一种复合材料增韧细棒的涂层方法与流程

本发明涉及复合材料的表面改性技术，具体为一种复合材料增韧细棒的涂层技术，该涂层技术主要用于提高复合材料增韧细棒与层合板之间界面性能。

背景技术：

传统二维层合复合材料具有很好的面内机械性能，但其各层之间没有纤维增强，只是靠基体树脂起着粘结和传递载荷的作用，因此垂直于铺层方向以及铺层之间的性能相对较弱。当受到外部载荷作用时，该层合复合材料往往首先产生层间破坏，同时复合材料层间强度较低也导致了复合材料的抗损伤性能较差。为了改善层合复合材料的这些缺点，出现了很多提高复合材料层合韧性的技术。细棒增韧技术是在预浸料的厚度方向嵌入固化好的复合材料细棒，为被增韧材料提供厚度方向的侨联力。这中方法由于成本较低，对材料的面内性能影响较小，增韧效果较好，受到学术界和工业界的广泛关注。

增韧细棒与层合板之间载荷的传递是通过界面来实现。而科研用及工业用增韧细棒均为表面较光滑的圆柱形结构，若对细棒表面进行改性来提高细棒与层合板之间的界面性能，则可以进一步提高细棒对层合板的增韧效果。复合材料表面改性技术有很多，包括物理粗糙改性、化学刻蚀、涂层等。然而，复合材料增韧细棒的截面直径一般1.0mm以下，对于这种细度的复合材料制品，传统的物理粗糙改性容易对材料造成损伤，工程实现上存在难度。由于增韧细棒的树脂通常为环氧树脂或双马来酰亚胺树脂，这两种树脂固化后具有优良的耐腐蚀性，若采用化学刻蚀的方法，效果并不明显。传统的涂层技术是在固化后的复合材料表面涂敷试剂，用来起到装饰或保护的作用。若采用传统涂层的方法对增韧细棒进行改性，很难找到一种试剂，既能与固化后的细棒表面相粘结又能与未固化的层合板相粘结。因此，传统的涂层方法不适用于对复合材料细棒的改性。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是提出一种复合材料增韧细棒的涂层方法，该涂层方法与现有的涂层方法不同。传统复合材料涂层方法是在被材料已经固化成型后，在材料表面经过单独的涂层工序，使用液态的涂料涂附在材料表面，而本发明涂层方法是在材料成型的过程中实现的，无单独的涂层工序，涂料采用干纤维粉粉状物，不采用化学试剂，利用被涂层复合材料自身的粘结性能，在自身固化前将干纤维粉黏附在细棒表面。

本发明拟解决所述涂层方法技术问题的技术方案是，设计一种复合材料增韧细棒的涂层方法，该涂层方法包括以下步骤：

首先，浸润树脂的纤维束穿过小孔初成型模具，形成圆形的截面形状(初成型模具模腔直径大小应满足纤维束在等截面的模腔内纤维体积含量在30％至70％之间；

然后，穿过内部存有碳纤维粉涂料的贮存室(简称涂层室)，涂层室为管状腔体结构，涂层室沿长度方向中轴具有孔洞，细棒从涂层室孔洞穿过，涂层室内腔由3至10个边的等边多边形面板拼接而成，每个边的边长大于10mm，内腔长度为0.05至0.5米之间，涂层室每个面板均为导电材质，均可连接静电场和接地，两个相邻的面板之间不发生导电，当细棒在经过涂层室的过程中，每一时刻有一个面板连接静电场，其余面板接地，每隔0.5至5秒，静电场切换连接至上一时刻连接面板相对或斜对的面，其余面接地，则涂料将从上一时刻连接静电场的面向此时连接静电场的面运动。不断循环切换静电场及接地的端子，涂料不断被吸附至静电场连接的面，涂料在涂层室内将围绕细棒所在的中心位置做折现运动。其中静电场电压控制在0.5-10kv；

第三，细棒从涂层室穿过后随即经过不直接接触的吸尘装置，表面粘结不牢固的碳纤维粉将被去除。

第四，细棒经过预热装置和加热装置进行预热和凝胶。

第五，细棒经过定型模具进行定形，定形模具的等截面通孔直径要比初成型模具大0.05mm至1mm；

第六，细棒经过加热装置进行固化，通过温度和加热装置的长度控制使细棒的固化度应达到70％以上。

最后，细棒经过带有细毛刷的吸尘器再次将细棒表面粘结不牢固的纤维粉去除。

本发明所述的涂层方法是在现有复合材料增韧细棒的成型技术(本专利申请人的另外一发明专利：一种复合材料增韧细棒的成型方法和装置，专利号：201210204757.3)的基础上实施的，本发明所述涂层方法可在该发明专利所述装置的基础上实现。

