本發(fā)明涉及復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種固化成型碳纖維材料的方法。

背景技術(shù)：

一、基于碳纖維材料的復(fù)合材料制成的汽車輪轂

隨著小型汽車的普及，以及節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的觀念日益深入人心，人們致力于制造更為節(jié)能的汽車。為了使得汽車消耗更少的燃油，一個(gè)重要思路是降低汽車本身的重量。

傳統(tǒng)上，汽車輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)、發(fā)動(dòng)機(jī)及各種支架結(jié)構(gòu)為鋼制。本世紀(jì)以來(lái)，使用鋁合金的汽車輪轂和零部件成為潮流。鋁合金輪轂與鋼輪轂相比，具有質(zhì)量輕、散熱好等優(yōu)點(diǎn)。然而鋁合金輪轂由于其為金屬，仍然具有較大的重量。開發(fā)新型的輕質(zhì)輪轂成為汽車零部件廠商和材料制造商的興趣熱點(diǎn)。其中，基于碳纖維材料的復(fù)合材料成為汽車零部件的熱門選擇。

復(fù)合材料的汽車輪轂按件數(shù)分類可分為一件式，兩件式和三件式車輪。可能將基于碳纖維材料的復(fù)合材料直接成型為輪轂形狀(一件式輪轂)，也可能將基于碳纖維材料的復(fù)合材料成型為輪輞形狀并且固定到金屬的輪盤面(兩件式輪轂)，也可能將基于碳纖維材料的復(fù)合材料成型為輪輞形狀并且通過(guò)固定件固定到金屬的輪盤面(三件式輪轂)。其中，兩件式輪轂和三件式輪轂一方面通過(guò)使用碳纖維材料降低了輪轂的總重，較容易加工，并且其保留的金屬輪盤面有助于輪轂向外散熱。因此，兩件式輪轂和三件式輪轂是復(fù)合材料輪轂的兩種常見(jiàn)形式。兩件式輪轂中，輪輻和輪輞各自獨(dú)立，兩者之間通過(guò)機(jī)械連接在一起，具體連接方式有螺栓連接，鉚釘連接和膠結(jié)等。常見(jiàn)的的碳纖維輪輞中輪輻采用鋁合金或者鎂合金材料鍛造而成，輪輞采用碳纖維預(yù)浸料固化成型，兩者采用螺栓連接。

二、復(fù)合材料熱壓罐工藝

復(fù)合材料熱壓罐工藝是生產(chǎn)樹脂基復(fù)合材料的主要方法，使用該方法生產(chǎn)的復(fù)合材料不僅纖維含量高和孔隙率低，而且產(chǎn)品穩(wěn)定性好，表面質(zhì)量高等特點(diǎn)。因此熱壓罐固化成型工藝經(jīng)常被用來(lái)制備高端復(fù)合材料部件。熱壓罐成型工藝中最關(guān)鍵兩個(gè)因素是溫度和壓力。固化溫度的范圍，升溫速率的選擇，加壓的大小和時(shí)機(jī)都對(duì)將來(lái)產(chǎn)品起到?jīng)Q定性的影響。如果樹脂加熱過(guò)快，那么流動(dòng)時(shí)間就會(huì)縮短，這樣層壓板中的揮發(fā)物來(lái)不及排出，導(dǎo)致制品將來(lái)缺陷增加，性能下降；如果加熱過(guò)慢，那么樹脂可能永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到足夠運(yùn)動(dòng)所需要的粘度，導(dǎo)致層壓板內(nèi)的空氣等無(wú)法通過(guò)粘性流體帶出制品外面，使得層壓板的孔隙率升高。

三、將熱壓罐工藝應(yīng)用于復(fù)合材料輪轂生產(chǎn)有困難。

如前文中所提到的，碳纖維材料的復(fù)合材料固化過(guò)程是排出空氣、排出揮發(fā)性成分、聚合物材料固化的過(guò)程。在該固化過(guò)程中需要同時(shí)完成以上的三個(gè)過(guò)程。汽車輪輞曲面復(fù)雜，而且在小范圍內(nèi)厚度落差很大，最大和最小厚度差大于10mm，并且最厚的區(qū)域的厚度大于4厘米。因此，固化過(guò)程中存在這樣的困難：當(dāng)最小厚度的部分完成了空氣和揮發(fā)性成分的排出的時(shí)候，最大厚度處可能尚未完成該過(guò)程；當(dāng)最大厚度處完成該過(guò)程時(shí)，最小厚度部分早就完成了排出并且發(fā)生了不希望的進(jìn)一步變化。

