權(quán)利要求

1.碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法，其特征在于，所述方法采用對(duì)應(yīng)的成型裝置實(shí)現(xiàn)，所述裝置具體包括： 自阻加熱部分：所述自阻加熱部分包括電源、PID控制器；所述電源通過導(dǎo)線與碳纖維編織布兩端相連，所述PID控制器與溫度傳感器和電源相連，其中溫度傳感器用于測(cè)定碳纖維編織布的溫度； 注塑-壓縮模具：所述注塑-壓縮模具包括動(dòng)模板、定模板、推件板和推件板芯塊；所述動(dòng)模板的兩端設(shè)置有電極，所述電極包括固定銅電極和活動(dòng)銅電極，用于固定碳纖維并使碳纖維編織布與電源相連；所述動(dòng)模板和推件板芯塊內(nèi)側(cè)設(shè)置有絕緣隔熱材料層；所述定模板和推件板芯塊固定安裝，所述推件板與定模板之間設(shè)置有碟簧，以實(shí)現(xiàn)推件板在注塑-壓縮過程和脫模過程中來回移動(dòng)；金屬嵌件安裝在定模腔內(nèi)；所述推件板芯塊和動(dòng)模板內(nèi)側(cè)的形狀與復(fù)合構(gòu)件的形狀相適配；所述定模板、推件板芯塊和金屬嵌件由外側(cè)到內(nèi)側(cè)貫穿設(shè)置有樹脂注射流道，所述樹脂注射流道與注射料筒相連； 超聲振動(dòng)部分：所述超聲振動(dòng)部分包括超聲發(fā)生器與超聲振動(dòng)子，所述超聲振動(dòng)子貫穿推件板和推件板芯塊至所述樹脂注射流道上方； 所述成型方法具體包括： 將碳纖維編織布鋪層后采用活動(dòng)銅電極固定在動(dòng)模板絕緣隔熱材料層表面，并將表面處理后的金屬嵌件放置于推件板中間； 將所述注塑-壓縮模具初次合模，使碳纖維編織布與金屬嵌件之間形成浸漬間隙； 接通電源，將所述碳纖維編織布升溫至預(yù)設(shè)溫度并保溫；開始注射熔融聚合物，并開啟超聲波發(fā)生器，將經(jīng)過超聲場(chǎng)作用后的熔融樹脂注射至所述浸漬間隙； 當(dāng)間隙浸漬完成后，將所述注塑-壓縮模具進(jìn)行二次合模，至推件板與定模板之間的距離為0，完成熔融聚合物對(duì)碳纖維編織布厚度方向的浸漬及金屬表面微結(jié)構(gòu)的填充后，進(jìn)行保壓處理； 保壓處理后進(jìn)行冷卻，開模獲得碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法，其特征在于，所述固定銅電極上設(shè)置有活動(dòng)銅電極的導(dǎo)軌，使固定銅電極和活動(dòng)銅電極之間接觸并可相互滑動(dòng)。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法，其特征在于，所述將所述碳纖維編織布升溫至預(yù)設(shè)溫度并保溫過程的預(yù)設(shè)溫度為220-400℃，升溫速率為80~350℃/min。 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法，其特征在于，所述樹脂為PP、PA6、PA66或PEEK中的任意一種，所述樹脂注射速率為30 ~ 90mm/s，注射壓力為30 ~ 80 MPa。 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法，其特征在于，所述超聲過程的工作頻率為10 ~ 60 KHz，功率為0 ~ 6000 W。 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法，其特征在于，所述浸漬間隙為1-5mm，浸漬時(shí)間為10-30s。 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法，其特征在于，所述二次合模過程中壓縮速率為0.5-10mm/s。 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法，其特征在于，所述保壓壓力為10-60MPa，保壓時(shí)間為10-300s。 9.碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型裝置，其特征在于，所述裝置具體包括： 自阻加熱部分；所述自阻加熱部分包括電源、PID控制器；所述電源通過導(dǎo)線與碳纖維編織布兩端相連，所述PID控制器與溫度傳感器和電源相連，其中溫度傳感器用于測(cè)定碳纖維編織布的溫度； 注塑-壓縮模具：所述注塑-壓縮模具包括動(dòng)模板、定模板、推件板、和推件板芯塊；所述動(dòng)模板的兩端設(shè)置有電極，所述電極包括固定銅電極和活動(dòng)銅電極，用于固定碳纖維并使碳纖維編織布與電源相連；所述動(dòng)模板和推件板芯塊內(nèi)側(cè)設(shè)置有絕緣隔熱材料層；所述定模板和推件板芯塊固定安裝，所述推件板與定模板之間設(shè)置有碟簧，以實(shí)現(xiàn)推件板在注塑-壓縮過程和脫模過程中來回移動(dòng)；金屬嵌件安裝在定模腔內(nèi)；所述推件板芯塊和動(dòng)模板內(nèi)側(cè)的形狀與復(fù)合構(gòu)件的形狀相適配；所述定模板、推件板芯塊和金屬嵌件由外側(cè)到內(nèi)側(cè)貫穿設(shè)置有樹脂注射流道，所述樹脂注射流道與注射料筒相連； 超聲振動(dòng)部分：所述超聲振動(dòng)部分包括超聲發(fā)生器與超聲振動(dòng)子，所述超聲振動(dòng)子貫穿推件板和推件板芯塊至所述樹脂注射流道上方。

