一种复杂结构的碳纤维热塑性预浸料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属复合材料技术领域，涉及一种复杂结构碳纤维热塑性预浸料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着能源紧缺、环境污染问题的日益突出，全世界的汽车制造厂正面临降低排放量和节约能源的压力。在石油化工、机械制造等领域，复杂结构的轻量化成为今年来研宄的重点，碳纤维复合材料的比重不到钢的1/4，具有高比强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、设计性好和可大面积整体成型的特点，其作为替代金属材料实现零部件轻量化的最有效途径之一。热塑性复合材料具有优异的抗冲击韧性、耐疲劳损伤性能、成型周期短、生产效率高、可进行修补和回收等一系列优点，因而得到越来越广泛的关注。但是目前对热塑性预浸料的研宄也越来越多，但是仅限于薄板预浸料，预浸料板材仅限于铺放简单的零部件，不适合复杂结构的应用，尤其是对于成型非对称的结构。该技术可以根据零部件的结构进行设计具有曲面结构的片状预浸料，该预浸料作为一种预成型体通过卷绕或热压成型制备具有复杂结构的复合材料零部件，该技术可以实现生产线批量化生产，质量控制简单可靠。该预浸料将广泛应用于航空、汽车、船舶及体育行业。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提出一种复杂结构的碳纤维热塑性预浸料及其制备方法，通过该方法制备的复杂结构的碳纤维热塑性预浸料是一种适合滚压和缠绕的热塑性复合材料碳纤维预浸料。
[0004]为实现上述目的，本发明可通过以下技术方案予以解决:
[0005]一种复杂结构的碳纤维热塑性预浸料的制备方法，所述复杂结构的碳纤维热塑性预浸料是指弧形片状碳纤维热塑性预浸料，其横截面的迹线为曲线的组合；
[0006]制备过程包括以下步骤:
[0007]I)将碳纤维材料与热塑性材料在120?350°C条件下进行混合拉挤，获得预浸料；
[0008]2)将所述预浸料热定型；
[0009]3)然后冷却，混合拉挤温度在大于250摄氏度时，冷却温度15?30°C ;混合拉挤温度在低于250摄氏度时，冷却温度O?20°C ;
[0010]4)收卷；即得复杂结构的碳纤维热塑性预浸料；
[0011]所述热定型的过程是将所述预浸料于50?200°C温度下纵向弯曲，弯曲半径为30mm?1000mm。预浸料收卷后作为复合材料零部件的预浸材料，其弯曲半径由复合材料零部件的曲率决定。
[0012]作为优选的技术方案:
[0013]本发明中，所述混合拉挤在拉挤模具中进行，所述拉挤模具的模腔，进口尺寸大于出口尺寸，从进口到出口形成O?30°夹角。该夹角的目的是给予预浸料成型过程中足够的压力，提高纤维的预浸效果。夹角越大预浸效果越好，所得的纤维体积含量越高。
[0014]本发明中，所述拉挤模具出口的形状。
[0015]本发明中，所述拉挤模具出口的形状，具有I?10个弯曲结构，弯曲结构的曲率为I?1000。拉挤模具出口决定了复合材料预浸料的结构，其结构主要是由结构件的剖面结构决定的。
[0016]本发明中，所述热定型在热定型辊上处理，所述热定型辊的温度为50?200°C，所述热定型棍为圆柱形模具，直径为50mm?5000mm。本发明中主要针对圆形复杂结构件，因此在成型预浸料时，可以根据不同的结构件直径选择圆柱形模具。
[0017]本发明中，所述经过步骤4)制得的预浸料中纤维体积含量为10%?90%。该方法可以根据性能要求制备各种不同规格的纤维体积含量的预浸料。
[0018]如上所述的制备方法，所述的热塑性材料为聚醚醚酮、聚醚酮、聚苯硫醚、尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚醚砜。对于复杂结构的热塑性复合材料中主要选用成型容易的塑料或是具有很好力学性能的工程塑料。
[0019]如上所述的制备方法，所述碳纤维材料为T300级、T700级或T1000级的连续丝，或者模量多230GPa的碳纤维连续丝。
[0020]如上所述的制备方法，所述冷却的方式为水冷。水冷方式便利、效率高、成本低。
[0021]本发明还提出通过以上制备方法制备的复杂结构的碳纤维热塑性预浸料。
[0022]有益效果
[0023]由于采用以上技术方案，通过本发明的一种复杂结构碳纤维热塑性预浸料的制备方法可以方便快捷的得到复杂零部件需要的预浸料。该方法可以得到尺寸均一和适合特定结构要求的预浸料，该预浸料可以通过滚压或缠绕成型复杂的结构件。
【附图说明】
[0024]图1本发明预浸料展开形状图；
[0025]图2本发明中卷绕辊和定型辊示意图；
[0026]图3本发明中预浸料定型和卷绕示意图；
[0027]图4本发明中拉挤模具模口示意图；
[0028]图5本发明中预浸料拉挤模具剖面图