因此在制備碳纖維復(fù)合材料輪輞時(shí)，既要保證樹脂固化需要的溫度，也要把握好加壓的時(shí)機(jī)和大小，因此選擇合理的固化成型工藝對(duì)將來(lái)的產(chǎn)品起到?jīng)Q定性的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提供一種能滿足制備碳纖維輪輞所需要的工藝性能，表面外觀質(zhì)量，和力學(xué)性能等要求的熱壓罐固化成型工藝方法。

在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種固化成型碳纖維材料的方法，所述的方法包括步驟：(1)提供碳纖維預(yù)浸料，所述的碳纖維預(yù)浸料是預(yù)先浸涂了環(huán)氧樹脂的碳纖維布；(2)在模具表面涂敷高溫脫模劑，并且將碳纖維預(yù)浸料鋪貼到模具的表面；(3)在預(yù)浸料的表面依次放置隔離膜和透氣氈，并且在外側(cè)制作真空袋；(4)放入熱壓罐中進(jìn)行固化成型，所述的固化成型依次地包括步驟：在壓力為0.3-0.4MPa,溫度為90-100℃，預(yù)固化15-20分鐘；在壓力為0.8-1.0MPa，溫度為115-125℃下，固化30-40分鐘；以及在壓力為0.8-1.0MPa,溫度為為145-150度下，后固化50-60分鐘。

在本發(fā)明優(yōu)選的方面，在步驟(1)中，所述的碳纖維預(yù)浸料選自：(1)T300纖維預(yù)浸料，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到3.5GPa，其每束包括3000根單絲，環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為160-170℃，70度時(shí)粘度為48-55Pa.s；(2)T700纖維預(yù)浸料；其抗拉強(qiáng)度達(dá)到4.9GPa，其每束包括12000根單絲，環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為160-170℃，70度時(shí)粘度為48-55Pa.s。

在本發(fā)明優(yōu)選的方面，在步驟(1)中，所述的模具由鋼制成。

在本發(fā)明優(yōu)選的方面，在步驟(2)中，所述的高溫脫模劑是樹脂聚合物脫模劑，例如為Flex-Z^TM 6.0。

在本發(fā)明優(yōu)選的方面，在步驟(3)中，所述的真空袋的真空度是-95到-100KPa。

在本發(fā)明優(yōu)選的方面，在步驟(4)中，所述的熱壓罐溫度精度為±1.5℃，壓力精度為±0.01MPa。

在本發(fā)明優(yōu)選的方面，在步驟(4)中，升溫速率為2-5℃/min，升壓速率為0.03-0.05MPa/min。

在本發(fā)明優(yōu)選的方面，在步驟(4)中，所述的固化成型采取以下的設(shè)定之一：

(1)升溫速率3℃/min；升壓速率0.05MPa/min；升溫到90℃，升壓到0.3MPa，預(yù)固化20分鐘；升溫到120℃，升壓到0.8MPa，固化30分鐘；升溫到150℃，升壓到0.8MPa，后固化60分鐘；

(2)升溫速率2℃/min，升壓速率0.05MPa/min；升溫到100℃，升壓到0.4MPa，預(yù)固化15分鐘；升溫到120℃，升壓到0.9MPa，固化30分鐘；升溫到150℃，壓力到0.9MPa，后固化55分鐘；以及

(3)升溫速率3℃/min，升壓速率0.05MPa/min；升溫到100℃，升壓到0.4MPa，預(yù)固化15分鐘；升溫到120℃，升壓到0.9MPa，固化30分鐘；升溫到150℃，壓力到0.9MPa，后固化55分鐘。

在本發(fā)明的其他方面，還提供了以下的技術(shù)方案：

熱壓罐固化成型工藝包括以下步驟：模具清洗和涂覆高溫脫模劑，預(yù)浸料纏繞鋪貼，再依次放置隔離膜和透氣氈，然后在組件外面制作真空袋，檢查真空度，然后放入熱壓罐中固化成型。所述的熱壓罐固化成型包括以下步驟：在壓力為0.3-0.4MPa,溫度為90-100℃，預(yù)固化15-20分鐘；在壓力為0.8-1.0MPa,溫度為115-125℃下，固化30-40分鐘；在壓力為0.8-1.0MPa,溫度為為145-150度下,后固化50-60分鐘。

本發(fā)明中使用的熱壓罐溫度精度為±1.5℃，壓力精度為±0.01MPa。

本發(fā)明采用的外購(gòu)預(yù)浸料，其中纖維為T300和T700(日本東麗公司提出的碳纖維品級(jí)，以拉伸強(qiáng)度分類，T300抗拉強(qiáng)度達(dá)到3.5GPa，T700抗拉強(qiáng)度達(dá)到4.9GPa)，絲束為3k(每束有3000根單絲)和12k(每束有12000根單絲)；環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為160-170℃，70度時(shí)粘度為48-55Pa.s.。

