一种纤维布复合材料成型方法与流程

本发明属于纤维织物复合材料成型的技术领域；具体是将树脂热冲压成型与注射成型有机结合，适用于热塑性树脂基体和热固性树脂基体的复合材料。

背景技术：

连续碳纤维树脂基复合材料具有比模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，是实现汽车轻量化的重要途径之一，可以大规模应用于车身覆盖件、底盘结构件等结构件，比常规的金属件减重达20%～30%。连续碳纤维增强体的形式可分为单向带、二维机织物和三维编织物。相比于另外两种增强形式，碳纤维二维机织物增强的树脂基复合材料同时兼顾了成型性能、制品性能与制造成本，也可以适应多种成型工艺，如手糊成型、缠绕成型、热压罐成型、热模压成型、树脂传递模塑成型、热冲压成型等。但以上工艺都很难满足大批量且质量稳定的生产要求，限制了碳纤维二维机织物复合材料在汽车轻量化进程中的应用。

现有的碳纤维复合材料成型工艺过程中，从成型开始到脱模都使用一副模具。在树脂传递模塑(rtm，resintransfermolding)中，分为预制品成型和树脂注射及固化，在采用碳纤维二维机织物增强时，都是手工在模具中铺放纤维预成型体，然后进行树脂的传递、浸润与固化，脱模后经过一定的后处理得到两面光滑的复材制品。

但是，一方面由于rtm成型模腔内手工铺放纤维预成型体，降低了rtm工艺的效率；另一方面，由于rtm的成型模具成本高，从放置预成型体开始到固化都对应一套模具，生产一件制品占用成型模具的时间越长则相对生产成本越高。

技术实现要素：

针对rtm手工铺放纤维预成型体存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种纤维布复合材料成型方法，它能减少模腔内铺放预成型体占用rtm成型模具的时间，提高生产效率，热冲压预成型的模具能重复使用，降低成本，实现复杂结构的复合材料成型。

本发明的构思是：将热冲压预成型工艺和复合材料制品注射成型工艺结合，两种工艺对应使用各自的模具，避免手工在模具中铺放纤维预成型体，实现了自动化生产，提高生产效率。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它按以下步骤：

第一阶段、热冲压预成型，包括：

步骤1、铺层：用干纤维布按照铺层要求放置于热冲压模具的压边装置中；

步骤2、铺胶：在干纤维布上铺放少量的热塑性颗粒，以热冲压成型之后预成型体能够基本保持变形为准；

步骤3、加热：利用加热方法对压边装置中铺层与铺胶的干纤维布进行加热，达到热塑性塑料的熔融温度，使其变为熔融状态；

步骤4、冲压：利用适于复合材料制品的预成型体简易冲压模具，在普通压机上进行快速冲压成型；

步骤5、脱模后处理：依据复合材料制品的注射成型模具，对热冲压成型的预成型体进行处理，去除多余部分，得到第二阶段注射成型中所需的预成型体；

第二阶段、复合材料制品注射成型，包括：

步骤6、模具准备：清理注射成型模具，按实际需要均匀喷涂脱模剂；

步骤7、闭模：将预成型体放置到注射成型模具腔中，闭模并抽真空，再将注射成型模具加热到指定温度；

步骤8、注射：将热塑性树脂或者固性树脂放进注塑机中，经过注塑机加热区若干段加热使得树脂熔融，然后挤出，在所需的压力下将熔融状态下的树脂注入已放好纤维预成型体的注射成型模具中；

步骤9、成型固化：熔融状态下的热塑性树脂或者固性树脂基体快速的浸透纤维织物，最后在密封模具内固化成型。

优选地，在步骤1中，所述干纤维布为碳纤维二维机织物或者碳纤维三维编织物。

优选地，在步骤1中，所述压边装置为上下夹板型，能携带已铺设好的干纤维布整体移动。

优选地，在步骤2中，铺放的热塑性塑料颗粒集中于变形较大的区域，且均匀铺放。

优选地，在步骤7中，所述注射成型模具在模具内部设置加热与冷却循环水路，实现模具的快速加热或冷却。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将热冲压成型工艺与注射成型工艺相结合，通过热冲压工艺制作预成型体，大大减少了采用rtm工艺时手工铺覆预成型体的时间，热冲压预成型的模具能重复使用，提高了rtm工艺中注射成型模具的利用率，同时保证了复杂结构纤维复合材料成型一致性，并且通过冲压工艺与注射工艺实现了自动化生产，增加了预成型体的制作效率和最终制品的成型效率。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为使用本发明的成型过程示意图。