本发明所述涂料为纤维粉状物，可以是碳纤维、玻璃纤维、石英纤维等高性能纤维粉，纤维粉状物细度为低于1mm的短切纤维、纤维粉或碳纳米管等，若纤维粉装物细度太大，则不易黏附到z-pin表明，导致涂层后的细棒直径不均匀，外观不规整。

初成型模具直径的大小应满足纤维束在等截面通孔的模腔中体积含量为30％至70％，直径即不能太粗也不能太细。若直径太粗，则纤维束细棒的体积含量过高，则浸润树脂的纤维束经过初成型模具后，不能形成规则的圆形截面，造成成型不良；若直径太细，则纤维束细棒的树脂含量过低，涂料不易粘结在细棒的表面。

当细棒在经过涂层室的过程中，静电场及接地线不断切换所连接的面板的位置，每一时刻有一个面板连接静电场，其余面板接地。静电场在各个面板连接的时间是相同的，在0.5至5秒之间。每个面板均连接静电场一次为一循环，不断循环切换静电场及接地的端子，涂料不断被吸附至静电场连接的面板，不断切换静电场至相对或斜对的面板，则涂料在涂层室内将围绕细棒所在的中心位置做折现运动。由于细棒表面树脂具有黏附作用，若涂料在运动的过程中与其接触，就会被黏附在细棒表面。

细棒在涂层室中，由于树脂未固化并且涂层室具有一定的加热功能，且涂层室室内温度保证树脂具有较低的粘度，因此，细棒表面树脂具有较好黏附作用，涂料在运动的过程中与细棒接触，则被粘结到了细棒表面。

涂层室可为单个独立的涂层室，也可将涂层室沿细棒路径方向排列，分成若干个小涂层室组合拼接而成，这样可使沿细棒长度方向上的涂层粉较均匀的涂敷在细棒表面。涂层室各个面连接静电场与接地的连接或切换为现有技术，可通过可编程控制器等自动控制仪器或设备实现。

涂层室沿长度方向中轴具有孔洞，细棒从涂层室孔洞穿过，需要调整细棒拉拔方向，使细棒不与孔洞边或壁接触，这是由于此时穿过涂层室的细棒未固化，若与设备接触会导致细棒变形。由于涂层室需要开孔，为防止涂料从涂层室中溢出污染环境，涂层室结构设计应考虑防涂料溢出功能，防涂料溢出结构设计方法为现有技术。

涂层室连接静电场的电压应控制在0.5-10kv之间。若电压太大太大，则中间穿越运动的细棒将会受到静电场的吸引，若电源压太小，则不能较好的吸引纤维粉体涂料。静电场具体值应根据具体涂料的细度及细棒的细度来确定。

由于细棒经涂层后，细度变粗，定型模具直径应比初成型模具大0.05至1.0mm。

之所以两次通过吸尘器是要及时去除粘结不牢固的涂料，尽可能减少涂料弥散，防止对环境造成污染。第一次通过吸尘器，对粘结不牢固的涂料进行清洁，吸尘器口端不能直接接触细棒，以免未固化的细棒发生变形，第二次吸尘器的毛刷直接接触细棒表面涂料，细棒已经固化，细棒固化度已达到70％，不易发生变形，这样可以进一步将夹杂的涂料去除。由于细棒从固化管道中拉出，具有较高的余温，需要吸尘器的毛刷采用耐高温的材质。

本发明专利所述方法存在以下创新点：第一，涂料采用纤维粉状物，使细棒与层合材料之间在无化学残留的情况下，具有很好的界面性能；第二，涂层步骤在细棒固化前实施，利用了树脂固有的粘结性能，方法简单，且不会引起细棒变形；第三，巧妙地运用了静电场的作用，使除涂料外无其他固体物质与细棒接触，静电力使涂料具有一定的冲量，提供了与细棒粘结的压力。

