樹脂基碳纖維復(fù)合材料的自阻電加熱固化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及復(fù)合材料的加熱固化研究領(lǐng)域，具體是一種樹脂基碳纖維復(fù)合材料的 自阻電加熱固化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 先進復(fù)合材料因其具有比強度、比剛度高以及質(zhì)量輕等一系列優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于 航空航天、能源、交通以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。一般來說先進復(fù)合材料是由高體積分數(shù)的纖維和 中高溫樹脂體系復(fù)合而成，纖維是增強復(fù)合材料剛度和強度的組分，纖維的含量越高，結(jié)構(gòu) 的強度和剛度就越大。樹脂基碳纖維復(fù)合材料指的是以碳或石墨纖維為增強體，并與樹脂 進行復(fù)合而成的，其中碳纖維的性能好、纖維類型和規(guī)格多、成本適中，同時碳纖維也是一 種較好的導(dǎo)電填料，能在很小的填充量下達到很高的導(dǎo)電性能，因此樹脂基碳纖維復(fù)合材 料具有較高的導(dǎo)電性能，在復(fù)合材料的加熱固化中，可利用這一特性對復(fù)合材料預(yù)成形體 進行通電加熱固化。
[0003] 由于碳纖維為導(dǎo)電材料，樹脂為絕緣體，因此采用通電的方式對鋪設(shè)完成的樹脂 基碳纖維預(yù)浸料鋪層進行自阻加熱時，電流只能從碳纖維中通過并由自身電阻產(chǎn)生焦耳 熱，然后將熱量傳遞給周圍的樹脂。對于樹脂基碳纖維復(fù)合材料，其固化的過程就是成形的 過程，這個過程可分為三個階段，第一個階段是升溫階段，第二個階段是保溫階段，第三個 階段為降溫階段。在升溫階段，樹脂基碳纖維預(yù)成型體的溫度逐漸上升，隨著溫度的上升樹 脂的流動性增強，此時樹脂基碳纖維預(yù)成形體中的碳纖維被樹脂充分潤濕，而樹脂基碳纖 維預(yù)浸料表面的壓力則在短時間內(nèi)迅速上升到最大值后保持最大的壓力值不變;在保溫階 段，壓力保持升溫階段達到的最大值不變，此時對復(fù)合材料施加的壓力可擠壓出預(yù)成形體 中的空氣、除去空隙并實現(xiàn)纖維的均勻分布;在降溫階段，關(guān)閉電源使樹脂基碳纖維預(yù)浸料 的溫度逐漸恢復(fù)至室溫，最終得到符合要求的樹脂基碳纖維復(fù)合材料零件。
[0004] 中國專利CN 1730203A(金屬基復(fù)合材料電流直加熱動態(tài)燒結(jié)熱壓制備方法及裝 置)介紹了一種金屬基復(fù)合材料的電流直加熱動態(tài)燒結(jié)熱壓制備裝置，它包括電流直加熱 動態(tài)燒結(jié)熱壓爐、熱壓燒結(jié)模具，熱壓燒結(jié)模具由普碳鋼外框、模具、陶瓷絕緣層構(gòu)成。該發(fā) 明使電流通過產(chǎn)品而不通過模具，通過大電流引起材料自身電阻發(fā)熱，利用燒結(jié)過程中電 流的特征與被燒結(jié)材料溫度的關(guān)系，并且通過控制電流的特征短時間內(nèi)完成燒結(jié)過程。然 而這種裝置僅適用于粉末燒結(jié)的方式成形出金屬基復(fù)合材料，而不能適用于碳纖維復(fù)合材 料的加熱固化。一般對于碳纖維復(fù)合材料，傳統(tǒng)的加熱固化方式主要是熱傳導(dǎo)與熱輻射，這 種加熱方式的加熱時間長，熱量傳遞速度慢。因此，需要一種適合于樹脂基碳纖維復(fù)合材料 的加熱固化方法，來解決傳統(tǒng)加熱方式中加熱時間長，熱量傳遞速度慢以及成本高等問題， 采用通電加熱的方式固化成形出質(zhì)量滿足要求的樹脂基碳纖維復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對傳統(tǒng)固化成形復(fù)合材料時存在的不足，解決傳統(tǒng)加熱方式中加熱時間長，熱 量傳遞速度慢，以及成本高的問題，本發(fā)明提出了一種樹脂基碳纖維復(fù)合材料的自阻電加 熱固化方法。
[0006] 本發(fā)明的具體過程是：