【具体实施方式】
[0029]下面根据附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步说明:
[0030]实施例1
[0031]一种复杂结构的碳纤维热塑性预浸料的制备方法，所述复杂结构的碳纤维热塑性预浸料是指弧形片状碳纤维热塑性预浸料，其横截面的迹线为曲线的组合；
[0032]制备过程包括以下步骤:
[0033]I)将碳纤维材料为T300级的连续丝与聚醚醚酮在350°C条件下在拉挤模具中进行混合拉挤，获得预浸料；其中拉挤模具的模腔，进口尺寸大于出口尺寸，从进口到出口形成O?30°夹角；所述拉挤模具出口的形状；所述拉挤模具出口的形状，具有I?10个弯曲结构，弯曲结构的曲率为I?1000 ;如图4所示为本实施例中拉挤模具模口示意图，图5为预浸料拉挤模具剖面图；
[0034]2)将所述预浸料在热定型辊上热定型；所述热定型辊的温度为50°C，所述热定型棍为圆柱形模具，直径为50mm，热定型棍的转速为10mm/min ；
[0035]3)然后用水冷却，冷却温度0°C ;
[0036]4)收卷；即得纤维体积含量为10%的复杂结构的碳纤维热塑性预浸料，如图1所示，为本实施例中预浸料展开形状图，图2为本实施例使用卷绕辊和定型辊示意图，图3为预浸料经定型和卷绕示意图；
[0037]所述热定型是指将所述预浸料于50°C温度下纵向弯曲，弯曲半径为30mm。
[0038]实施例2
[0039]一种复杂结构的碳纤维热塑性预浸料的制备方法，所述复杂结构的碳纤维热塑性预浸料是指弧形片状碳纤维热塑性预浸料，其横截面的迹线为曲线的组合；
[0040]制备过程包括以下步骤:
[0041]I)将碳纤维材料为T700的连续丝与聚醚酮在340°C条件下在拉挤模具中进行混合拉挤，获得预浸料；其中拉挤模具的模腔，进口尺寸大于出口尺寸，从进口到出口形成30°夹角；所述拉挤模具出口的形状；所述拉挤模具出口的形状，具有I?10个弯曲结构，弯曲结构的曲率为I?1000 ;如图4所示为本实施例中拉挤模具模口示意图，图5为预浸料拉挤模具剖面图；
[0042]2)将所述预浸料在热定型辊上热定型；所述热定型辊的温度为200°C，所述热定型棍为圆柱形模具，直径为5000mm，热定型棍的转速为1000mm/min ；
[0043]3)然后用水冷却，冷却温度30°C ;
[0044]4)收卷；即得纤维体积含量为90%的复杂结构的碳纤维热塑性预浸料，如图1所示，为本实施例中预浸料展开形状图，图2为本实施例使用卷绕辊和定型辊示意图，图3为预浸料经定型和卷绕示意图；
[0045]所述热定型是指将所述预浸料于200°C温度下纵向弯曲，弯曲半径为1000mm。
[0046]实施例3
[0047]一种复杂结构的碳纤维热塑性预浸料的制备方法，所述复杂结构的碳纤维热塑性预浸料是指弧形片状碳纤维热塑性预浸料，其横截面的迹线为曲线的组合；
[0048]制备过程包括以下步骤:
[0049]I)将碳纤维材料为TlOOO级的连续丝与聚苯硫醚在290°C条件下在拉挤模具中进行混合拉挤，获得预浸料；其中拉挤模具的模腔，进口尺寸大于出口尺寸，从进口到出口形成O?30°夹角；所述拉挤模具出口的形状；所述拉挤模具出口的形状，具有I?10个弯曲结构，弯曲结构的曲率为I?1000 ;如图4所示为本实施例中拉挤模具模口示意图，图5为预浸料拉挤模具剖面图；
[0050]2)将所述预浸料在热定型辊上热定型；所述热定型辊的温度为100°C，所述热定型棍为圆柱形模具，直径为1000mm，热定型棍的转速为500mm/min ；
[0051]3)然后用水冷却，冷却温度10°C ;
[0052]4)收卷；即得纤维体积含量为50%的复杂结构的碳纤维热塑性预浸料，如图1所示，为本实施例中预浸料展开形状图，图2为本实施例使用卷绕辊和定型辊示意图，图3为预浸料经定型和卷绕示意图；
[0053]所述热定型是指将所述预浸料于100°C温度下纵向弯曲，弯曲半径为500mm。
[0054]实施例4
[0055]一种复杂结构的碳纤维热塑性预浸料的制备方法，所述复杂结构的碳纤维热塑性预浸料是指弧形片状碳纤维热塑性预浸料，其横截面的迹线为曲线的组合；
[0056]制备过程包括以下步骤:
[0057]I)将模量为230GPa的碳纤维连续丝与尼龙在230°C条件下在拉挤模具中进行混合拉挤，获得预浸料；其中拉挤模具的模腔，进口尺寸大于出口尺寸，从进口到出口形成O?30°夹角；所述拉挤模具出口的形状；所述拉挤模具出口的形状，具有I?10个弯曲结构，弯曲结构的曲率为I?1000 ;如图4所示为本实施例中拉挤模具模口示意图，图5为预浸料拉挤模具剖面图；
[0058]2)将所述预浸料在热定型辊上热定型；所述热定型辊的温度为150°C，所述热定型棍为圆柱形模具，直径为120_，热定型棍的转速为60mm/min ；
[0059]3)然后用水冷却，冷却温度15°C ;
[0060]4)收卷；即得纤维体积含量为40%的复杂结构