說明書

碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法與裝置

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于輕質(zhì)多材料復(fù)合構(gòu)件制備成型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法與裝置。

背景技術(shù)

隨著新能源大環(huán)境的變化，發(fā)展新能源汽車是推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，要突破整車輕量化等共性節(jié)能技術(shù)。汽車輕量化的途徑主要有三種途徑：結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝技術(shù)改進(jìn)、應(yīng)用輕量化材料。輕量化材料的應(yīng)用作為汽車輕量化基礎(chǔ)和核心手段，是目前實(shí)現(xiàn)汽車輕量化最有效的途徑。

目前以鋁、鎂、鈦合金為代表的輕質(zhì)金屬材具有高比強(qiáng)度、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好、阻尼減震性和電磁屏蔽性強(qiáng)、易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車輕量化首選材料。作為新興輕量化材料，碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料憑借其優(yōu)良的強(qiáng)度、剛度、耐化學(xué)腐蝕、可回收及加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工、電子、儀表等諸多行業(yè)領(lǐng)域。由于汽車零部件承力狀態(tài)不同，單一材料難以最大程度的滿足汽車結(jié)構(gòu)的輕量化要求。工程塑料、樹脂基復(fù)合材料以及輕質(zhì)金屬等多種材料混合的設(shè)計(jì)理論、方法和相應(yīng)工藝成為重要發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)不同部位的功能強(qiáng)度要求，選擇對(duì)應(yīng)的合適材料，使得各材料優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，以實(shí)現(xiàn)選材與零件功能的最優(yōu)化。由于碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料和輕質(zhì)金屬材料的上述一系列優(yōu)點(diǎn)，由輕質(zhì)金屬與熱塑性樹脂基復(fù)合材料組成的復(fù)合構(gòu)件，對(duì)實(shí)現(xiàn)輕量化的推動(dòng)進(jìn)程具有極大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用背景，并日益成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

現(xiàn)有技術(shù)中，制造金屬-熱塑性樹脂基復(fù)合材料復(fù)合構(gòu)件的方法主要有機(jī)械緊固、粘合劑膠結(jié)和焊接工藝。對(duì)于機(jī)械緊固來說，由于二者擁有較大差異的硬度和彈性模量，會(huì)導(dǎo)致兩種材料的一側(cè)密封性較差，同時(shí)還會(huì)增加整個(gè)接頭重量，預(yù)制孔還會(huì)增加接頭應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生；對(duì)于粘合劑膠接來說，粘結(jié)劑固化時(shí)間較長(zhǎng)，并且腐蝕和高溫環(huán)境會(huì)弱化粘結(jié)界面，從而影響復(fù)合構(gòu)件力學(xué)服役性能。對(duì)于焊接工藝來說，可以解決上述兩種方法存在的問題，但由于金屬熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于熱塑性樹脂，焊接過程會(huì)對(duì)樹脂基復(fù)合材料造成較大的熱損傷。并且，現(xiàn)有復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件制造技術(shù)需要分別成型加工金屬與纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，成型周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。因此，迫切需要發(fā)明一種工序簡(jiǎn)單、能耗低、粘結(jié)界面強(qiáng)度高的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的制造方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了高效快速制備高性能多材料體系復(fù)合構(gòu)件，適應(yīng)大批量自動(dòng)化生產(chǎn)，同時(shí)能夠節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，開發(fā)了一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法，所述方法采用對(duì)應(yīng)的成型裝置實(shí)現(xiàn)，所述裝置具體包括：