[0007] 步驟1，表面清洗;通過清洗去除各矩形的樹脂基碳纖維預(yù)浸料長邊的兩端的樹 月旨，使該樹脂基碳纖維預(yù)浸料兩端的碳纖維暴露出來，用于埋設(shè)電極。清洗的長度均為10~ 15mm;所述樹脂基碳纖維預(yù)浸料的數(shù)量為偶數(shù)。
[0008] 步驟2,鋪疊樹脂基碳纖維預(yù)浸料。將經(jīng)過清洗的各樹脂基碳纖維預(yù)浸料進行鋪 疊，并使相鄰的兩層樹脂基碳纖維預(yù)浸料之間成90°鋪疊，直至將所有樹脂基碳纖維預(yù)浸料 鋪疊完，得到樹脂基碳纖維預(yù)浸料預(yù)成形體。當(dāng)鋪疊至預(yù)成形體中部鋪層時，在兩層樹脂基 碳纖維預(yù)浸料之間放置兩個涂有導(dǎo)電膏的電極，并使所述兩個電極均位于樹脂基碳纖維預(yù) 浸料長邊的兩端。將所述電極的導(dǎo)線引出。所述預(yù)成形體采用樹脂基碳纖維預(yù)浸料進行鋪 置。
[0009] 步驟3，工裝準(zhǔn)備。在所述"C"形件的模具表面鋪設(shè)一層絕緣材料;將上述安放有電 極的樹脂基碳纖維預(yù)浸料預(yù)成形體放置在該絕緣材料上;在樹脂基碳纖維預(yù)浸料預(yù)成形體 上表面等距放置有三個熱電偶，各熱電耦分別與溫度控制器連接。
[0010] 采用真空袋組合單元將上述鋪設(shè)好的樹脂基碳纖維預(yù)成形體、電極、模具和熱電 偶按照現(xiàn)有技術(shù)密封在一起，抽取袋中的空氣直至真空狀態(tài)后放入壓力罐中，電源位于壓 力罐的外部，通過導(dǎo)線與壓力罐內(nèi)部真空袋中的電極連接。
[0011] 所述真空袋組合單元包括真空袋、透氣氈、吸膠材料和有孔隔離膜。將模具置于真 空袋內(nèi)底層，在該模具的上表面依次鋪設(shè)絕緣材料和透氣氈;將樹脂基碳纖維預(yù)浸料預(yù)成 形體放置在透氣氈的上表面。在所述透氣氈的上表面鋪設(shè)吸膠材料;在所述吸膠材料的上 表面再鋪設(shè)第二層透氣氈。將所述有孔隔離膜鋪設(shè)在第二層透氣氈的上表面。完成上述鋪 設(shè)后，用密封膠將真空袋密封。
[0012] 步驟4,確定加熱固化參數(shù)。所述加熱固化參數(shù)包括樹脂基碳纖維預(yù)浸料預(yù)成形體 的電阻和通過樹脂基碳纖維預(yù)浸料預(yù)成形體電流的強度。
[0013] 通過公式1確定樹脂基碳纖維預(yù)浸料預(yù)成形體的電阻R:
[0015]通過公式2和3確定樹脂基碳纖維預(yù)浸料預(yù)成形體電流的強度I
[0018]其中，R是樹脂基碳纖維預(yù)成形體的電阻，Pf是碳纖維的電阻率，Lx是預(yù)成形體的長 度，Vf是碳纖維的體積分數(shù)，Ly是預(yù)成形體的寬度，eo是預(yù)成形體鋪層的總厚度，I是需要設(shè) 定的通過樹脂基碳纖維預(yù)成形體的電流強度，ε是樹脂基碳纖維預(yù)成形體的發(fā)射率,A 1是預(yù) 成形體的散熱表面積，σ是斯特藩-玻耳茨曼常數(shù)，T1是預(yù)成形體預(yù)期保溫溫度，1~ 2是實驗室 室溫。步驟5,通電加熱固化。根據(jù)確定的加熱固化參數(shù)，對樹脂基碳纖維預(yù)浸料預(yù)成形體通 入確定的直流電流，使樹脂基碳纖維預(yù)浸料預(yù)成形體以2~5°C/min的升溫速率升溫至170 ~190°C;當(dāng)加溫至170~190°C時開始保溫。在通電流的同時，抽真空對壓力罐加壓至0.4~ 0 · 6MPa，對樹脂基碳纖維預(yù)浸料預(yù)成形體施加壓力。當(dāng)壓力罐的壓力達到0 · 4~0 · 6MPa后關(guān) 閉氣體閥門保壓，使預(yù)成形體表面上的壓力保持該壓力不變直到完成復(fù)合材料的固化成 形。
[0019] 同時用溫度控制器對預(yù)成形體的溫度進行監(jiān)測和記錄。
[0020] 步驟6,取出樹脂基碳纖維復(fù)合材料零件。關(guān)閉電源，卸載壓力罐內(nèi)的壓力，以2~5 °C/min的降溫速率對所述待預(yù)成形體的溫度降溫至室溫。壓力卸載完畢后，打開壓力罐，從 真空袋中取出固化的樹脂基碳纖維復(fù)合材料零件。
[0021] 本發(fā)明采用通電加熱碳纖維的方式提供樹脂固化所需的熱量，同時結(jié)合壓力罐提 供的壓力成型，最終獲得所需要的零件。
[0022] 本發(fā)明將電加熱的方式應(yīng)用到纖維增強型復(fù)合材料中去，對樹脂基碳纖維復(fù)合材