一种纤维增强热固性复合材料预成型体固化方法与流程

本发明涉及复合材料固化技术领域，具体涉及一种纤维增强热固性复合材料预成型体固化方法。

背景技术：

纤维增强热固性复合材料采用短切或连续纤维作为增强体，热固性树脂作为基体，凭借纤维和热固性聚合物的优异物化性能，其表现出高比强度和比模量，高刚性和硬度，耐腐蚀性耐温性好等特点。热固性聚合物与常见热塑性树脂(如聚乳酸(pla)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)，尼龙(pa)等)不同，在固化后形成不可逆、稳定且牢固的化学键合，由于其分子链间的深度聚合和交联，可以显著改善纤维-树脂界面、层间结合以及大幅提升强度、模量和刚度等性能，从而能够满足工程领域的应用要求，被广泛应用于汽车、建筑、体育及航空航天领域。

然而，当采用热固性聚合物为基体时，将引入另一个难题，即固化反应。目前，热压罐固化仍然是纤维增强热固性复合材料最常用的固化方式，其将纤维增强热固性复合材料预成型体用真空袋密封在一定形状的模具上，再置于热压罐中，在真空环境下，通过升温、加压、保温、固化、降温、卸压、脱模等步骤，完成热固性预聚物的固化反应并将其成型为设计所需的形状。但是这种热固化工艺存在生产效率低、制造成本较高、能量损耗大、污染环境、尺寸大小受到热压罐限制、形状复杂度又受到模具限制等缺陷。因此，提出并发展一种既能保持纤维增强热固性复合材料预成型体的原有形态，又能完成热固性预聚物固化反应的低成本、无模、绿色环保的固化方法，成为了目前复合材料制造工艺中亟待解决的首要问题。

目前还没有针对纤维增强热固性复合材料预成型体的固化方法或装置的相关文献公开。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种纤维增强热固性复合材料预成型体固化方法，实现纤维增强热固性复合材料预成型体中的热固性预聚物的固化反应，并确保维持预成型体原有形态不变。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纤维增强热固性复合材料预成型体固化方法，包括以下步骤：

步骤一，采用双组份液体硅橡胶为原材料，将两种液态组分按固化比例混合，搅拌均匀，获得硅橡胶混合液，利用外接真空泵对硅橡胶混合液进行抽真空排气泡处理，真空压力为-100至0kpa，抽真空时间为0-30分钟；

步骤二，将纤维增强热固性复合材料预成型体表面涂刷或喷洒脱模剂，并放置于盛放容器底部，将抽真空后的硅橡胶混合液缓慢从一角倒入盛放容器，直至完全浸没纤维增强热固性复合材料预成型体，在室温(25℃)或60℃以下低温加热环境中，静置1-6小时，将硅橡胶混合液完全硫化，形成一个完全包裹并约束住纤维增强热固性复合材料预成型体的固态硅橡胶块；

步骤三，利用烘箱或加热板提升完全包裹并约束住纤维增强热固性复合材料预成型体的固态硅橡胶块的加热温度至100-150℃，保温1-2小时；再提升加热温度至150-200℃，保温1-3小时；降低温度至室温(25℃)，取出固态硅橡胶块，剥离硅橡胶后即得到固化后的纤维增强热固性复合材料成品。

所述的步骤一中双组份液体硅橡胶为缩合型或加成型双组份液体硅橡胶，缩合型双组份液体硅橡胶固化比例为100:2-5，加成型双组份液体硅橡胶固化比例为10-1:1，双组份中a、b组分按照固化比例均匀混合后，具有30-60分钟操作时间。

所述的步骤二中的纤维增强热固性复合材料预成型体通过自动铺放、缠绕、编织、手铺或者3d打印制备得到，纤维增强热固性复合材料预成型体组成成分包含纤维增强体、热固性预聚物及固化剂，纤维增强体为短切纤维、连续纤维或两者混合；热固性预聚物为未发生固化反应的高分子量的热固性环氧树脂预聚物，在室温(25℃)或60℃以下低温加热条件下为玻璃态或高弹态，提升加热温度至60℃以上时，其分子间作用力逐渐降低而熔融为粘流态；固化剂为高温潜伏性热引发固化剂，与热固性预聚物发生固化反应的温度范围为150-200℃。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

1)本发明针对纤维增强热固性复合材料预成型体的固化需求及复杂多变的构件形态，先低温硫化双组份液态硅橡胶，约束纤维增强热固性复合材料预成型体原始形态，然后采用中温促进树脂熔融，最后利用高温引发聚合交联的方式完成固化，解决了纤维增强热固性复合材料预成型体的定型与固化相冲突的难题。

2)本发明采用梯度温度固化的方式，60℃以下低温硫化双组份液体硅橡胶，形成全贴合的支撑结构，100-150℃中温加热促进熔融树脂流动，增强纤维浸润，填充内部孔隙缺陷，150-200℃高温激活固化剂反应活性，引发聚合交联反应而快速固化。

3)本发明硅橡胶硫化后的热膨胀率远高于纤维增强热固性复合材料，在硫化后的后续加热过程中，柔性固态硅橡胶受热膨胀，将均匀挤压纤维增强热固性复合材料预成型体的内外壁，形成牢固的纤维-树脂界面结合及紧凑的复合材料层间结构。

