一种汽车用碳纤维后视镜外壳的微波固化成型方法及其产品

1.本发明属于复合材料固化技术领域，具体涉及一种汽车用碳纤维后视镜外壳的微波固化成型方法及其产品。


背景技术：

2.碳纤维增强材料与树脂基体组成的材料称为碳纤维树脂复合材料或碳纤维增强塑料。碳纤维具有高的弹性模量、较强的抗拉强度和较好的高温性能。因此当碳纤维和一些树脂基体结合在一起组成复合材料时，在保持玻璃钢的许多优点的同时还在许多性能方面超过了原玻璃钢。碳纤维-环氧树脂复合材料的强度和弹性模量都超过铝合金，甚至接近于高强度钢，比重小，因此它成为比强度与比模量最高的复合材料之一。碳纤维增强塑料在高温老化试验中的强度损失小，在抗冲击性能、抗疲劳性能、减摩耐磨性能、自润滑性、耐腐蚀性以及耐热性等方面都有显著优点。
3.目前广泛使用热压罐固化工艺进行碳纤维复合材料的固化，这种热固化成形方法存在着传热速度慢、温度梯度大、固化不均匀和固化速率低等问题，最重要的是该工艺存在能耗高、流程长的缺陷，不利于工业广泛的应用。但微波加热与传统加热不同，该技术是以电磁波穿透复合材料，从物质的内部开始进行整体加热。该技术具有加热迅速、可选择性加热、热惯性小、节能降耗等优势。将微波加热技术应用到碳纤维复合材料固化中有着巨大潜力，国内外研究人员也对微波加热固化碳纤维复材进行了大量研究，并取得了诸多研究成果。
4.例如，专利cn104149365提供了一种碳纤维复合材料轴类的微波固化方法，虽然研究的是异形结构，但该专利申请提出的工艺未涉及微波腔体内的平动。专利cn201610675566.3提供了一种碳纤维层合板的微波固化方法，该专利研究的并非异形结构，且其能耗损失也较为严重。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种汽车用碳纤维后视镜外壳的微波固化成型方法及其产品。在保证产品完全固化的同时，固化工艺周期较常规固化过程节能34％左右。
6.为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：
7.一种汽车用碳纤维后视镜外壳的微波固化成型方法，包括以下步骤：
8.在模具上依次铺设碳纤维预浸料、脱模布、隔离膜和透气毡，采用真空袋将模具进行封装，然后在真空袋外层包裹透波隔热材料，在保持真空的条件下，通过控制模具在微波腔中进行往复直线运动，并采用阶梯式递增的输出功率进行微波固化成型，实现汽车用碳纤维后视镜外壳在微波场中均匀加热固化，得到汽车用碳纤维后视镜外壳。
9.进一步地，在模具中铺设材料之前，需要在模具内表面涂刷三遍脱模剂。
10.进一步地，所述模具的材料为聚四氟乙烯、石英或刚玉。
11.进一步地，所述碳纤维预浸料为t300碳纤维/环氧树脂。
12.进一步地，所述透波隔热材料为石棉布。用于降低加热固化成型过程中的热量损失。
13.进一步地，真空环境中的真空度在100-200mbar之间。
14.进一步地，所述微波固化仪器为昆明理工大学实验室自制改装，内含可往复运动的支架且有6个微波输入口由6个磁控管控制。
15.进一步地，所述往复直线运动的运动速率为0.01m/s，运动路程在200mm范围内。在往复直线运动过程中，正向运动方向设定为从炉门向内部运动；往复模式固定为先进行正向运动，再切换为反向运动，且每次正向与反向运动进行切换时停顿1s。
16.进一步地，所述微波固化成型中，微波输出功率为600-1200w，微波辐照时间为100-300min。
17.进一步地，所述真空袋外层还设有测温光纤探针，共有6个测温光纤探针，对应连接6根测温光纤，测温光纤另一端引出至微波腔外。粘贴在真空袋表面的测温光纤探针与透波隔热材料之间需要铺一层真空袋防止光纤探头污染。