图中：1、干纤维布，2、压边装置，3、热塑性颗粒，4、加热装置，5、热冲压成型模具，6、压机，7、未处理预成型体，8、预成型体，9、注射成型模具，10、排气口，11、注射成型设备，12、喂料斗，13、加热区，14、加热与冷却循坏水路，15、复合材料制品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明按以下步骤：

第一阶段、热冲压预成型，包括：

步骤1、铺层：用干纤维布1按照铺层要求放置于热冲压模具5的压边装置2中；

所述干纤维布为碳纤维二维机织物，按照铺层要求逐层铺设；或者是按照力学性能要求确定的碳纤维三维机织物，例如厚度小于五分之一长度或宽度的碳纤维三维编织物。

步骤2、铺胶：在干纤维布1上铺放少量的热塑性颗粒3，以热冲压成型之后预成型体能够基本保持变形为准；

铺放的热塑性塑料颗粒熔点越低，越便于加热与冲压成型，根据力学性能和成型性能要求来选择合适的热塑性颗粒；例如聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、醚醚酮树脂、聚醚酮树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚酰亚胺树脂或聚碳酸酯中的一种。

对于二维机织物的干纤维布，铺放的热塑性塑料颗粒越少越好。因为二维机织物成型力很小，不需要大面积浸润，只要保证预成型体的变形不自动恢复即可；

塑料颗粒大小不能小于干纤维布的孔隙，以防从干纤维布上漏失。

步骤3、加热：利用加热设备4对压边装置2中铺层与铺胶的干纤维布1进行加热，达到热塑性塑料3的熔融温度，使其变为熔融状态；例如熔融温度为92℃的聚乙烯树脂颗粒，加热至熔融仅需3~5分钟。

加热方法可以是但不限于以下方法：红外加热、烘箱加热、加热板加热；或直接对热冲压模具进行加热，或者单独对完成步骤1或步骤2的干纤维布加热，待加热熔融之后迅速转移到冲压模具上，执行步骤4。

步骤4、冲压：利用适于复合材料制品的预成型体的简易热冲压成型模具5，在普通压机6上进行快速冲压成型；

对干纤维布的冲压要在熔融热塑性颗粒固化之前迅速完成；所用的热冲压成型模具符合预成型体的形状要求，冲压过程可以通过干纤维布的铺覆有限元仿真方法进行优化。热冲压成型模具5不需要密封，也不需要加热，对精度要求也较低。

步骤5、脱模后处理：依据复合材料制品的注射成型模具，对热冲压成型的未处理预成型体7去除多余部分，得到第二阶段注射成型中所需的预成型体8；

第二阶段、复合材料制品注射成型，包括：

步骤6、模具准备：清理注射成型模具9，按实际需要均匀喷涂脱模剂；根据热塑性树脂基体或热固性树脂基体喷涂相应的脱模剂。

步骤7、闭模：将预成型体8放置到注射成型模具9腔中，闭模并抽真空，再将注射成型模具9加热到指定温度；

注射成型模具是密封性模具，采用抽真空的方式排除模腔内气泡，加快树脂的流动与浸润。

注射成型模具可以在模具内部设置加热与冷却循坏水路14，实现模具的快速加热或冷却。

步骤8、注射：将树脂基体通过喂料斗12放进注塑机11中，经过注塑机加热区13若干段加热使得树脂熔融，然后挤出，在所需的压力下将熔融状态下的树脂注入已放好纤维预成型体的注射成型模具9中；

树脂基体不限于热固性树脂，也可以是热塑性树脂，根据树脂基体选择对应的注塑机设备和选择注射工艺参数。

步骤9、成型固化：熔融状态下的树脂基体快速的浸透纤维织物，最后在密封模具内固化成型，得到复合材料制品15。

本发明采用的树脂基体不限于热固性树脂，也可以采用热塑性树脂，适用范围广；对于原材料来说成本有所降低，选择以及搭配范围也更广泛。

本发明在实施过程中将预成型体制作与复合材料制品注射成型分开，采用两套模具，增加了复合材料制品制造的灵活性，在注射成型阶段易于加入金属嵌件等连接部件，而且预成型体热冲压成型模具与压机对最终制品性能影响不大，易于控制设备成本。