纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及纤维增强复合材料技术领域，尤其涉及一种纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置。
【背景技术】
[0002]目前，在航空、航天、汽车等领域，使用复合材料制备结构件成为装备轻量化的重要途径和发展趋势。其中纤维增强的树脂基复合材料占有相当大的比重，以民用航空为例，波音公司和空中客车公司新一代的商用飞机B78 7和A3 50XWB复合材料的用量已经超过50%。
[0003]与纤维增强热固性复合材料相比，纤维增强热塑性复合材料由于采用了聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等热塑性树脂为基体，具有密度更低、韧性好、使用温度高、吸湿率低、工艺性能好、可重复利用等优点。近年来，纤维增强热塑性复合材料逐渐在汽车、航空、航天等领域得到越来越广泛的应用。但是，由于热塑性树脂熔点高、粘度大等特点，使得其相对于热固性复合材料来说，加工更为困难。
[0004]纤维增强热塑性复合材料零件制备的主要工艺之一是先制备热塑性复合材料层板，然后采用二次模压的方法将层板成形成所需要的零件。采用该方法制备的热塑性复合材料零件性能稳定。层板制备的质量即力学性能的高低直接影响热塑性复合材料零件的使用性能。目前，纤维增强热塑性复合材料层板的制备方法按使用的设备可以分为两类，热压罐方法和非热压罐方法。前者，利用罐体内部均匀的温度场和空气压力对复合材料进行加热加压，该方法成型的纤维增强热塑性复合材料孔隙率较低，树脂含量均匀、内部结构致密。但是，由于热塑性复合材料熔点较高、粘度较大，对热压罐的温度和压力都提出了较高的要求，且空气加热效率低下，成型周期长，高温辅助材料价格昂贵，生产成本较高。
[0005]而采用非热压罐法制备热塑性复合材料成为近年来研究的热点。目前，国内外的现有热塑性复合材料的成型工艺主要有以下几种:模压成型、拉挤成型、辊压成型、缠绕成型。其中，模压法是各种热塑性复合材料成型方法中最为简单、直观的一种工艺，可快速、批量化生产，有助于实现工业化。适合于模压成型工艺的材料主要有预浸料片材、纤维组、混编织物等。其工艺过程可分为以下几部分：I)将预浸料叠层置于两块加热板之间，加热温度高于树脂基体的熔点；2)迅速将预浸料叠层送入室温的成型系统中；3)模具热压、冷却、定型、裁边处理成制品。模压成型方法速度快，生产周期短且质量容易控制。
[0006]但是，采用传统模压方法制备热塑性复合材料时，由于热塑性聚合物熔体粘度较大，流动性较差，要排出层间的气体通常需要施加很大的成型压力，而较大的成型压力一方面可能会导致增强纤维的损伤，特别是对纤维织物来说，由于纤维的互相交织，损伤更为严重；另一方面，过大的压力将可能导致热塑性树脂的挤出，从而造成树脂含量的降低。而如果采用的模压压力较小的话，则会在制备的层板中残留较多的气孔，造成最终层板的孔隙率较高，力学性能降低。因此，如何降低孔隙率成为采用模压法制备热塑性复合材料层板的关键。
[0007]然而，目前的一些专利均没有解决上述问题，例如：
[0008]在公开号为01'110472358(^的发明专利（第2页?12页）中，公开了一种热塑性复合材料板材的制造方法，但是，没有采用专门的方法来排出气体，仅是施加压力使热塑性复合材料层板固结。
[0009]在公开号为CN104497414的发明专利（第2页?7页）中，公开了一种用MAPP-CFF预浸料制备PP/CFF热塑性复合材料的方法，其通过控制加热和降温速度及时间来达到控制热塑性树脂内部结晶度的目的，从而实现热塑性复合材料层板较好的力学性能。但是也并没有考虑树脂熔体内部气孔排放问题。
[0010]因此，亟需发明一种可以降低纤维增强热塑性复合材料层板孔隙率的模压装置。【实用新型内容】
[0011]本实用新型的目的在于提出一种结构简单、操作方便、可以降低纤维增强热塑性复合材料层板的孔隙率的模压装置。
[0012]为达此目的，本实用新型提出如下技术方案：
[0013]—种纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置，包括模具、加热组件、加压组件和超声波组件;所述加热组件用于对所述模具中的热塑性树脂进行加热;所述加压组件用于为所述模具提供压力;所述超声波组件包括超声波发生控制器和与所述超声波发生控制器电连接的超声波工具头，所述超声波工具头设置于所述模具旁侧，用于对所述模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理。
[0014]更进一步地，所述模具包括上模、下模和限位件，所述限位件用于放置在所述上模和所述下模间的纤维和热塑性树脂外周以限制其位移。
[0015]更进一步地，所述加压组件与所述超声波组件为同一部件，所述超声波工具头设置于所述上模上，通过所述超声波工具头为所述模具提供压力。
