模具对预浸料加热，升温时间受限于热压设备的升温速率和模具的传热能力，一般较长；当升温至模压温度后，预浸料基体长期处于熔点以上，基体分子结构容易发生热分解，以致降低性能；另外，热压装置连续降温容易引起复合材料内部降温不均匀，引起过高的残余应力；如果脱模温度过高，复合材料在空气中冷却时容易发生过度变形，造成制件形状精度偏低或装配困难；当一个复合材料制件成型后，制备下一个时需要重新等待模具升至高温，因此降低了批量生产的连续性。

技术实现要素：

为了解决现有技术中，预浸料升温时间长，加工过程中预浸料基体会长期处于高温环境从而导致制件性能下降，脱模过程容易引起高的残余应力且制件容易变形，以及加工下个制件所需等待时间长等技术问题，本发明提出了一种模压工艺。本发明的模压工艺包括以下步骤：

步骤(1)，用热压设备将模具加热至热塑性预浸料的基体的玻璃化转变温度和熔点之间的第一温度，确保模具用于成型的表面各处达到第一温度；用独立于热压设备的加热装置将热塑性预浸料加热到基体的熔点之上的第二温度；

步骤(2)，基体在加热装置中保持足够长的时间，直至基体的表面各处达到步骤(1)的第二温度；

步骤(3)，将预浸料快速转移至模具中间的空余位置，然后迅速闭合模具以达到指定压力，确保预浸料与模具接触前的各处温度仍在基体的熔点之上；

步骤(4)，保持模具温度和压力0.5-3分钟；

步骤(5)，卸掉热压设备对模具的压力，将模具转移至低温环境，待由热塑性预浸料成型的复合材料制件的表面温度降至基体的玻璃化转变温度之下的指定温度，再脱模取出复合材料制件。

进一步地，所述热塑预浸料的基体可以是热塑性树脂的一种，如聚醚醚酮(peek)、聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚酯、聚甲醛、聚苯并咪唑、聚四氟乙烯等，也可以是几种热塑性树脂的共混物。

进一步地，热塑预浸料采用增强材料，增强材料可以是碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、尼龙纤维、天然纤维中的一种或几种共同组成，不限纤维长度。

进一步地，预浸料形式可以是热塑性基体与纤维浸润好的板材、片材，或多条带状热塑性预浸料经加温熔结成的板材、片材。

进一步地，独立加热设备可以是红外灯管、烘箱、电热丝、电磁设备、蒸汽加热、电阻加热设备中的任意一种或几种。

进一步地，热塑性预浸料在独立加热装置中达到的最高温度介于基体熔点和热分解温度之间。

进一步地，模具与热塑性预浸料接触前，已经达到第一温度，并稳定在第一温度。

进一步地，当基体为聚醚醚酮时，第一温度为145-190℃。

进一步地，当基体为聚醚醚酮时，第二温度为368-378℃。

进一步地，当基体为聚醚醚酮时，的模压工艺，在步骤(4)中，将模具的压力设置为3.2mpa，保持时间设置为75秒。

进一步地，当基体为聚醚醚酮时，指定温度为65℃。

上述工艺中，由于采用了独立的加热装置，因而可以快速使预浸料从室温升至加工温度；由于含有将模具设定恒温模压的过程，因而可以避免快速冷却造成的材料内部热分布不均匀，从而降低残余应力；此外，选择合适的恒温条件可以促进结晶，防止基体快速冷却脆化，从而尽可能保留热塑性树脂的韧性；并且由于采用了低温脱模，因而可以减少复合材料在基体玻璃化转变温度附近或以上脱模引起的形状收缩。本工艺可以有效提高复合材料在各处性能的均匀性和形状的准确性、制件后仍保留模具较高的温度，从而获得性能和尺寸都较均匀的复合材料结构、提高制件的连续性。

附图说明

图1为本发明的模压工艺的示意性流程图。

图2为显示本发明的模压工艺各阶段的温度-时间示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。

本发明公开了一种模压工艺方法，具体地，公开了一种制备热塑性复合材料结构的模压工艺方法。如图1所示，本发明的工艺流程包括：用独立装置加热预浸料、同时加热模具，将熔融状态的预浸料迅速转移至模具，对模具和预浸料迅速加压，对模具保压保温，对模具卸压并将模具转移至室温环境，最后脱模取出制件。

参见图1-2，本发明的模压工艺方法的具体步骤如下：

步骤(1)，用热压设备将模具加热至热塑性预浸料的基体的玻璃化转变温度和熔点之间的第一温度，确保模具用于成型的表面各处达到第一温度；用独立于热压设备的加热装置将热塑性预浸料加热到基体的熔点之上的第二温度；

