利用TTT图与正交试验优化复合材料板簧制作工艺的方法与流程

本发明涉及到一种复合材料板簧的制作方法，尤其是指一种预浸料复合材料板簧制作工艺方法；该种预浸料复合材料板簧制作工艺方法可以有效优化预浸料复合材料板簧的工艺；属于预浸料复合材料板簧制作。

背景技术：

1、自20世纪30年代连续玻璃纤维生产技术得到开发，并成功用于增强酚醛树脂开始，复合材料已有80多年的发展历史。先进复合材料的发展以满足航空航天需求为主，但随着它的优点被广为认知，以及使用经验的不断积累，复合材料的应用范围不断扩大，在船舰、交通、能源、建筑、机械以及休闲等领域也得到了越来越多的应用。近年来，复合材料在汽车中的应用范围逐步扩大，从使用条件好、质量占比低的装饰性部件，扩展到对行车安全具有重大影响的关键承载零部件，如板簧、传动轴等。

2、板簧是支撑起汽车主体部分的关键弹性元件，在悬架系统中广泛应用。传统的钢板簧由多片钢板组成，重量大，断裂风险大，疲劳寿命短，且制备工艺繁杂。复合材料板簧是传统钢板弹簧绝佳的替代品，相对于传统的多组片钢板弹簧，只需一片结构就能替代钢板弹簧的多片结构，且减重效果可达到50％以上。除此之外，复合材料板簧还拥有疲劳寿命长，物理化学性能稳定，耐极端环境，噪音小，易拆装等优点。

3、目前复合材料板簧在国内外己经实现稳定的产业化生产，使用的复合材料板弹簧成型工艺主要为预浸料模压工艺；所谓的预浸料模压工艺是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物，是制造先进复合材料的中间材料。预浸料的强化材料主要有碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等，基体材料主要有环氧树脂、聚酯树脂、热可塑性树脂等。复合材料的力学性能与化学性能在很大程度上取决于预浸料的内在质量，预浸料性能的优劣直接关系到复合材料的质量。因此，预浸料对复合材料的应用和发展具有重要意义；模压成型方法具有生产效率较高，制品尺寸精确，材料的表面光洁等优点，尤其对形状复杂的制品一般可一次成型，不会损坏复合材料制品性能。其主要不足之处是模具设计和制造复杂，模压设备成本高，初次投入费用较大，而且预浸料树脂的交联和固化程度对复合材料的性能起决定性作用，对于复合材料固化工艺的研究，主要体现在固化工艺的参数设定上，控制好工艺参数是固化工艺取得成功、产品质量得到保障的关键所在，但是目前的这些工艺参数的设定一直都是依靠经验手段反复试验获得，但这样既繁琐，又不准确，还费时费事，也难以找到最为优化的合适数据值，因此急需要对此加以改进。

4、经过专利检索，也尚未发现有相关的专利技术文献报道，最为相接近的专利文献有以下几个：

5、1、中国专利号为cn201210322997.3，名称为“一种纤维增强塑料板式弹簧的制造方法”的发明专利申请，公开了一种纤维增强塑料板式弹簧的制造方法，主要包括以下步骤：预浸料、裁剪、铺层、热成型、后处理。其实施过程：将单向纤维预浸料与双向纤维预浸料中的裁剪成所需形状，并按设定的铺层方式贴合在模具上制成预成型体。预成型体可以是单向预浸料及双向预浸料中的一种或几种铺设而成。预成型体经由层压成型、后热处理及机加工即可制成所需的复合材料板式弹簧。板簧的热成型通过温度、时间及压力进行控制。

6、2、专利号为cn201810978180.9，名称为“一种模压复合材料板簧生产工艺方法”的发明专利申请，该专利公开了一种模压复合材料板簧生产工艺方法。包括以下生产步骤：a:制坯，在铺叠模上铺叠预浸料，再对预浸料进行切割形成整块坯料；b:整块坯料切割，沿板簧长度方向对整块坯料进行切割，将整块坯料切割成数块单根坯料，单根坯料的宽度为板簧的宽度；c:入模，将切割好的单根坯料放入预成型模具中预压实形成预成型板簧；d:烘箱预加热，将预成型板簧依次放入烘箱加热到工艺要求预定的温度；e:模压及固化，将加热到预定温度的预成型板簧放入压机内加温加压固化；f:脱模，将固化完成的板簧从模具中脱出。