4)本发明采用的硅橡胶耐温性能优异，工作温度范围为-60至250℃，满足纤维增强热固性复合材料预成型体的高温固化要求，并且采用梯度温度固化方式，在硅橡胶和纤维增强热固性复合材料预成型体之间形成明显的界面分隔，便于后续剥离清除。

附图说明

图1为实施例1纤维增强热固性复合材料预成型体的图片，其中左图为固化前图片，右图为固化后图片。

图2为实施例2纤维增强热固性复合材料预成型体的图片，其中左图为固化前图片，右图为固化后图片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1，一种纤维增强热固性复合材料预成型体固化方法，包括以下步骤：

步骤一，采用缩合型rtv-2双组份液体硅橡胶为原材料，将两种液态组分按固化比例100:3混合，搅拌均匀，获得硅橡胶混合液，其室温(25℃)下粘度为25pa·s，利用外接循环真空水泵对硅橡胶混合液进行抽真空排气泡处理，真空压力为-80kpa，抽真空时间为10分钟；

步骤二，将纤维增强热固性复合材料预成型体表面喷洒塑胶油性离型剂，并放置于盛放容器底部，将抽真空后的硅橡胶混合液缓慢从一角倒入盛放容器，直至完全浸没纤维增强热固性复合材料预成型体，在室温(25℃)环境中，静置5小时，将硅橡胶混合液完全硫化，形成一个完全包裹并约束住纤维增强热固性复合材料预成型体的固态硅橡胶块，白色半透明状，邵氏硬度(a)为30，耐温范围为-60至250℃；

所述的纤维增强热固性复合材料预成型体是3d打印制备得到的2×2蜂窝结构，如图1中左图所示，蜂窝单元的内切圆直径10mm，高度为10mm，组成成分包含纤维增强体、热固性预聚物及固化剂，纤维增强体为3k连续碳纤维；热固性预聚物为未发生固化反应的高分子量的热固性环氧树脂预聚物，在室温(25℃)条件下为玻璃态，软化点为64-76℃；固化剂为高温潜伏性热引发固化剂，与热固性预聚物发生固化反应的最低反应温度为150℃；

步骤三，利用烘箱提升完全包裹并约束住纤维增强热固性复合材料预成型体的固态硅橡胶块的加热温度至120℃，保温2小时；再提升加热温度至170℃，保温2小时；降低温度至室温(25℃)，取出固态硅橡胶块，剥离硅橡胶后即得到固化后的纤维增强热固性复合材料成品，如图1中右图所示。

本实施例的有益效果为：本实施例顺利解决了纤维增强热固性复合材料预成型体的定型与固化相冲突的难题，实现了纤维增强热固性复合材料预成型体的固化反应并能够维持原始形态不变；梯度温度固化的方式，在硅橡胶和纤维增强热固性复合材料预成型体之间形成明显的界面分隔，后续简单剥离清除后无硅胶支撑残留，另外，硅橡胶硫化后的热膨胀率远高于纤维增强热固性复合材料，在硫化后的后续加热过程中，柔性固态硅橡胶受热膨胀，均匀挤压纤维增强热固性复合材料预成型体的内外壁，固化后成品的结构较固化前预成型体更为紧凑，且表面质量更优异。

实施例2，一种纤维增强热固性复合材料预成型体固化方法，包括以下步骤：

步骤一，采用加成型双组份液体硅橡胶为原材料，将两种液态组分按固化比例1:1混合，搅拌均匀，获得硅橡胶混合液，其室温(25℃)下粘度为30pa·s，利用外接旋片式真空油泵对该硅橡胶混合液进行抽真空排气泡处理，真空压力为-90kpa，抽真空时间为10分钟；

步骤二，将纤维增强热固性复合材料预成型体表面喷洒聚四氟乙烯干性润滑喷剂，并放置于盛放容器底部，将抽真空后的硅橡胶混合液缓慢从一角倒入盛放容器，直至完全浸没纤维增强热固性复合材料预成型体，利用加热板在60℃条件下低温加热，静置2小时，将硅橡胶混合液完全硫化，形成一个完全包裹并约束住纤维增强热固性复合材料预成型体的固态硅橡胶块，褐色不透明状，邵氏硬度(a)为40，耐温范围为0至200℃；

所述的纤维增强热固性复合材料预成型体是3d打印制备得到的长方体结构，如图2中左图所示，长宽高分别为20×10×5mm³，组成成分包含纤维增强体、热固性预聚物及固化剂，纤维增强体为3k连续碳纤维；热固性预聚物为未发生固化反应的高分子量的热固性环氧树脂预聚物，在室温(25℃)条件下为玻璃态，软化点为64-76℃；固化剂为高温潜伏性热引发固化剂，与热固性预聚物发生固化反应的最低反应温度为150℃；

步骤三，利用加热板提升完全包裹并约束住纤维增强热固性复合材料预成型体的固态硅橡胶块的加热温度至120℃，保温1小时；再提升加热温度至170℃，保温1小时；降低温度至室温(25℃)，取出固态硅橡胶块，剥离硅橡胶后即得到固化后的纤维增强热固性复合材料成品，如图2中右图所示。

本实施例的有益效果为：本实施例顺利解决了纤维增强热固性复合材料预成型体的定型与固化相冲突的难题，实现了纤维增强热固性复合材料预成型体的固化反应并能够维持原始形态不变；梯度温度固化的方式，在硅橡胶和纤维增强热固性复合材料预成型体之间形成明显的界面分隔，后续简单剥离清除后无硅胶支撑残留。