基于无针刺无纺工艺替代金属的纤维复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纤维复合材料的制备方法，具体涉及一种基于无针刺无纺工艺替代金属的纤维复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]采用纤维复合材料替代钢材已在工业界广泛应用，目前主要用碳纤维与树脂复合制作替代钢材的复合材料，而用碳纤维复合材料生产工艺存在以下几个问题:
1.生产成本高，即使是低端用于民用的碳纤维也要20-40万/吨；
2.能耗高，碳纤维需先生成化纤，再在高温和真空环境中碳化成碳纤，由于我国是煤消耗能源大国，所以大规模使用碳纤维对环境压力很大；
3.效率低:碳纤维复合材料纺织成布后，逐层平铺采用靠模法定型，生产效率很低；
4.承载能力异性:碳纤维在平铺中厚度方向无纤维增强，因此碳纤有很好的抗拉能力，但抗剪能力不突出。
[0003]由于碳纤维无法用普通无纺工艺进行生产，主要是由于碳纤太脆，无法完成一般无纺设备的针刺过程，故无纺纤维的优势一直未被机械行业所认识，鲜有采用无纺纤维制备替代钢材的复合材料的报道。也有用纤维(如玻纤与树脂复合做复合材料，但采用的是先纺织成布料再复合，其未被用于无纺工艺，也是由于脆性太大)，而一直以来纤维无纺工艺应用属于纺织行业，纺织行业与机械工程之间存在巨大技术鸿沟，也导致无纺纤维的工艺的有些特性未被机械领域所认识。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种成本低、节能降耗的基于无针刺无纺工艺替代金属的纤维复合材料的制备方法，用该方法制备的纤维复合材料具有较高的机械强度。
[0005]为实现本发明目的采用的技术方案如下:
基于无针刺无纺工艺替代金属的纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤:
1、采用抗拉强度大于SOOMPa的高强纤维作为原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理工序，但不进行针刺，使纤维进行良好的混合且处于蓬松状态；成为蓬松状态的无纺纤维；
2、采用干法:将蓬松状态的无纺纤维塞入模具的模腔内并模压(挤压或冲压)定形；
3、在真空环境下向模腔内注入强度大于40MPa的树脂，加热固化定型成工件(对于不同的树脂，可以采用相应公知的固化条件)。
[0006]本发明的另一种制备方法，包括以下步骤:
1、采用抗拉强度大于SOOMPa的高强纤维作为原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理工序，制成所需厚度的无纺布；
2、采用湿法:将无纺布先浸于强度大于40MPa的树脂中，待树脂浸透后取出，再置于模具中挤压成型，加热固化定型； 3、将工件从模具内取出，采用水切割工艺对工件的压边或局部进行修整，得成品。
[0007]所述高强纤维的抗拉强度大于2.0GPa,以增加工件的结构强度。
[0008]所述无纺布生产流程中在梳理之后增加铺网工序，以便于后续工序中纤维定形。
[0009]由于未针刺的无纺布蓬松度高，高度方向的纤维交织性能比针织的稍差，用湿法生产时成品的机械性能要较干法好。
[0010]本发明的有益效果:
本发明采用高强化纤与高强树脂基复合，化纤采用无纺模式，它具体有以下优点:
1.成本低:我国是化纤生产大国，某些高端化纤如(维尼纶、芳纶等)只有1.8-2万元/吨，其强度和模量已达到了低端碳纤的水平。
[0011]2.能耗低:无真空高温碳化过程，尤其维尼纶不需要石油生产，采用石灰石作原料很适合国情。
[0012]3.采用无纺工艺效率高:无需逐层平铺，采用模具一次压成，其纤维含量可根据要求自由调节。
[0013]4.由于无纺布存在厚度方向交织，故所制构件抗剪和抗冲击能力较强(但低于有针刺工艺)。
[0014]5.由于化纤具有一定的弹韧性，故在发生破坏时，不像碳纤制品会因脆裂而产生二次污染与伤害。
[0015]6.无针刺无纺纤维具有最大的优势是:所有纤维梳理都处在蓬松状态，理论上可以在体积量无限满足构件需求，这样可以很方便制造出体积大、高厚度的构件。
[0016]采用本发明方法所制备的测试样件已经达到抗拉强度478MPa，是低合金钢的水平，且如果对树脂与化纤作一定优化，则完全可能获得更高的机械强度，故采用基于化纤的无纺布复合材料具有可替代钢材的能力和条件。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
【附图说明】
[0017]图1是本发明方法采用干法制备悬架摆臂的示意图。
[0018]图2是本发明方法采用干法制备的某型减速器箱盖示意图。
[0019]图3是本发明方法采用湿法制备悬架摆臂的示意图。
[0020]图4是本发明方法采用湿法制备的火车轴示意图。
[0021]图5是本发明方法采用湿法制备的高铁底盘示意图。
[0022]图6是本发明方法采用湿法制备的航空座椅坐垫骨架示意图。
[0023]图7是本发明方法采用湿法制备的电机后盖示意图。
[0024]图8是本发明方法采用湿法制备的火车车轮示意图。
[0025]图9是本发明方法采用湿法制备的重型卡车底盘示意图。
[0026]图10是本发明方法采用湿法制备的机架箱体导轨底座示意图。
[0027]图11是本发明方法采用湿法制备的机器人履带示意图。
【具体实施方式】
[0028]实施例1 参见图1，某车型悬架摆臂干法制作:如图1所示，采用拉伸强度2.4GPa的维纶纤维原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理、铺网工序后，制成厚度为50?10mm的未喷胶的无纺布胚料，采用干法，将无纺布胚料裁剪成合适尺寸的布料置入模具的模腔内，先将布料压紧，再对模腔抽真空，然后注入抗拉强度为60MPa热固性树脂酚醛树脂，模具加热温度为180度，保温时间为I个小时，待树脂彻底固化定型成工件，用水切割设备对工件的压边或局部进行修整。产品具有较好刚性和抗拉强度，抗拉强度可达到320MPa以上，同时，材料各向趋于同性，能够承受较高的冲击和剪切力。
[0029]实施例2
某变速箱盖干法制作:如图2所示，采用拉伸强度SOOMPa的涤纶纤维原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理、针刺工序后，制成厚度为10?25mm的未喷胶的无纺布胚料，采用干法，将无纺布胚料裁剪成合适尺寸的布料置入模具的模腔内，先将布料压紧，再对模腔抽真空，然后注入抗拉强度为60MPa热固性酚醛树脂，模具加热温度为180度，保温时间为I个小时，待树脂彻底固化定型成工件，用水切割设备对工件的压边或局部进行修整。产品具有较好刚性和抗拉强度，抗拉强度可达到ISOMPa以上。
[0030]实施例3
某车型悬架摆臂湿法制作:如图3所示，采用拉伸强度1.9GPa高强丙纶为原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理、铺网和预针刺工序后，制成厚度为50?10mm的无纺布，将此无纺布浸于环氧树脂之中，使得树脂完全浸透无纺布，再将浸透的无纺布置于模具中，将其挤压成型，同时加热固化定型，加热温度为80-120度，保温时间为1-1.5小时，加工成工件，用水切割设备对工件的压边或局部进行修整。产品具有较好刚性和抗拉强度，抗拉强度可达到300MPa以上，同时，材料各向趋于同性，能够承受较高的冲击和剪切力。
[0031]实施例4
火车轴湿法制作:如图4所示，采用拉伸强度3.0GPa的