本發(fā)明涉及一種碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的制備方法及所得異形工字梁。

背景技術(shù)：

碳纖維是含碳量較高且熱處理過(guò)程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)過(guò)熱穩(wěn)定氧化處理及石墨化等工藝制成的.碳纖維具有耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性，其外形有顯著的各項(xiàng)異性、柔軟，可加工成各種織物，碳纖維沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，碳纖維比重較小，具有很高的比強(qiáng)度。

碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成結(jié)構(gòu)材料。在要求高溫、力學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢(shì)。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)材料提出了較高的要求，碳纖維復(fù)合材料制作的結(jié)構(gòu)件由于具有高強(qiáng)度、高模量、輕量化的特點(diǎn)有較好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有工字梁主要使用金屬材料，它存在重量大，耐腐蝕性能差、使用周期短等缺點(diǎn)。而碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、制件力學(xué)性能優(yōu)異、安全性高、可設(shè)計(jì)性和零部件一體化成型等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，充分滿足較高裝配精度要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的制備方法及所得異形工字梁，碳纖維復(fù)合材料異形工字梁承載能力大、剛性好、自重輕、表面光潔度高、制品孔隙率低、外表面尺寸和樹脂含量能精確控制，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、制備碳纖維復(fù)合材料異形工字梁預(yù)制體：首先將定型劑按3-8g/m² 的質(zhì)量施撒在碳纖維織物上，并熱定型，待碳纖維織物定型結(jié)束利用裁剪機(jī)將織物裁剪成所需形狀，然后將裁剪成指定形狀的織物鋪貼在預(yù)先準(zhǔn)備好的模具上，得到預(yù)制體，待鋪層完畢后將預(yù)制體置于真空袋里密封保存；

步驟2、復(fù)合材料液體成型：預(yù)制體置于模具里，并用螺栓鎖緊模具，將鎖緊的模具置于加熱設(shè)備里，并將模具與真空設(shè)備與注膠設(shè)備連接，加熱模具；同時(shí)將熱固性樹脂置于注膠設(shè)備里加熱，模具加熱溫度設(shè)定為110-150℃，熱固性樹脂加熱溫度設(shè)定為90-140℃，待模具與熱固性樹脂溫度達(dá)到設(shè)定溫度，將熱固性樹脂注入模具里含浸碳纖維織物，當(dāng)熱固性樹脂充分含浸碳纖維織物時(shí)，結(jié)束注入熱固性樹脂并固化成型，獲得碳纖維復(fù)合材料異形工字梁粗成品；

步驟3、粗成品處理：對(duì)所述碳纖維復(fù)合材料異形工字梁粗成品進(jìn)行邊緣切割，打磨，得到碳纖維復(fù)合材料異形工字梁成品。

進(jìn)一步地，步驟1中，織物每鋪貼3-8層對(duì)預(yù)制體熱定型一次，來(lái)控制制件厚度，熱定型溫度60-80℃，定型時(shí)間為25-45min，定型結(jié)束自然冷卻至室溫。

進(jìn)一步地，步驟2中，在熱固性樹脂含浸碳纖維織物之前需要對(duì)熱塑性樹脂脫泡，脫泡時(shí)間為15-40min。

進(jìn)一步地，步驟2中，將注膠壓力控制在2-6bar，并在注膠過(guò)程中排出樹脂和碳纖維復(fù)合材料異形工字梁預(yù)制體里的氣泡。

進(jìn)一步地，步驟2中，控制模具加熱的升溫速率為2-3℃/min。

進(jìn)一步地，步驟2中，將固化過(guò)程分為兩個(gè)過(guò)程，固化與后固化，固化溫度為150-200℃，時(shí)間設(shè)定為含浸的樹脂完全固化的時(shí)間，后固化溫度為220-250℃，加熱時(shí)間設(shè)定至成品所能達(dá)到最高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的時(shí)間。

進(jìn)一步地，熱固性樹脂基體采用不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂或酚醛樹脂中的一種或兩種以上組合。

進(jìn)一步地，碳纖維織物采用單向布、雙軸向布、三軸向布、平紋布、緞紋布、斜紋布。

進(jìn)一步地，所得碳纖維復(fù)合材料異形工字梁包括緣條、端頭和腹板，腹板的上下兩側(cè)分別垂直設(shè)置緣條，腹板的前后兩端分別垂直設(shè)置端頭，且端頭的上下兩側(cè)分別垂直連接緣條形成封閉結(jié)構(gòu)，緣條采用曲面形狀，該碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的截面為“工”字型。

一種碳纖維復(fù)合材料異形工字梁，包括碳纖維織物和熱固性樹脂，所述碳纖維織物作為增強(qiáng)材料，所述熱固性樹脂為基體材料，該碳纖維復(fù)合材料異形工字梁采用上述碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的制備方法所得。