18.本发明还提供一种利用上述方法制备得到的汽车用碳纤维后视镜外壳。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
20.1、本发明在微波场中对复杂形状(同时包括曲面和平面)的碳纤维进行固化成型，对比其他微波固化层合板，在固化更加复杂的结构上实现了突破。且通过水平运动的方式改善了碳纤维预浸料微波加热过程中各区域温度分布的均匀性，采用该工艺可以简化微波传输系统的设计，有效降低了操作难度，有利于确保微波固化工艺参数的可靠性；
21.2、通过使用透波隔热材料包裹真空袋和模具，减小了微波加热过程模具及碳纤维向周围环境散热造成的热量损失，有效提高了微波能的利用率；
22.3、通过对微波输出功率及物料运动轨迹的精确调控，将微波加热碳纤维复合材料过程中层合板各区域之间的温差有效控制在25℃以内，确保了碳纤维复合材料汽车后视镜的平整度和固化度；
23.4、与常规固化产品相比，本发明制备的成品为1:1真实尺寸的汽车后视镜，可以将技术应用于生活，且微波固化在确保复合材料零件完全固化的同时，可节约30％左右的能耗；
24.5、本发明工艺简单可靠，获得的汽车用碳纤维后视镜外壳表面光滑平整，形状稳定，为复合材料微波固化技术的工业应用提供了技术支撑。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明微波固化仪器设备示意图；其中，
①
、
②
、
③
、
④
、
⑤
、
⑥
为磁控管控制的微波输入口；
27.图2为本发明模具摆放位置图；其中，1为支架，2为模具；
28.图3为实施例1制备汽车用碳纤维后视镜外壳微波固化封装方式示意图；其中，1为模具；2为碳纤维预浸料；3为脱模布；4为隔离膜；5为透气毡；6为保温棉；7为测温光纤探针；8为真空袋；9为真空管；
29.图4为实施例1制备汽车用碳纤维后视镜外壳中测温光纤布置方式示意图；
30.图5是实施例1制备的汽车用碳纤维后视镜外壳的升温曲线及微波功率变化图。
具体实施方式
31.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
32.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
33.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
34.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本技术说明书和实施例仅是示例性的。
35.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
36.一种汽车用碳纤维后视镜外壳的微波固化成型方法，包括以下步骤：
37.在模具上依次铺设碳纤维预浸料、脱模布、隔离膜和透气毡，采用真空袋将模具进行封装，然后在真空袋外层包裹透波隔热材料，在保持真空的条件下，通过控制模具在微波腔中进行往复直线运动，并采用阶梯式递增的输出功率进行微波固化成型，实现汽车用碳纤维后视镜外壳在微波场中均匀加热固化，得到汽车用碳纤维后视镜外壳。
38.在一些优选实施例中，所述模具的材料为聚四氟乙烯、石英或刚玉。最优选为聚四氟乙烯对微波无吸波效果。在模具中铺设材料之前，需要在模具内表面涂刷三遍脱模剂。
39.在一些优选实施例中，所述碳纤维预浸料为t300碳纤维/环氧树脂。
40.在一些优选实施例中，所述透波隔热材料为石棉布。用于降低加热固化成型过程中的热量损失。
41.本发明实施例对脱模布、隔离膜和透气毡的来源和材质无特别要求，采用的脱模布、隔离膜和透气毡由天津埃尔泰克复合材料有限公司提供。
42.在一些优选实施例中，碳纤维预浸料为0.1mm厚度，更有选的，铺层厚度在1-3层，最优选为2层。