7、3、专利申请号为cn202110935849.8，名称为“基于预浸料成型的复合材料板簧本体的制备方法”的发明专利申请，该专利公开了一种基于预浸料成型的复合材料板簧本体的制备方法，包括：将与复合材料板簧本体形状相同的预浸料铺设在模具的模腔内，以得到预成型板簧；铺设过程中，每铺设至少一层预浸料，在该至少一层预浸料的表面铺设一层纤维毡，并通过带有倒钩的针头，以拱形的形式将该一层纤维毡中的纤维段的两端嵌入到该至少一层预浸料中；封闭该模具并注入树脂材料；通过加压以及加热的方式固化该预成型板簧，以得到复合材料板簧本体。

8、通过上述专利的描述，可以看出目前虽有关于复合材料板簧制作的相关方法的改进文献报道，但是都在如何确定工艺参数选择方面缺乏改进，都是采用的常规方法，因此前面所述的问题依然存在，仍有待进一步加以研究。

技术实现思路

1、本发明是针对目前预浸料复合材料板簧制作所存在的一系列问题，提出的一种改善预浸料复合材料制作板簧的工艺的方法，该方法可以大大节约工艺制作时间，还可以优化工艺效果，提高产品质量。

2、为了达到这一目的，本发明提供了一种利用ttt图与正交试验优化复合材料板簧制作工艺的方法，先根据板簧的要求选定预浸料材料，再根据所确定的预浸料建立固化动力学的唯象模型，结合非等温dsc、等温dsc和dibenedetto方程，分析出预浸料体系玻璃化转变温度与固化度之间的关系，从而得到预浸料玻璃化转变温度tg与时间t和温度t的数学关系，绘制出所选预浸料的ttt图，再结合预浸料自身的凝胶时间数据和凝胶模型，利用正交试验的方法计算出了凝胶时间tgel和温度t的关系，进行预浸料模压工艺固化制度优化。

3、进一步地，所述的选定预浸料材料是根据复合材料板簧的受力情况，采用热力学分析，采用差示扫描量热法(dsc)测定不同升温速率下预浸料体系的起始放热温度、最高放热温度和终止放热温度选择预浸料材料，确定制作板簧的材料为玻璃纤维/环氧树脂预浸料：纤维密度为1500-1700g/m2，树脂含量为30-36％(质量份数)。

4、进一步地，所述的根据所确定的预浸料建立固化动力学的唯象模型是采用差示扫描量热法(dsc)对玻璃纤维/环氧树脂预浸料进行分析，差示扫描量热法测试分为非等温dsc测试和等温dsc测试两个部分；测试过程中使用氮气氛围进行保护，气流量为100-110ml/min，从而建立固化动力学的唯象模型。

5、进一步地，所述的非等温dsc测试是准确称取20～25mg预浸料样品于铝制坩埚中，设定温度范围为25℃～250℃，升温速率分别为5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min；为获得未固化时的玻璃化转变温度tg0和固化完全时的玻璃化转变温度tg∞，将预浸料样品在-50℃～250℃的温度范围内以10℃/min的升温速率进行一次全动态扫描，然后迅速降至-50℃，将树脂样品在-50℃～250℃的温度范围内以10℃/min的升温速率进行第二次全动态扫描。

6、进一步地，所述的等温dsc测试是准确称取20～25mg预浸料样品于铝制坩埚中，将样品从25℃迅速升至120℃，在120℃下分别恒温保持0min、5min、10min、15min、20min、26-35min、40min，迅速降至室温，再以10℃/min的速率升温至250℃。

7、进一步地，所述的建立固化动力学的唯象模型是以不同升温速率(5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min)对预浸料进行非等温dsc表征，得到各升温速率β对应的起始放热温度ti、最高放热温度tp、终止放热温度t；随着升温速率的提高，最高放热温度tp逐渐增加，然后通过kissinger方程和crane方程拟合计算出反应动力学参数，建立预浸料固化反应动力学模型。

8、进一步地，所述的绘制出所选预浸料的ttt图是以温度为纵坐标，时间的对数为横坐标，将根据得到的固化度曲线、玻璃化转变曲线、tg0、tg∞、凝胶时间曲线集合起来，即可得到所确定预浸料体系的ttt图。