与现有技术相比，本发明复合材料增韧细棒的涂层方法可在细棒生产过程中实现，无单独的涂层工序，方法简单，效率高，只是将纤维粉状物黏附在细棒表面，无化学残留，细棒植入到层合板后，干纤维一部分粘于增韧细棒表面的树脂，另一部分将与层板的树脂相粘，与传统涂层技术相比提高了细棒与层合板之间载荷传递的面积，进而可大大提高细棒与层合板之间的界面性能，提高细棒的增韧效率。

附图说明

图1是本发明实施例复合材料增韧细棒的涂层方法流程示意图。

图2是本发明实施例初成型模具截面结构示意图。

图3是本发明实施例涂层室长度方向截面结构示意图。

图4是本发明实施例涂层室横截面结构示意图。

图5是本发明实施例涂料运动轨迹示意图。

图6是本发明实施例定型模具截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：

下面给出采用本发明所述的涂层方法制备直径为0.55mm，400目碳纤维粉的涂层细棒的涂层过程：

细棒涂层过程，如图1所示。一束T300-3k碳纤维进入树脂槽2中浸润树脂，随后进入初成型模具3，初成型模具3，如图2所示，具有长度为7mm，直径为0.50mm的等截面圆形通孔模腔301。

细棒10从模具3被拉出后随即进入盛有400目碳纤维粉的涂层室4中，涂层室4内未固化细棒的总行程(内腔长度)为300mm，细棒10的拉拔速度为1m/min。涂层室4长度方向通过隔断将涂层室4分为三个腔体，如图3所示，每个腔体长度100mm。灌注涂料时，每个腔体沿注料口401均放入g涂料，隔断将限制每个腔体的涂料沿长度方向上过大的位移，使涂料沿长度方向较均匀的分开，涂层室外侧均匀缠有加热带403及保温层404，涂层室4内部温度与树脂槽温度均为45℃，使树脂具有较低的粘度。

整个涂层室4长度方向的中心位置具有直径10mm的孔405，细棒10在孔405中穿过，细棒10在穿过涂层室4的过程中不与涂层室的壁面接触，防止未固化的细棒10发生变形。在涂层室4的入口侧和出口侧均存在两个长度为30mm的空腔405，作用是隔离从涂层室腔内外溢的涂料，防止涂料溢出污染环境。涂层室长度方向的隔断板及端盖板均为不导电的聚氯乙烯板。

涂层室4从横截面上看为五边形，如图4所示，即涂层室4最内侧与涂层接触的内壁由五片面板411接合而成。相邻两片面板的拼接处为绝缘的硅橡胶条412，相邻两块面板间不发生导电。每片面板均有一接线端子，每个端子都可连接静电场或接地。注料口401位置置于两块面板411之间，在绝缘条412所在直线处，这样可以避免在面板上打孔。涂层室面板411连接静电场的电压为2kv。

未固化细棒10经过涂层室的过程中，起初，421号端子连接静电场，其余四个端子接地；3秒后，端子423由接地切换成连接静电场，同时，端子421切换成接地，即端子421、422、424、425均接地；再过3秒后，只有端子425连接静电场，其余接地；再过3秒，只有端子422连接静电场，其余接地……。按照此规律，每过3秒调换一次静电场和接地的连接端子，同一时刻只有一个端子连接静电场，且其余端子均接地。连接静电场的端子顺数为421→423→425→422→424→，每隔15秒一个循环，这样，不断的调换静电场的位置，涂料410将被静电场所吸引在涂层室中不断的改变方向向静电场连接的面板运动。运动轨迹如图5示。这样，涂料410在涂层室4内将围绕中心作折线运动，使细棒10周围都能够与涂料接触，由于细棒10树脂未固化，且具有较低的粘度，与细棒10表面接触的涂料将粘附在细棒10表面。

涂层后的细棒10从涂层室4中拉出后随即进入吸尘室5，吸尘室5中有上下两个吸尘口501和502，将粘结不牢固的涂料去除，由于细棒10未固化，吸尘装置不能与细棒10接触，以防止细棒10发生变形。

经涂层的细棒10加热管道6进行预热和凝胶。

再经过定型模具7进行定形，定型模具具有长度为2mm的等截面直径为0.55mm通孔模腔701，如图6所示。

细棒10经过定型后，再进入加热管道8中进行固化，细棒10固化好以后用带细毛刷的吸尘器将粘结不牢的纤维粉去除。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对权利要求保护范围的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明技术方案进行的非本质修改或者等同替换，并不能脱离本发明技术方案的实质，且均应在本申请权利要求的保护范围之内。