本發(fā)明中所使用的模具材質(zhì)為鋼。

本發(fā)明中使用的脫模劑為Flex-Z^TM 6.0。

本發(fā)明中所說(shuō)的組件從里到外依次是模具，脫模劑，預(yù)浸料，隔離膜，透氣氈(AIRWAVE-N10美國(guó)AIRTECH公司)。

本發(fā)明中采用的升溫速率為2-5℃/min；升壓速率為0.03-0.05MPa/min。

本發(fā)明的具有如下有益效果：

本發(fā)明與的方法與傳統(tǒng)的熱壓罐方法相比，克服了輪輞相對(duì)于模具的厚度變化較大帶來(lái)的固化不均勻，以及排出揮發(fā)性成分困難現(xiàn)象，并且不會(huì)帶來(lái)過(guò)度固化的現(xiàn)象。

除此之外，本發(fā)明使用的熱壓罐加壓方式是采用壓縮空氣給制品加壓，壓力均勻性好，生產(chǎn)的輪輞產(chǎn)品尺寸精度高，產(chǎn)品表面達(dá)到汽車輪轂對(duì)表面的要求。本發(fā)明制備的碳纖維輪輞尺寸精度高，表面質(zhì)量好，力學(xué)性能優(yōu)良.輪輞A面達(dá)到輪轂行業(yè)外觀要求；輪轂13°沖擊試驗(yàn)合格無(wú)可見(jiàn)裂紋，其中沖錘質(zhì)量540kg,高度230mm,螺栓扭矩120N.m,使用輪胎275/40R20,充氣壓力200KPa。

附圖說(shuō)明

以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方案，其中：

圖1：本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料輪轂的安裝狀態(tài)剖面圖；

圖2：本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料輪轂的輪輞固化成型的工作狀態(tài)剖面圖；

圖3：本發(fā)明所述的碳纖維復(fù)合材料輪轂的輪輞固化成型的工作狀態(tài)局部放大圖；

圖中：11-碳纖維復(fù)合材料輪輞、12-輪輞固定螺栓、13-輪輞固定環(huán)、14-輪輻、15-中心孔、16-窗口、17-法蘭盤螺栓孔、21-成型模具、31-輪唇、32-凸起、33-輪輞平直區(qū)域。

具體實(shí)施方式

除非另外地說(shuō)明，本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例均采取以下的設(shè)置：

固化成型的模具均為鋼制，并且由中信戴卡股份有限公司工程技術(shù)研究院自行研發(fā)和制作。模具按照輪轂的形狀來(lái)進(jìn)行制造。

封孔劑的牌號(hào)Sealer GP，其購(gòu)自埃法比國(guó)際貿(mào)易有限公司，成分為石腦油，1,2,4-三甲基苯等。

脫模劑的牌號(hào)Flex-Z^T6.0，其購(gòu)自埃法比國(guó)際貿(mào)易有限公司公司，成分為石腦油等。

透氣氈貨號(hào)為AIRWAVE-N10，購(gòu)自美國(guó)AIRTECH公司。

13°沖擊試驗(yàn)均采取測(cè)試GB/T 15704-2012來(lái)進(jìn)行，其中沖錘質(zhì)量540kg,高度230mm,螺栓扭矩120N.m,使用輪胎275/40R20,充氣壓力200KPa。

實(shí)施例1：

根據(jù)輪輞鋪層設(shè)計(jì)圖紙，重新優(yōu)化排版，然后倒入自動(dòng)切割機(jī)，切割出所需要的尺寸和形狀的預(yù)浸料。

選擇20寸輪輞模具，清洗模具，然后依次涂覆上3遍封孔劑(牌號(hào)Sealer GP)，每遍時(shí)間間隔為15分鐘；之后再涂覆兩遍脫模劑(牌號(hào)Flex-Z^TM 6.0)，每遍的時(shí)間間間隔為15分鐘。之后根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)，依次纏繞鋪貼預(yù)浸料；再放置輔助材料隔離膜，透氣氈，最后制作真空袋，檢測(cè)真空度為-96KPa。