9、进一步地，所述的固化度曲线为根据预浸料固化反应动力学模型中的固化反应动力学方程式所获得的不同固化度对应的时间与温度之间的关系曲线。

10、进一步地，所述的玻璃化转变曲线为根据对预浸料进行第一次全动态扫描(10℃/min)和第二次全动态扫描(10℃/min)的曲线分析，第1次扫描的曲线在低温段(0℃以下)有一个小的基线偏移，由此可以确定出反应物未固化时的玻璃化转变温度(tg0)；由第2次扫曲线的基线偏移便可以确定出反应物完全固化时的玻璃化转变温度(tg∞)；令该预浸料体系的固化温度等于玻璃化转变温度，可得到玻璃化转变温度与固化时间之间的关系式；以固化时间(lnt)为横坐标，温度(t)为纵坐标作图，可得到ttt图中的“s”型玻璃化转变温度线。

11、进一步地，所述的tg0、tg∞、凝胶时间曲线为以不同固化度的凝胶时间(lntgel)为纵坐标，绝对温度的倒数(1/t)为横坐标作图，进行线性拟合，即可得到ttt图中的t-tgel关系，再由预浸料自身不同温度下树脂的凝胶时间获得lntgel与1/t的关系图；再通过线性拟合可得a1＝-20.36，ea/r＝9057.55，可得t-tgel关系为：

12、

13、式中：t为绝对温度，t为凝胶时间

14、通过上式计算得到的预浸料树脂体系的凝胶曲线。

15、进一步地，所述的利用正交试验的方法计算出了凝胶时间(tgel)和温度(t)的关系是将现有常规的复合材料板弹簧模压工艺过程绘制于ttt图上，在90-110℃保持26-35min同时施加2mpa的压力，使树脂充分流动浸润纤维，然后升温至150-160℃的同时将压力增加至12mpa，固化26-30min，在保压的情况下迅速降温至85-90℃脱模；由ttt图可知，加压时预浸料的固化度为0.5，且在加压固化的过程中预浸料已完全固化；然后从减少反应时间和降低反应温度两方面入手，根据固化反应动力学分析及ttt图可得，当t＝110℃时，预浸料达到0.5的固化度需15min；当t＝85-90℃时，预浸料达到0.5的固化度需55-60min；结合现有固化工艺，将预热温度设置为90～110℃，预热时间设置为15～26-35min，进行一系列正交实验，从中选择出最优的固化工艺，进行预浸料模压工艺固化制度优化。

16、进一步地，所述的正交实验是将预浸料的预热时间和预热温度作为影响因素，进行了二因素三水平的正交实验，制备了一系列复合材料层合板，并对其进行拉伸、弯曲等力学性能测试。

17、本发明的有益技术效果是：

18、本发明利用ttt图；具有如下一些优点：

19、1)本发明根据板簧的特点建立了玻璃纤维与环氧树脂预浸料的固化反应动力学唯象模型。计算得到了不同固化度对应的时间与温度关系，以及不同温度下达到特定固化度所需时间，绘制出了ttt图中的等固化度线，为固化度的控制提供了理论依据；

20、2)本发明结合dsc的动态和恒温两种模式，在dibenedetto方程的基础上研究了预浸料体系玻璃化转变温度与固化度之间的关系，绘制出了ttt图中的玻璃化转变曲线，为玻璃化转变温度的预测提供了科学的工具；

21、3)本发明建立了预浸料中树脂的凝胶模型。预报了树脂的凝胶行为，建立了ttt图中的凝胶曲线；

22、4)本发明建立了7901dnk预浸料体系的ttt图，展示了预浸料在固化过程中凝胶及玻璃化转变之间的关系，配合等固化度曲线指出了其在不同温度时间点上的固化度。使用ttt图验证了现有固化工艺条件，提出了优化改进意见；

23、5)本发明通过正交试验得到优化后的7901dnk预浸料模压工艺方法：在1mpa85-90℃的预热条件下，将预浸料置于模具中预热18-22min，随后升温加压至4mpa150-160℃下，固化26-30min。当预浸料降温至60℃时卸压，降温至室温时脱模。在此工艺下制备的复合材料层压板拉伸强度为1300mpa，弯曲强度为1670mpa。该方法缩短了模压时间，提高了层合板的力学性能。