一种替代金属的无纺纤维复合材料成型方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纤维复合材料的成型方法，具体涉及一种替代金属的无纺纤维复合材料成型方法。
【背景技术】
[0002]采用纤维复合材料替代钢材已在工业界广泛应用，目前主要用碳纤维与树脂复合制作替代钢材的复合材料，而用碳纤维复合材料生产工艺存在以下几个问题:
1.生产成本高，即使是低端用于民用的碳纤维也要20-40万/吨；
2.能耗高，碳纤维需先生成化纤，再在高温和真空环境中碳化成碳纤，由于我国是煤消耗能源大国，所以大规模使用碳纤维对环境压力很大；
3.效率低:碳纤维复合材料纺织成布后，逐层平铺采用靠模法定型，生产效率很低；
4.承载能力异性:碳纤维在平铺中厚度方向无纤维增强，因此碳纤有很好的抗拉能力，但抗剪能力不突出。
[0003]由于碳纤维无法用普通无纺工艺进行生产，主要是由于碳纤太脆，无法完成一般无纺设备的针刺过程，故无纺纤维的优势一直未被机械行业所认识，鲜有采用无纺纤维制备替代钢材的复合材料的报道。而传统纤维应用属于纺织行业，纺织行业与机械工程之间存在巨大技术鸿沟，也导致纤维及纺织工艺的有些特性未被机械领域所认识。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种成本低、节能降耗的替代金属的无纺纤维复合材料成型方法，用该方法制备的纤维复合材料具有较高的机械强度。
[0005]为实现本发明目的采用的技术方案如下:
替代金属的无纺纤维复合材料成型方法，包括以下步骤:
1、采用抗拉强度大于SOOMPa的高强纤维作为原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理工序，但不进行针刺，使纤维进行良好的混合成为蓬松状态的无纺纤维；
2、采用干法:将蓬松状态的无纺纤维置入模具的模腔内并模压(挤压或冲压)定形；
3、在真空环境下向模腔内注入强度大于40MPa的树脂，加热固化定型成工件(对于不同的树脂，可以采用相应公知的固化条件)；
4、将工件从模具内取出，采用水切割工艺对工件的压边或局部进行修整，得成品。
[0006]本发明的另一种成型方法，包括以下步骤:
1、采用抗拉强度大于SOOMPa的高强纤维作为原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理、预针刺工序，制成所需厚度的无纺布；
2、采用湿法:将无纺布先浸于强度大于40MPa的树脂中，待树脂浸透后取出，再置于模具中挤压成型，加热固化定型；
3、将工件从模具内取出，采用水切割工艺对工件的压边或局部进行修整，得成品。
[0007]所述高强纤维的抗拉强度大于2.0GPa,以增加工件的结构强度。
[0008]所述无纺布生产流程中在梳理和预针刺之间增加铺网工序，以便于后续工序中纤维定形。
[0009]本发明的有益效果:
本发明采用高强化纤与高强树脂基复合，化纤采用无纺模式，它具体有以下优点:成本低:我国是化纤生产大国，某些高端化纤如(维尼纶、芳纶等)只有1.8-2万元/吨，其强度和模量已达到了低端碳纤的水平。
[0010]能耗低:无真空高温碳化过程，尤其维尼纶不需要石油生产，采用石灰石作原料很适合国情。
[0011]采用无纺工艺效率高:无需逐层平铺，采用模具一次压成，其纤维含量可根据要求自由调节。
[0012]由于无纺布存在厚度方向交织，故所制构件抗剪和抗冲击能力较强(但低于有针刺工艺)。
[0013]由于化纤具有一定的弹韧性，故在发生破坏时，不像碳纤制品会因脆裂而产生二次污染与伤害。
[0014]无针刺无纺纤维具有最大的优势是:所有纤维梳理都处在蓬松状态，理论上可以在体积量无限满足构件需求，这样可以很方便制造出体积大、高厚度的构件。
[0015]采用本发明方法所制备的测试样件已经达到抗拉强度518MPa，可达到高强钢的水平，且如果对树脂与化纤作一定优化，则完全可能获得更高的机械强度，故采用基于化纤的无纺布复合材料具有可替代钢材的能力和条件。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
【附图说明】
[0016]图1是本发明方法采用湿法生产制件的工艺流程图。
[0017]图2是本发明方法采用湿法制备的电机后盖示意图。
[0018]图3是本发明方法采用干法生产制件的工艺流程图。
[0019]图4是本发明方法采用干法制备的汽车车轮毂示意图。
[0020]图5是本发明方法米用干法制备的变速箱盖不意图。
【具体实施方式】
[0021]实施例1