將真空合格的制品放入熱壓罐中，按照升溫速率3℃/min，升壓速率0.05MPa/min

升溫到90℃，升壓到0.3MPa，預(yù)固化20分鐘

升溫到120℃，升壓到0.8MPa，固化30分鐘

升溫到150℃，升壓到0.8MPa，后固化60分鐘

本實(shí)施得到的20寸輪輞尺寸合格,外觀良好，無(wú)可見(jiàn)針孔缺陷，滿足客戶需求，13°沖擊試驗(yàn)合格(測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15704-2012)，其中沖錘質(zhì)量540kg,高度230mm,螺栓扭矩120N.m,使用輪胎275/40R20,充氣壓力200KPa。

實(shí)施例2

根據(jù)輪輞鋪層設(shè)計(jì)圖紙，重新優(yōu)化排版，然后倒入自動(dòng)切割機(jī)，切割出所需要的尺寸和形狀的預(yù)浸料。

選擇18寸輪輞模具，清洗模具，然后依次涂覆上3遍封孔劑(牌號(hào)Sealer GP)，每遍時(shí)間間隔為15分鐘；之后再涂覆兩遍脫模劑(牌號(hào)Flex-Z^TM 6.0)，每遍的時(shí)間間間隔為15分鐘。之后根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)，依次纏繞鋪貼預(yù)浸料；再放置輔助材料隔離膜，透氣氈，最后制作真空袋，檢測(cè)真空度-99KPa。

將真空合格的制品放入熱壓罐中，按照升溫速率2℃/min，升壓速率0.05MPa/min

升溫到100℃，升壓到0.4MPa，預(yù)固化15分鐘

升溫到120℃，升壓到0.9MPa，固化30分鐘

升溫到150℃，壓力到0.9MPa，后固化55分鐘

本實(shí)施得到的18寸輪輞尺寸合格,滿足裝配要求；外觀良好，無(wú)可見(jiàn)針孔缺陷；13°沖擊試驗(yàn)合格(測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15704-2012)，其中沖錘質(zhì)量540kg,高度230mm,螺栓扭矩120N.m,使用輪胎275/40R20,充氣壓力200KPa

實(shí)施例3

根據(jù)輪輞鋪層設(shè)計(jì)圖紙，重新優(yōu)化排版，然后倒入自動(dòng)切割機(jī)，切割出所需要的尺寸和形狀的預(yù)浸料。

選擇20寸輪輞模具，清洗模具，然后依次涂覆上3遍封孔劑(牌號(hào)Sealer GP)，每遍時(shí)間間隔為15分鐘；之后再涂覆兩遍脫模劑(牌號(hào)Flex-Z^TM 6.0)，每遍的時(shí)間間間隔為15分鐘。之后根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)，依次纏繞鋪貼預(yù)浸料；再放置輔助材料隔離膜，透氣氈，最后制作真空袋，檢測(cè)真空度。

將真空合格的制品放入熱壓罐中，按照升溫速率3℃/min，升壓速率0.05MPa/min

升溫到90℃，升壓到0.3MPa，預(yù)固化20分鐘

升溫到120℃，升壓到1.0MPa，固化30分鐘

升溫到150℃，壓力1.0MPa，后固化60分鐘

本實(shí)施得到的20寸輪輞尺寸合格,外觀良好，無(wú)可見(jiàn)針孔缺陷，滿足客戶需求，13°沖擊試驗(yàn)合格(測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15704-2012)，其中沖錘質(zhì)量540kg,高度230mm,螺栓扭矩120N.m,使用輪胎275/40R20,充氣壓力200KPa

對(duì)比例1

根據(jù)輪輞鋪層設(shè)計(jì)圖紙，重新優(yōu)化排版，然后倒入自動(dòng)切割機(jī)，切割出所需要的尺寸和形狀的預(yù)浸料。

選擇20寸輪輞模具，清洗模具，然后依次涂覆上3遍封孔劑(牌號(hào)Sealer GP)，每遍時(shí)間間隔為15分鐘；之后再涂覆兩遍脫模劑(牌號(hào)Flex-Z^TM 6.0)，每遍的時(shí)間間間隔為15分鐘。之后根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)，依次纏繞鋪貼預(yù)浸料；再放置輔助材料隔離膜，透氣氈，最后制作真空袋，檢測(cè)真空度為-97KPa。

將真空合格的制品放入熱壓罐中，按照升溫速率3℃/min，升壓速率0.05MPa/min

升溫到120℃，升壓到0.2MPa，固化30分鐘

升溫到150℃，壓力0.4MPa，固化60分鐘

本實(shí)施得到的20寸輪輞尺寸合格,外觀較差，表面局部有可見(jiàn)針孔缺陷，螺栓安裝面存在很多可見(jiàn)的氣孔缺陷，無(wú)法滿足裝配和性能需求。