铺叠成型激光固化制备复合材料的制作方法

铺叠成型激光固化制备复合材料属于一种复合材料制备方法。

背景技术：

以往的复合材料制备方法有多种，其中之一是铺叠成型加温固化法。

具体制备过程是先制造一个胎模，在其成型面上铺叠一层或多层增强纤维预浸料，形成铺叠预浸料层，再经烘箱加温固化成型，制得复合材料。

铺叠成型加温固化法具有可设计性好和工艺较灵活等优点。

但存在制件形状和尺寸受烘箱容积限制、生产连续性较差、能量利用率低、生产效率低、自动化程度不高和成本较高等缺点。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种能够克服以往铺叠成型加温固化法的缺点，用激光固化取代烘箱等加温设备固化铺叠预浸料层的复合材料制备方法。

激光投射到材料上，会产生一定的光热转化效应，这种光热转化效应会带来材料表面和内部的温度升高效应。

在特定方向激光照射下，材料由表面到内部的温度变化取决于多种因素，包括投射深度、吸收系数和散射系数S，如果入射激光光能量密度为I₀，则深度处得到的激光能量密度为：。

越深处得到的激光光能越少，这种现象将导致激光照射方向上材料内部出现递减温度梯度，使厚度稍大的预浸料不同深度处难以同步获得所需的固化温度。

本发明的一个解决方案是设计激光输出器所输出激光光斑的形状，这样就能在扫描速度一定的情况下，通过增加激光输出器所输出激光光斑的长度和宽度，来增加预浸料层上任一点被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现预浸料层内部温度的均匀化。

本发明的第二个解决方案是在构成预浸料的树脂液中添加适当浓度的填料，以改变预浸料的吸收系数和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料层在激光照射下内部出现有利的温度梯度。

本发明的第三个解决方案是根据预浸料层中增强纤维束和树脂液的材质不同，选择不同波长的照射激光光源，以改变预浸料层的吸收系数和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料层在激光照射下内部出现有利的温度梯度。

由于本发明彻底摆脱了烘箱的限制，使铺叠成型技术制备大尺寸、低成本复合材料成为可能。

采用铺叠成型激光固化制备复合材料将获得以下有益效果：

首先，由于彻底取消了烘箱固化，铺叠成型激光固化制备复合材料理论上使胎模尺寸可以任意大，而无需担心烘箱的尺寸和大尺寸烘箱内部的温度均匀性问题。

其次，由于激光固化速度极快，往往从激光照射到固化完成只需1～3秒，避免了烘箱固化时由于升温速度缓慢导致的流胶、滴胶问题，产品质量更好。

第三，能量利用率极高，简化了生产流程，生产周期短，生产的自动化、智能化程度高，减少生产场地的占用和解放人力，生产成本低。

优化的是，本发明激光束的加热功率能够与激光束扫描速度实现设计匹配，保证了复合材料固化所需的最佳温度。

优化的是，本发明能够通过增加激光输出器所输出激光光斑的长度和宽度，来增加预浸料层被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现预浸料内部温度的均匀化。

优化的是，本发明在构成预浸料层的树脂液中添加适当浓度的填料，以改变预浸料的吸收系数和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料层在激光照射下内部出现有利的温度梯度。

优化的是，本发明根据预浸料中增强纤维束和树脂液的材质不同，选择不同波长的照射激光光源，以改变预浸料的吸收系数和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料层在激光照射下内部出现有利的温度梯度。

优化的是，本发明的胎模能够采用低热导率材料，减少向芯模传热造成的预浸料层的热损失，以减小激光照射下预浸料层内部的温度梯度，提高固化质量。

优化的是，本发明的胎模能够采用低热容材料，减少芯模升温吸热造成的预浸料层的热损失，以减小激光照射下预浸料层内部的温度梯度，提高固化质量。

优化的是，本发明的胎模能够采用非平面，这种情况下，能够通过计算机控制下的激光束扫描，实现照射到预浸料层的激光能量密度的均匀一致。

优化的是，本发明的胎模为非平面时，能够通过计算机控制下的激光输出器变功率激光输出扫描，实现照射到预浸料层的激光能量密度的均匀一致。

优化的是，本发明的激光输出器能够带有振镜，使得输出激光束带宽大幅度增加，从而大幅度提高加工效率。

附图说明

附图1是本发明的实施过程示意图。

附图1中，1是胎模，2是铺叠预浸料层，3是激光输出器，4是激光束，5是激光输出器扫描方向。

附图2是本发明的另一个实施过程示意图。

附图2中，1是胎模，2是铺叠预浸料层，3是激光输出器，4是激光束。

利用铺层设备或人工获得铺叠于胎模1上的铺叠预浸料层2，此时的铺叠预浸料层2中的树脂处于未固化的粘流态，调整激光输出器3至起始位置，启动激光输出器3使之输出激光束4，同时驱动激光输出器3进行“之”字形扫描，激光束4扫描经过全部铺叠预浸料层2后，激光固化加工过程完成，此时的铺叠预浸料层2中的树脂完全固化，复合材料制备完成。

本发明激光束4的加热功率能够与其扫描速度按设计匹配，保证铺叠预浸料层2固化所需的最佳温度。

本发明能够通过增加激光输出器3所输出激光光斑的长度和宽度，来增加铺叠预浸料层2上任意一点被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现铺叠预浸料层2内部固化温度的均匀化。

本发明在构成预浸料的树脂液中添加适当浓度的填料，以改变预浸料的吸收系数和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的铺叠预浸料层2在激光束4的照射下内部出现最佳的温度梯度。

本发明根据预浸料中增强纤维束和树脂液的材质不同，选择不同波长的照射激光光源，以改变预浸料的吸收系数和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的铺叠预浸料层2在激光束4的照射下内部出现最佳的温度梯度。

本发明的胎模1能够采用低热导率材料，减少向胎模1传热造成的铺叠预浸料层2的热损失，以减小激光束4的照射下铺叠预浸料层2内部的温度梯度，提高固化质量。

本发明的胎模1能够采用低热容材料，减少胎模1升温吸热造成的铺叠预浸料层2的热损失，以减小激光束4的照射下铺叠预浸料层2内部的温度梯度，提高固化质量。

本发明的胎模1的成型面能够采用非平面时，能够通过机械手操控激光输出器3，使激光束4对铺叠预浸料层2进行匀速扫描，实现照射到铺叠预浸料层2的激光能量密度的均匀一致。

本发明的激光输出器3能够带有振镜，使得输出激光束4的扫描带宽大幅度增加，从而大幅度提高加工效率。