[0016]更进一步地，在所述超声波工具头与所述上模之间设置有由低导热材料制成的隔热层。
[0017]更进一步地，所述低导热材料为不锈钢或TC4合金。
[0018]更进一步地，所述超声波组件还包括夹持加载机构，所述夹持加载机构用于夹持所述超声波工具头并为所述超声波工具头提供压力。
[0019]更进一步地，所述模具的上模和下模内设置有冷却流体通道。
[0020]更进一步地，所述加热组件设置于所述模具的上模和/或下模内；或所述加热组件包括电源，所述电源用于与模具内的碳纤维接通，在所述模具内侧设置有绝缘件。
[0021 ]本实用新型的有益效果为：
[0022]本实用新型提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置，设置有超声波组件，通过超声波振动，可以促进树脂流体的流动，从而提高了熔体内部气体的排放速度，降低了层板零件的孔隙率;同时，施加超声波振动有利于纤维的均匀分布，避免了压力作用下造成的纤维相互挤压;此外，还可以降低模压压力，缩短制备时间，降低层板制件的残余应力;再者，本实用新型提供的模压装置结构简单、紧凑，操作方便。
【附图说明】
[0023]图I是本实用新型的实施例一提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置的结构示意图之一；
[0024]图2是本实用新型的实施例一提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压方法的流程图；
[0025]图3是本实用新型的实施例一提供的纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置的结构示意图之二。
[0026]图中，I、夹持加载机构；2、超声波工具头;3、上模;4、下模;5、限位件;6、冷却流体通道;7、纤维和热塑性树脂;8、加热电阻丝;9、电源；10、绝缘件；11、工作平台；12、隔热层。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本实用新型的技术方案。
[0028]实施例一：
[0029]本实施例提供了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料层板模压装置和模压方法。如图I所示，该模压装置包括模具、加热组件、加压组件和超声波组件;加热组件用于对模具中的热塑性树脂进行加热；加压组件用于为模具提供压力;超声波组件包括超声波发生控制器（图中未示）、与超声波发生控制器电连接的超声波工具头2和夹持加载机构I，该夹持加载机构I用于夹持超声波工具头2并为超声波工具头2提供压力，超声波工具头2设置于模具旁侧，用于对模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理。
[0030]更具体地，该模具包括上模3、下模4和限位件5，限位件5用于放置在上模3和下模4间的纤维和热塑性树脂7外周以限制其位移，限位件5优选为限位块。上模3和下模4内可以设置冷却流体通道6。
[0031]该装置中，超声波工具头2设置于模具旁侧，是指其可以设置于模具的上方、下方或外周，也不排除将其设置于模具内部。但由于模具的下模通常固设工作平台11上，不便于移动，而模具的周边通常为限位件，考虑到安装的方便性，优选地，超声波工具头设置于上模3上，通过对模具上模3施加振动进而作用于模具3内的树脂和纤维。并且在超声波工具头2设置于模具上模3的实施方式中，可以令加压组件与超声波组件为同一部件，通过超声波工具头2向模具提供压力，即通过超声波工具头2同时对模具上模3施加振动与压力，而无需设置额外的压力装置，结构更简单、紧凑。但是，需要说明地是，在设置有超声波组件的同时额外设置有压力组件的技术方案，也属于本实用新型的保护范围。
[0032]更进一步地，在超声波工具头2与上模3之间设置有由低导热材料制成的隔热层12，该隔热层12优选为不锈钢或TC4合金制成的板体，以隔绝模具上模3与超声波工具头2之间的热量传递，防止高温损伤超声波工具头2。
[0033]更具体地，模具的上模3和下模4内设置有冷却流体通道6。
[0034]更进一步地，加热组件设置于模具的上模3和/或下模4内，加热组件可以为加热电阻丝8或加热棒;或加热组件包括电源9，电源9用于与模具内的碳纤维接通，在模具内侧设置有绝缘件10。
[0035]基于上述模压装置的模压方法中，可以通过超声波组件对模具内的纤维和热塑性树脂进行超声处理。
[0036]更具体地，如图2所示，基于上述模压装置的模压方法包括以下步骤：
[0037]步骤A、将纤维和热塑性树脂7层铺于模具内，合模，本步骤中，纤维和热塑性树脂的铺设方式可以是将纤维增强热塑性树脂基复合材料预浸料按照一定的铺层顺序铺设于模具内；另外，也可以将纤维层及热塑性树脂薄膜交替排列层铺于模具内，而省去纤维和树脂的预浸环节；
[0038]步骤B2、对模具施加初始压力Pl;
[0039]步骤C、将模具内的热塑性树脂加热至预设温度tl，使之完全熔化；<