43.在一些优选实施例中，真空环境中的真空度为100-200mbar。更优选为150mbar。
44.在一些优选实施例中，所述往复直线运动的运动速率为0.01m/s，运动路程在200mm范围内。在往复直线运动过程中，正向运动方向设定为从炉门向内部运动；往复模式固定为先进行正向运动，再切换为反向运动，且每次正向与反向运动进行切换时停顿1s。
45.在一些优选实施例中，所述微波固化成型中，微波输出功率为600-1200w，微波辐照时间为100-300min。
46.在一些优选实施例中，所述真空袋外层还设有测温光纤探针，共有6个测温光纤探针，对应连接6根测温光纤，测温光纤另一端引出至微波腔外。粘贴在真空袋表面的测温光纤探针与透波隔热材料之间需要铺一层真空袋防止光纤探头污染。
47.本发明还提供一种利用上述方法制备得到的汽车用碳纤维后视镜外壳。
48.本发明采用的微波设备为卧式微波炉，微波腔体呈圆柱形，内部直径1600mm，圆柱腔长2000mm，腔体两端为400mm深的圆弧面，整个腔体总长度为2800mm。所述模具摆放位置的支架与圆柱腔底部的距离为400mm，模具进行往复直线运动的初始位置可以在距离炉门80-600mm的范围内任意设置。本发明中，微波从圆柱腔体左右两侧的磁控管发出，由波导直接传输至微波腔内部。
49.本发明提供一种异形碳纤维复合材料汽车后视镜的微波固化加热方法，汽车后视镜外壳形状复杂，同时拥有平面和曲面，微波在模具内经过各种折射，相比简单的平面结构微波的传导更加复杂，需要各种条件配合才能成功固化。以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
50.实施例1
51.图1为本发明微波固化仪器设备示意图；其中，
①
、
②
、
③
、
④
、
⑤
、
⑥
为磁控管控制的微波输入口。
52.图2为本发明模具摆放位置图；其中，1为支架，2为模具。
53.图3为制备汽车用碳纤维后视镜外壳微波固化封装方式示意图。
54.本实施例使用的模具为聚四氟乙烯模具。
55.1)如图1所示，在模具1表面涂刷三次脱模剂，然后使用2层单向t300碳纤维/环氧树脂预浸料2在模具1上进行同方向铺层，再依次铺设脱模布3、隔离膜4(聚烯烃无孔隔离膜)和透气毡5，采用真空袋8将模具1进行封装，并将真空管9的一端用密封胶条封与袋内，装封装完成后，在真空袋表面铺设一层保温棉6；
56.2)在真空袋8外表面粘贴6个测温光纤探针7，6个测温光纤探针，对应连接6根测温光纤，测温光纤另一端经仪器引出至微波腔外，摆放位置如图2所示：1、2号测温光纤探针位于铺层后模具1的底层，3、4、5、6号测温光纤探针分别放置在已铺层模具的四个侧面，用于监测纤维末梢区域的温度变化情况；在粘贴完测温光纤探针7的真空袋8外层再采用真空袋8进行二次封装，防止光纤探头污染；真空袋采用密封胶带密封并用真空管进行抽真空(真空度为150mbar)；
57.3)在抽真空的真空袋8外层包裹石棉布，然后将预处理好的模具安装到微波腔内的下层支架距中心右侧200mm处上，开始微波固化流程，具体为：
58.s1、微波设备为卧式微波炉，微波腔体呈圆柱形，内部直径1600mm，圆柱腔长2000mm，腔体两端为400mm深的圆弧面，整个腔体总长度为2800mm。装有模具的支架与圆柱腔底部的距离为400mm；
59.s2、将模具调整至靠近炉门500mm处，关闭炉门后同时开启1-6号磁控管，每个磁控管的输出功率设置为100w，开启微波输出2s后开启模具的往复直线运动，运动速率为0.01m/s，运动路程为200mm；微波辐照23min后将6个磁控管的输出功率都调整为150w，微波输出总功率为900w，29min后(总功率为900w时)开始保温，6个测温点的升温曲线如图3所示。可以看出，整个升温过程中出现的最大温差为温度最高120℃处，最高点与最低点温差22.8℃(本发明的保温是间歇加热，具体是指保持在该温度下持续进行保温，通过调控功率开关，使其温度一直保持在相应范围内，超出范围则立即关闭功率输出)。