本發(fā)明的有益效果是：該種碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的制備方法及所得異形工字梁，利用復(fù)合材料液體成型工藝，相比于傳統(tǒng)的熱壓罐成型大大的降低了制造成本，且能制備出表面光滑的碳纖維復(fù)合材料異型工字梁成品。該碳纖維復(fù)合材料異型工字梁成品具有高強(qiáng)度、高模量、輕量化的特點(diǎn)。本發(fā)明提供一種有曲率的工字梁的制備工藝，該碳纖維復(fù)合材料異型工字梁成品兩個(gè)端頭部分做成封閉結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高了其力學(xué)承載能力。本發(fā)明性能優(yōu)異，且結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理，可在高溫高壓的環(huán)境中使用。本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料成品可廣泛應(yīng)用于各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料成品用于特定技術(shù)領(lǐng)域時(shí)，所改進(jìn)的上述特性可大大提高產(chǎn)品的安全性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的剖視圖。

其中：1-端頭，2-緣條，3-腹板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。

實(shí)施例1

一種碳纖維復(fù)合材料異形工字梁成品的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、制備碳纖維復(fù)合材料異形工字梁預(yù)制體：首先將定型劑按6g/m² 的質(zhì)量施撒在碳纖維織物上，并熱定型，待織物定型結(jié)束利用裁剪機(jī)將織物裁剪成所需形狀，然后將裁剪成指定形狀的織物鋪貼在預(yù)先準(zhǔn)備好的模具上，待預(yù)制體鋪層完畢后將預(yù)制體置于真空袋里密封保存。

實(shí)施例中定型劑原則上要與碳纖維復(fù)合材料異形工字梁液體成型所用的樹脂的主要成分相同，在碳纖維復(fù)合材料異形工字梁液體成型過(guò)程中融于樹脂里，不作為雜質(zhì)出現(xiàn)，以致影響復(fù)合材料的性能。

步驟1制備碳纖維復(fù)合材料異形工字梁預(yù)制體中，為制成加工成品，按照擬加工產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖編排，將碳纖維材料裁剪成符合要求的大小和形狀，然后按照加工產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖編排順序和位置將碳纖維包覆在芯模模具的表面上。

在步驟1中，為控制制件尺寸，裁剪成指定形狀的織物每鋪貼4層對(duì)未成形預(yù)制體熱定型一次，熱定型溫度70℃，定型時(shí)間為30min，并自然冷卻至室溫。

在完成步驟1后，碳纖維復(fù)合材料異型工字梁預(yù)制體應(yīng)密封、真空保存，且放置時(shí)間不易過(guò)長(zhǎng)，防止碳纖維復(fù)合材料異型工字梁預(yù)制體受潮，定型劑失效，確保后期制件的質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定。本發(fā)明在進(jìn)行所述步驟2復(fù)合材料液體成型之前，對(duì)碳纖維復(fù)合材料異型工字梁模具進(jìn)行表面處理，用抹布及輔助液體擦拭模具，涂抹封孔劑，填平模具表面針孔，涂抹脫模劑以利于后期脫模。

步驟2、復(fù)合材料液體成型，采用RTM工藝成型：將預(yù)制體置于模具里，并用螺栓鎖緊模具，將鎖緊的模具置于加熱設(shè)備里，并將模具與真空設(shè)備與注膠設(shè)備連接，加熱模具。同時(shí)將熱固性樹脂置于注膠設(shè)備里加熱，模具加熱溫度設(shè)定為130℃，樹脂加熱溫度設(shè)定為120℃，待模具與樹脂溫度達(dá)到設(shè)定溫度，將樹脂注入模具里含浸碳纖維預(yù)制體，此過(guò)程注膠設(shè)備不斷給樹脂加壓，加壓范圍為2-6bar。當(dāng)樹脂充分含浸碳纖維預(yù)制體時(shí)，按照樹脂的固化制度設(shè)定升溫與保溫時(shí)間，固化結(jié)束待模具冷卻后脫模，獲得碳纖維復(fù)合材料異形工字梁粗成品；

在步驟2中，為了提高制品的質(zhì)量和降低碳纖維復(fù)合材料異形工字梁制品的孔隙率，在所述熱塑性樹脂含浸碳纖維織物之前需要對(duì)熱塑性樹脂脫泡，脫泡時(shí)間為25min。在步驟2中，為了提高成品表面質(zhì)量，需控制加熱設(shè)備的升溫速率，升溫速率控制在2-3℃/min。

熱固性樹脂基體采用不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂或酚醛樹脂中的一種或兩種以上組合。碳纖維織物采用單向布、雙軸向布、三軸向布、平紋布、緞紋布、斜紋布。

在步驟2中，為了更好的成型成品和提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將固化過(guò)程分為兩個(gè)過(guò)程，固化與后固化，固化溫度為180℃，時(shí)間設(shè)定為含浸的樹脂完全固化的時(shí)間，后固化溫度為230℃，加熱時(shí)間設(shè)定至成品所能達(dá)到最高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的時(shí)間。采用本發(fā)明制成的航空制件重量輕，強(qiáng)度高，制件力學(xué)性能優(yōu)異、安全性高。