某车型悬架摆臂湿法制作:其工艺如图1所示，采用拉伸强度2.4GPa的维纶纤维作为原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理、铺网和预针刺工序后，制成厚度为50-70mm的无纺布，将此无纺布浸于热固性树脂乙烯基酯树脂之中，使得树脂完全浸透无纺布，再将浸透的无纺布置于模具中，将其挤压成型，同时加热固化定型，加热温度为80-120度，保温时间为1-1.5小时，加工成工件，用水切割设备对工件的压边或局部进行修整。最终产品具有较好刚性和抗拉强度，抗拉强度可达到320MPa以上，同时，材料各向趋于同性，能够承受较高的冲击和剪切力。
[0022]实施例2
某电机后盖湿法制作:采用拉伸强度大于SOOMPa涤纶，按无纺布生产流程完成开松、梳理工序后，对无纺布进行预针刺，制成厚度为15?20mm的未喷胶的无纺布胚料，将无纺布胚料裁剪成合适尺寸的布料置于酚醛树脂浸泡池内，树脂强度大于40MPa，待将其浸透后，置入模腔内，将模具加热至80-100度，保温40-60分钟，待树脂彻底固化定型后，获得工件，如图2所示。最终产品具有较好刚性，同时，材料各向趋于同性。
[0023]实施例3
某车型前纵樑内板干法制作:其工艺如图3所示，采用拉伸强度2.4GPa的维纶纤维原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理、铺网和针刺工序后，制成厚度为8?12mm的未喷胶的无纺布胚料，采用干法，将无纺布胚料裁剪成合适尺寸的布料置入模具的模腔内，先将布料压紧，再对模腔抽真空，然后注入抗拉强度为60MPa的热固性树脂酚醛树脂，模具加热温度为180度，保温时间为I个小时，待树脂彻底固化定型成工件，用水切割设备对工件的压边或局部进行修整。最终产品具有较好刚性和抗拉强度，抗拉强度可达到300MPa以上，同时，材料各向趋于同性，能够承受较高的冲击和剪切力。
[0024]实施例4
某汽车车轮毂干法制作:采用拉伸强度大于2.SGPa的芳纶纤维原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理、铺网和针刺工序后，制成厚度为8?12mm的未喷胶的无纺布胚料，采用干法，将无纺布胚料裁剪成合适尺寸的布料置入模具的模腔内，先将布料压紧，再对模腔抽真空，然后注入环氧改性耐腐蚀树脂，模具加热温度为120度，保温时间为1-1.5小时，待树脂彻底固化定型成工件，如图4所示。最终产品具有较好刚性和抗拉强度，同时，材料各向趋于同性，能够承受较高的冲击和剪切力。
[0025]趋于同性，能够承受较高的冲击、剪切力和拉伸力。
[0026]实施例5
某变速箱盖干法制作:采用拉伸强度SOOMPa的涤纶纤维原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理、针刺工序后，制成厚度为10?25mm的未喷胶的无纺布胚料，采用干法，将无纺布胚料裁剪成合适尺寸的布料置入模具的模腔内，先将布料压紧，再对模腔抽真空，然后注入抗拉强度为60MPa热固性酚醛树脂，模具加热温度为180度，保温时间为I个小时，待树脂彻底固化定型成工件，用水切割设备对工件的压边或局部进行修整得成品，如图5所示。产品具有较好刚性和抗拉强度，抗拉强度可达到ISOMPa以上。
【主权项】
1.一种替代金属的无纺纤维复合材料成型方法，其特征是包括以下步骤: 步骤一、采用抗拉强度大于SOOMPa的高强纤维作为原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理工序，但不进行针刺，使纤维进行良好的混合成为蓬松状态的无纺纤维； 步骤二、采用干法:将蓬松状态的无纺纤维置入模具的模腔内并模压定形； 步骤三、在真空环境下向模腔内注入强度大于40MPa的树脂，加热固化定型成工件； 步骤四、将工件从模具内取出，采用水切割工艺对工件的压边或局部进行修整，得成品O2.根据权利要求1所述的替代金属的无纺纤维复合材料成型方法，其特征是所述高强纤维的抗拉强度大于2.0GPa03.根据权利要求1或2所述的替代金属的无纺纤维复合材料成型方法，其特征是所述无纺布生产流程中在梳理之后增加铺网工序。
【专利摘要】本发明公开了一种替代金属的无纺纤维复合材料成型方法，包括以下步骤：1、采用抗拉强度大于800MPa的高强纤维作为原料，按无纺布生产流程完成开松、梳理工序，但不进行针刺，使纤维进行良好的混合成为蓬松状态的无纺纤维；2、采用干法：将蓬松状态的无纺纤维置入模具的模腔内并模压定形；3、在真空环境下向模腔内注入强度大于40MPa的树脂，加热固化定型成工件；4、将工件从模具内取出，采用水切割工艺对工件的压边或局部进行修整，得成品。采用本发明方法所制备的测试样件已经达到抗拉强度518MPa，可达到高强钢的水平。
【IPC分类】B29C70/54, B29C70/46, B29C70/36
【公开号】CN104999673
【申请号】CN201510344280
【发明人】韩旭, 毛建中, 李凡, 钟志华
【申请人】湖南大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年6月19日