碳纤维复合材料异形工字梁的制备方法及所得异形工字梁与流程

本发明涉及一种碳纤维复合材料异形工字梁的制备方法及所得异形工字梁。

背景技术：

碳纤维是含碳量较高且热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经过热稳定氧化处理及石墨化等工艺制成的.碳纤维具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，其外形有显著的各项异性、柔软，可加工成各种织物，碳纤维沿纤维轴方向表现出很高的强度，碳纤维比重较小，具有很高的比强度。

碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。在要求高温、力学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

随着现代技术的迅猛发展，对材料提出了较高的要求，碳纤维复合材料制作的结构件由于具有高强度、高模量、轻量化的特点有较好的应用前景。现有工字梁主要使用金属材料，它存在重量大，耐腐蚀性能差、使用周期短等缺点。而碳纤维复合材料具有比强度和比模量高、制件力学性能优异、安全性高、可设计性和零部件一体化成型等特点广泛应用在各个领域，充分满足较高装配精度要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料异形工字梁的制备方法及所得异形工字梁，碳纤维复合材料异形工字梁承载能力大、刚性好、自重轻、表面光洁度高、制品孔隙率低、外表面尺寸和树脂含量能精确控制，解决现有技术中存在的上述问题。

本发明的技术解决方案是：

一种碳纤维复合材料异形工字梁的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、制备碳纤维复合材料异形工字梁预制体：首先将定型剂按3-8g/m² 的质量施撒在碳纤维织物上，并热定型，待碳纤维织物定型结束利用裁剪机将织物裁剪成所需形状，然后将裁剪成指定形状的织物铺贴在预先准备好的模具上，得到预制体，待铺层完毕后将预制体置于真空袋里密封保存；

步骤2、复合材料液体成型：预制体置于模具里，并用螺栓锁紧模具，将锁紧的模具置于加热设备里，并将模具与真空设备与注胶设备连接，加热模具；同时将热固性树脂置于注胶设备里加热，模具加热温度设定为110-150℃，热固性树脂加热温度设定为90-140℃，待模具与热固性树脂温度达到设定温度，将热固性树脂注入模具里含浸碳纤维织物，当热固性树脂充分含浸碳纤维织物时，结束注入热固性树脂并固化成型，获得碳纤维复合材料异形工字梁粗成品；

步骤3、粗成品处理：对所述碳纤维复合材料异形工字梁粗成品进行边缘切割，打磨，得到碳纤维复合材料异形工字梁成品。

进一步地，步骤1中，织物每铺贴3-8层对预制体热定型一次，来控制制件厚度，热定型温度60-80℃，定型时间为25-45min，定型结束自然冷却至室温。

进一步地，步骤2中，在热固性树脂含浸碳纤维织物之前需要对热塑性树脂脱泡，脱泡时间为15-40min。

进一步地，步骤2中，将注胶压力控制在2-6bar，并在注胶过程中排出树脂和碳纤维复合材料异形工字梁预制体里的气泡。

进一步地，步骤2中，控制模具加热的升温速率为2-3℃/min。

进一步地，步骤2中，将固化过程分为两个过程，固化与后固化，固化温度为150-200℃，时间设定为含浸的树脂完全固化的时间，后固化温度为220-250℃，加热时间设定至成品所能达到最高结构强度的时间。

进一步地，热固性树脂基体采用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂或酚醛树脂中的一种或两种以上组合。

进一步地，碳纤维织物采用单向布、双轴向布、三轴向布、平纹布、缎纹布、斜纹布。

进一步地，所得碳纤维复合材料异形工字梁包括缘条、端头和腹板，腹板的上下两侧分别垂直设置缘条，腹板的前后两端分别垂直设置端头，且端头的上下两侧分别垂直连接缘条形成封闭结构，缘条采用曲面形状，该碳纤维复合材料异形工字梁的截面为“工”字型。

一种碳纤维复合材料异形工字梁，包括碳纤维织物和热固性树脂，所述碳纤维织物作为增强材料，所述热固性树脂为基体材料，该碳纤维复合材料异形工字梁采用上述碳纤维复合材料异形工字梁的制备方法所得。