步骤(2)，基体在加热装置中保持足够长的时间，直至基体的表面各处达到步骤(1)的第二温度；

步骤(3)，将预浸料快速转移至模具中间的空余位置，然后迅速闭合模具以达到指定压力，确保预浸料与模具接触前的各处温度仍在基体的熔点之上；

步骤(4)，保持模具温度和压力0.5-3分钟；

步骤(5)，卸掉热压设备对模具的压力，将模具转移至低温环境，待由热塑性预浸料成型的复合材料制件的表面温度降至基体的玻璃化转变温度之下的指定温度，再脱模取出复合材料制件。

其中，所述热塑预浸料的基体可以是热塑性树脂的一种，如聚醚醚酮(peek)、聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚酯、聚甲醛、聚苯并咪唑、聚四氟乙烯等，也可以是几种热塑性树脂的共混物。并且增强材料可以是碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、尼龙纤维、天然纤维中的一种或几种共同组成，不限纤维长度。

预浸料形式可以是热塑性基体与纤维浸润好的板材、片材，或多条带状热塑性预浸料经加温熔结成的板材、片材。

独立加热设备可以是红外灯管、烘箱、电热丝、电磁设备、蒸汽加热、电阻加热设备中的任意一种或几种。

进一步地，热塑性预浸料在独立加热装置中达到的最高温度介于基体熔点和热分解温度之间。

卸掉热压设备对模具的压力后，可以以机械或人工方法转移至低于基体的玻璃化转变温度的低温环境中。并且，在待复合材料制件表面温度低于其玻璃化转变温度下的某一指定温度，再脱模、取出复合材料制件。

以下以基体是peek为例，示意性说明模压工艺过程中可设定的具体参数及其理由等。在模具与热塑性预浸料接触前，已经达到第一温度，并稳定在第一温度。其中，可将模具的第一温度为145-190℃。通过将模具保持在该温度，可以确保模具用于成型的表面各处温度均一，且表面各位的温度均位于基体的玻璃化转变温度和熔点之间。并且在步骤(1)中，用独立加热装置将预浸料迅速加热到基体熔点以上，而后将预浸料的温度稳定维持在368-378℃的温度范围内。通过设置分别独立运行的加热设备和加热装置可以将预浸料快速加热至加工温度，避免预浸料长期处于熔点以上的温度范围中，防止由此造成的基体分子结构发生热分解，降低复合材料制件的性能。在步骤(3)中，迅速闭合模具将其加压到3.2mpa，并且在步骤(4)中将步骤(3)中模具的温度和压力保持75秒。

在采用本发明的模压工艺制备热塑性复合材料制件的过程中，为了进一步提高热塑性复合材料制件的性能，需要注意以下几点：①、预浸料从加热装置转移到与模具接触前，应保证预浸料的温度仍在基体熔点以上；②、用热压设备闭合模具时，应确保预浸料与模具接触前的温度仍高于熔点；③、卸掉热压设备对模具的压力后，转移至低温环境前，模具一直保持在闭合状态。

本发明的模压工艺在满足预浸料基体热力学性质的基础上，可以分离预浸料需要的加热装置、改变模压温度、降低脱模温度。由于采用独立装置加热、恒温模压、低温脱模的工艺，其具备以下特点：用独立装置加热可以快速使预浸料从室温升至加工温度；恒温模压利于避免快速冷却造成的材料内部热分布不均匀，从而降低残余应力；另外，选择合适的恒温条件可以促进结晶，防止基体快速冷却脆化，从而尽可能保留热塑性树脂的韧性；低温脱模可以减少复合材料在基体玻璃化转变温度附近或以上脱模引起的形状收缩。本方法可以有效提高复合材料在各处性能的均匀性和形状的准确性、制件后仍保留模具较高的温度，从而获得性能和尺寸都较均匀的复合材料结构、提高制件的连续性，并且进一步提高了复合材料制件的产品合格率和降低装配难度。

可以理解的是，虽然上述实施例中仅说明了采用peek为基体的示例，但采用其他种热塑性树脂或热塑性树脂共混物作为基体时，本领域技术人员能够根据具体的基体种类设定相应的参数。例如对于步骤(1)中，第一温度只需保证位于玻璃化转变温度和熔点之间即可。类似地，本领域技术人员可以将第二温度设置成高于基体的熔点的某个温度区间。因而，本领域的技术人员应当理解，上述实施例或变形例仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。