步驟3、粗成品處理：對(duì)所述碳纖維復(fù)合材料異形工字梁粗成品進(jìn)行邊緣切割，打磨，得到碳纖維復(fù)合材料異形工字梁成品。

如圖1和圖2，所得碳纖維復(fù)合材料異形工字梁包括緣條2、端頭1和腹板3，腹板3的上下兩側(cè)分別垂直設(shè)置緣條2，腹板3的前后兩端分別垂直設(shè)置端頭1，且端頭1的上下兩側(cè)分別垂直連接緣條2形成封閉結(jié)構(gòu)，緣條2采用曲面形狀，該碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的截面為“工”字型。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將工字梁設(shè)置成具有曲率的結(jié)構(gòu)，其端頭1部分為封閉結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升了工字梁的結(jié)構(gòu)緊湊性，同時(shí)加強(qiáng)了工字梁的力學(xué)承載能力。

一種碳纖維復(fù)合材料異形工字梁，包括碳纖維織物和熱固性樹脂，所述碳纖維織物作為增強(qiáng)材料，所述熱固性樹脂為基體材料，該碳纖維復(fù)合材料異形工字梁采用上述碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的制備方法所得。

實(shí)施例2

一種碳纖維復(fù)合材料異形工字梁成品的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、制備碳纖維復(fù)合材料異形工字梁預(yù)制體：首先將定型劑按3%wt施撒在碳纖維織物上，并熱定型，待織物定型結(jié)束利用裁剪機(jī)將織物裁剪成所需形狀，然后將裁剪成指定形狀的織物鋪貼在預(yù)先準(zhǔn)備好的模具上，待預(yù)制體鋪層完畢后將預(yù)制置于真空袋里密封保存；

步驟2、復(fù)合材料液體成型，采用VARI工藝成型：預(yù)制體置于模具里，組裝模具，在模具上方從里至外一次鋪貼脫模布，透氣氈，并用真空袋密封，將模具置于加熱設(shè)備里，將模具與真空設(shè)備與注膠設(shè)備連接，加熱模具，同時(shí)將熱固性樹脂置于注膠設(shè)備里加熱，模具加熱溫度設(shè)定為120℃，樹脂加熱溫度設(shè)定為110℃，待模具與樹脂溫度達(dá)到設(shè)定溫度，當(dāng)樹脂充分含浸碳纖維預(yù)制體時(shí)，按照樹脂的固化制度設(shè)定升溫與保溫時(shí)間，固化結(jié)束待模具冷卻后脫模，獲得碳纖維復(fù)合材料異形工字梁粗成品；

步驟3、粗成品處理：對(duì)所述碳纖維復(fù)合材料異形工字梁粗成品進(jìn)行邊緣切割，打磨，得到碳纖維異形工字梁成品。

一種碳纖維復(fù)合材料異形工字梁，包括碳纖維織物和熱固性樹脂，所述碳纖維織物作為增強(qiáng)材料，所述熱固性樹脂為基體材料，該碳纖維復(fù)合材料異形工字梁采用上述碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的制備方法所得。

實(shí)施例3

一種碳纖維復(fù)合材料異形工字梁成品的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、制備碳纖維復(fù)合材料異形工字梁預(yù)制體：首先將定型劑按8g/m² 的質(zhì)量施撒在碳纖維織物上，并熱定型，待織物定型結(jié)束利用裁剪機(jī)將織物裁剪成所需形狀，然后將裁剪成指定形狀的織物鋪貼在預(yù)先準(zhǔn)備好的模具上，待預(yù)制體鋪層完畢后將預(yù)制置于真空袋里密封保存；

步驟2、復(fù)合材料液體成型，采用閉模VARI工藝成型：預(yù)制體置于模具里，并用螺栓鎖緊模具，將鎖緊的模具置于加熱設(shè)備里，并將模具與真空設(shè)備與注膠設(shè)備連接，加熱模具，同時(shí)將熱固性樹脂置于注膠設(shè)備里加熱，模具加熱溫度設(shè)定為125℃，樹脂加熱溫度設(shè)定為115℃，待模具與樹脂溫度達(dá)到設(shè)定溫度，將樹脂注入模具里含浸碳纖維預(yù)制體，當(dāng)樹脂充分含浸碳纖維預(yù)制體時(shí)，按照樹脂的固化制度設(shè)定升溫與保溫時(shí)間，固化結(jié)束待模具冷卻后脫模，獲得碳纖維復(fù)合材料異形工字梁粗成品；

步驟3、粗成品處理：對(duì)所述碳纖維復(fù)合材料異形工字梁粗成品進(jìn)行邊緣切割，打磨，得到碳纖維異形工字梁成品。

一種碳纖維復(fù)合材料異形工字梁，包括碳纖維織物和熱固性樹脂，所述碳纖維織物作為增強(qiáng)材料，所述熱固性樹脂為基體材料，該碳纖維復(fù)合材料異形工字梁采用上述碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的制備方法所得。

實(shí)施例里的定型劑與熱固性樹脂可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)這類產(chǎn)品的具體種類作出合適的選擇作為制備碳纖維復(fù)合材料異形工字梁的原料。

本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容，按照本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術(shù)思想前提下，本發(fā)明可以做出其他多種形式的修改，替換或變更，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。