本发明的有益效果是：该种碳纤维复合材料异形工字梁的制备方法及所得异形工字梁，利用复合材料液体成型工艺，相比于传统的热压罐成型大大的降低了制造成本，且能制备出表面光滑的碳纤维复合材料异型工字梁成品。该碳纤维复合材料异型工字梁成品具有高强度、高模量、轻量化的特点。本发明提供一种有曲率的工字梁的制备工艺，该碳纤维复合材料异型工字梁成品两个端头部分做成封闭结构，结构更加紧凑，提高了其力学承载能力。本发明性能优异，且结构的设计合理，可在高温高压的环境中使用。本发明碳纤维复合材料成品可广泛应用于各个技术领域，本发明碳纤维复合材料成品用于特定技术领域时，所改进的上述特性可大大提高产品的安全性能。

附图说明

图1是本发明实施例碳纤维复合材料异形工字梁的结构示意图。

图2是本发明实施例碳纤维复合材料异形工字梁的剖视图。

其中：1-端头，2-缘条，3-腹板。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例1

一种碳纤维复合材料异形工字梁成品的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、制备碳纤维复合材料异形工字梁预制体：首先将定型剂按6g/m² 的质量施撒在碳纤维织物上，并热定型，待织物定型结束利用裁剪机将织物裁剪成所需形状，然后将裁剪成指定形状的织物铺贴在预先准备好的模具上，待预制体铺层完毕后将预制体置于真空袋里密封保存。

实施例中定型剂原则上要与碳纤维复合材料异形工字梁液体成型所用的树脂的主要成分相同，在碳纤维复合材料异形工字梁液体成型过程中融于树脂里，不作为杂质出现，以致影响复合材料的性能。

步骤1制备碳纤维复合材料异形工字梁预制体中，为制成加工成品，按照拟加工产品的结构图编排，将碳纤维材料裁剪成符合要求的大小和形状，然后按照加工产品的结构图编排顺序和位置将碳纤维包覆在芯模模具的表面上。

在步骤1中，为控制制件尺寸，裁剪成指定形状的织物每铺贴4层对未成形预制体热定型一次，热定型温度70℃，定型时间为30min，并自然冷却至室温。

在完成步骤1后，碳纤维复合材料异型工字梁预制体应密封、真空保存，且放置时间不易过长，防止碳纤维复合材料异型工字梁预制体受潮，定型剂失效，确保后期制件的质量和尺寸稳定。本发明在进行所述步骤2复合材料液体成型之前，对碳纤维复合材料异型工字梁模具进行表面处理，用抹布及辅助液体擦拭模具，涂抹封孔剂，填平模具表面针孔，涂抹脱模剂以利于后期脱模。

步骤2、复合材料液体成型，采用RTM工艺成型：将预制体置于模具里，并用螺栓锁紧模具，将锁紧的模具置于加热设备里，并将模具与真空设备与注胶设备连接，加热模具。同时将热固性树脂置于注胶设备里加热，模具加热温度设定为130℃，树脂加热温度设定为120℃，待模具与树脂温度达到设定温度，将树脂注入模具里含浸碳纤维预制体，此过程注胶设备不断给树脂加压，加压范围为2-6bar。当树脂充分含浸碳纤维预制体时，按照树脂的固化制度设定升温与保温时间，固化结束待模具冷却后脱模，获得碳纤维复合材料异形工字梁粗成品；

在步骤2中，为了提高制品的质量和降低碳纤维复合材料异形工字梁制品的孔隙率，在所述热塑性树脂含浸碳纤维织物之前需要对热塑性树脂脱泡，脱泡时间为25min。在步骤2中，为了提高成品表面质量，需控制加热设备的升温速率，升温速率控制在2-3℃/min。

热固性树脂基体采用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂或酚醛树脂中的一种或两种以上组合。碳纤维织物采用单向布、双轴向布、三轴向布、平纹布、缎纹布、斜纹布。

在步骤2中，为了更好的成型成品和提升结构强度，将固化过程分为两个过程，固化与后固化，固化温度为180℃，时间设定为含浸的树脂完全固化的时间，后固化温度为230℃，加热时间设定至成品所能达到最高结构强度的时间。采用本发明制成的航空制件重量轻，强度高，制件力学性能优异、安全性高。