60.s3、最高点温度到达120℃时开始计时保温90min，保温期间微波功率(900w)间歇式输出以维持模具中层合板各点温度，各点温度在其保温期间以其保温开始时温度为基准，在五度范围以内波动，并维持往复支架的持续运转。保温结束后关闭微波辐照并打开炉门，取下石棉布让模具自然冷却并停止抽真空，待温度降至五十度时取下测温光纤探针，拆开真空袋，即制得碳纤维/环氧树脂汽车后视镜模型(汽车用碳纤维后视镜外壳)。
61.将制备好的碳纤维/环氧树脂汽车后视镜模型的底部、侧面各取一块样品进行热重测量，发现所制得汽车后视镜完全固化。
62.实施例2
63.本实施例使用的模具为石英模具。
64.步骤1)、步骤2)同实施例1，区别在于，步骤3)的微波固化流程，具体为：
65.s1、微波设备为卧式微波炉，微波腔体呈圆柱形，内部直径1600mm，圆柱腔长2000mm，腔体两端为400mm深的圆弧面，整个腔体总长度为2800mm。装有模具的支架与圆柱腔底部的距离为400mm；
66.s2、将模具调整至靠近炉门500mm处，关闭炉门后同时开启1-6号磁控管，每个磁控管的输出功率设置为100w，开启微波输出2s后开启模具的往复直线运动，运动速率为0.01m/s，运动路程为200mm；微波辐照30min后将6个磁控管的输出功率都调整为150w，在150w功率下持续28min以后将6个磁控管的输出都调整为200w，在200w功率下持续13min后微波辐照结束，结束后关闭微波辐照并打开炉门，取下石棉布让模具自然冷却并停止抽真空，待温度降至五十度时取下测温光纤探针，拆开真空袋，即制得碳纤维/环氧树脂汽车后视镜模型(汽车用碳纤维后视镜外壳)。整个升温过程中出现的最大温差为24.6℃。
67.实施例3
68.同实施例1，区别在于，本实施例使用的模具为刚玉模具。经检测，本实施例制备的碳纤维/环氧树脂汽车后视镜模型完全固化，且表面光滑无翘曲。
69.实施例4
70.同实施例1，区别在于，步骤3)s1中，将模具放置于下层支架中心。发现本实施例整个升温过程中出现的最大温差为17.0℃。
71.对比例1
72.1)与实施例1的区别仅在于，使用5层单向t300碳纤维/环氧树脂预浸料；
73.2)同实施例1步骤2)；
74.3)与实施例1的区别仅在于，s2中，将模具调整至靠近炉门1000mm处，关闭炉门后同时开启2、3、4、6号磁控管，每个磁控管的输出功率设置为150w，开启微波输出2s后开启模具的往复直线运动，运动速率为0.01m/s，运动路程在200mm范围内；微波辐照47min后开始
保温。经检测，整个升温过程中出现的最大温差为67℃。所制得汽车后视镜未完全固化。
75.对比例2
76.1)同实施例1步骤1)；
77.2)与实施例1的区别仅在于，步骤2)中，不进行抽真空处理；
78.3)与实施例1的区别仅在于，步骤3)中，不包裹石棉布。
79.经检测，整个升温过程中出现的最大温差为72℃。所制得汽车后视镜未完全固化。
80.试验例1
81.用常规固化方法进行固化，使用电热鼓风干燥箱进行常规加热，控制总功率为2230w，在该功率下持续保温140min，得到完全固化的产品。
82.该方法与实施例1固化方法能耗对比如表1所示。
83.表1
[0084][0085]
从表1中可以看出，本发明实施例固化方法比常规固化能耗节约34％(由于本发明属于间歇式加热，所以功率输出时间短，而常规固化方法中功率是持续输出，输出时间较长)。
[0086]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。