步骤3、粗成品处理：对所述碳纤维复合材料异形工字梁粗成品进行边缘切割，打磨，得到碳纤维复合材料异形工字梁成品。

如图1和图2，所得碳纤维复合材料异形工字梁包括缘条2、端头1和腹板3，腹板3的上下两侧分别垂直设置缘条2，腹板3的前后两端分别垂直设置端头1，且端头1的上下两侧分别垂直连接缘条2形成封闭结构，缘条2采用曲面形状，该碳纤维复合材料异形工字梁的截面为“工”字型。和现有技术相比，本发明将工字梁设置成具有曲率的结构，其端头1部分为封闭结构，这种结构设计提升了工字梁的结构紧凑性，同时加强了工字梁的力学承载能力。

一种碳纤维复合材料异形工字梁，包括碳纤维织物和热固性树脂，所述碳纤维织物作为增强材料，所述热固性树脂为基体材料，该碳纤维复合材料异形工字梁采用上述碳纤维复合材料异形工字梁的制备方法所得。

实施例2

一种碳纤维复合材料异形工字梁成品的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、制备碳纤维复合材料异形工字梁预制体：首先将定型剂按3%wt施撒在碳纤维织物上，并热定型，待织物定型结束利用裁剪机将织物裁剪成所需形状，然后将裁剪成指定形状的织物铺贴在预先准备好的模具上，待预制体铺层完毕后将预制置于真空袋里密封保存；

步骤2、复合材料液体成型，采用VARI工艺成型：预制体置于模具里，组装模具，在模具上方从里至外一次铺贴脱模布，透气毡，并用真空袋密封，将模具置于加热设备里，将模具与真空设备与注胶设备连接，加热模具，同时将热固性树脂置于注胶设备里加热，模具加热温度设定为120℃，树脂加热温度设定为110℃，待模具与树脂温度达到设定温度，当树脂充分含浸碳纤维预制体时，按照树脂的固化制度设定升温与保温时间，固化结束待模具冷却后脱模，获得碳纤维复合材料异形工字梁粗成品；

步骤3、粗成品处理：对所述碳纤维复合材料异形工字梁粗成品进行边缘切割，打磨，得到碳纤维异形工字梁成品。

一种碳纤维复合材料异形工字梁，包括碳纤维织物和热固性树脂，所述碳纤维织物作为增强材料，所述热固性树脂为基体材料，该碳纤维复合材料异形工字梁采用上述碳纤维复合材料异形工字梁的制备方法所得。

实施例3

一种碳纤维复合材料异形工字梁成品的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、制备碳纤维复合材料异形工字梁预制体：首先将定型剂按8g/m² 的质量施撒在碳纤维织物上，并热定型，待织物定型结束利用裁剪机将织物裁剪成所需形状，然后将裁剪成指定形状的织物铺贴在预先准备好的模具上，待预制体铺层完毕后将预制置于真空袋里密封保存；

步骤2、复合材料液体成型，采用闭模VARI工艺成型：预制体置于模具里，并用螺栓锁紧模具，将锁紧的模具置于加热设备里，并将模具与真空设备与注胶设备连接，加热模具，同时将热固性树脂置于注胶设备里加热，模具加热温度设定为125℃，树脂加热温度设定为115℃，待模具与树脂温度达到设定温度，将树脂注入模具里含浸碳纤维预制体，当树脂充分含浸碳纤维预制体时，按照树脂的固化制度设定升温与保温时间，固化结束待模具冷却后脱模，获得碳纤维复合材料异形工字梁粗成品；

步骤3、粗成品处理：对所述碳纤维复合材料异形工字梁粗成品进行边缘切割，打磨，得到碳纤维异形工字梁成品。

一种碳纤维复合材料异形工字梁，包括碳纤维织物和热固性树脂，所述碳纤维织物作为增强材料，所述热固性树脂为基体材料，该碳纤维复合材料异形工字梁采用上述碳纤维复合材料异形工字梁的制备方法所得。

实施例里的定型剂与热固性树脂可根据实际情况对这类产品的具体种类作出合适的选择作为制备碳纤维复合材料异形工字梁的原料。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明可以做出其他多种形式的修改，替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。