自阻加熱部分；所述自阻加熱部分包括電源、PID控制器；所述電源通過導(dǎo)線與碳纖維編織布兩端相連，所述PID控制器與溫度傳感器和電源相連，其中溫度傳感器用于測(cè)定碳纖維編織布的溫度；

注塑-壓縮模具：所述注塑-壓縮模具包括動(dòng)模板、定模板、推件板、和推件板芯塊；所述動(dòng)模板的兩端設(shè)置有電極，所述電極包括固定銅電極和活動(dòng)銅電極，用于固定碳纖維并使碳纖維編織布與電源相連；所述動(dòng)模板和推件板芯塊內(nèi)側(cè)設(shè)置有絕緣隔熱材料層；所述定模板和推件板芯塊固定安裝，所述推件板與定模板之間設(shè)置有碟簧，以實(shí)現(xiàn)推件板在注塑-壓縮過程和脫模過程中來回移動(dòng)；金屬嵌件安裝在定模腔內(nèi)；所述推件板芯塊和動(dòng)模板內(nèi)側(cè)的形狀與復(fù)合構(gòu)件的形狀相適配；所述定模板、推件板芯塊和金屬嵌件由外側(cè)到內(nèi)側(cè)貫穿設(shè)置有樹脂注射流道，所述樹脂注射流道與注射料筒相連；

超聲振動(dòng)部分：所述超聲振動(dòng)部分包括超聲發(fā)生器與超聲振動(dòng)子，所述超聲振動(dòng)子貫穿推件板和推件板芯塊至所述樹脂注射流道上方；

所述成型方法具體包括：

將碳纖維編織布鋪層后采用活動(dòng)銅電極固定在動(dòng)模板絕緣隔熱材料表面，并將表面處理后的金屬嵌件放置于定模型腔內(nèi)；

將所述注塑-壓縮模具初次合模，使碳纖維編織布與金屬嵌件之間形成浸漬間隙；

接通電源，將所述碳纖維編織布升溫至預(yù)設(shè)溫度并保溫；開始注射熔融聚合物，并開啟超聲波發(fā)生器，將經(jīng)過超聲場(chǎng)作用后的熔融樹脂注射至所述浸漬間隙；

當(dāng)間隙浸漬完成后，將所述注塑-壓縮模具進(jìn)行二次合模，至推件板與定模板之間的距離為0，完成熔融聚合物對(duì)碳纖維編織布厚度方向的浸漬及金屬表面微結(jié)構(gòu)的填充后，進(jìn)行保壓處理；

保壓處理后進(jìn)行冷卻，開模獲得碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件。

進(jìn)一步的，所述固定銅電極上設(shè)置有活動(dòng)銅電極的導(dǎo)軌，使固定銅電極和活動(dòng)銅電極之間接觸并可相互滑動(dòng)；

進(jìn)一步的，所述將所述碳纖維編織布升溫至預(yù)設(shè)溫度并保溫過程的預(yù)設(shè)溫度為220-400℃，升溫速率為80~350℃/min。

進(jìn)一步的，所述樹脂為PP、PA6、PA66或PEEK中的任意一種，所述樹脂注射速率為30~ 90 mm/s，注射壓力為30 ~ 80 MPa。

進(jìn)一步的，所述超聲過程的工作頻率為10 ~ 60 KHz，功率為0 ~ 6000 W。

進(jìn)一步的，所述浸漬間隙為1-5mm，浸漬時(shí)間為10-30s。

進(jìn)一步的，所述二次合模過程中壓縮速率為0.5-10mm/s。

進(jìn)一步的，所述保壓壓力為10-60MPa，保壓時(shí)間為10-300s。

基于同一發(fā)明構(gòu)思的，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型裝置，所述裝置具體包括：

自阻加熱部分；所述自阻加熱部分包括電源、PID控制器；所述電源通過導(dǎo)線與碳纖維編織布兩端相連，所述PID控制器與溫度傳感器和電源相連，其中溫度傳感器用于測(cè)定碳纖維編織布的溫度；

注塑-壓縮模具：所述注塑-壓縮模具包括動(dòng)模板、定模板、推件板、和推件板芯塊；所述動(dòng)模板的兩端設(shè)置有電極，所述電極包括固定銅電極和活動(dòng)銅電極，用于固定碳纖維并使碳纖維編織布與電源相連；所述動(dòng)模板和推件板芯塊內(nèi)側(cè)設(shè)置有絕緣隔熱材料層；所述定模板和推件板芯塊固定安裝，所述推件板與定模板之間設(shè)置有碟簧，以實(shí)現(xiàn)推件板在注塑-壓縮過程和脫模過程中來回移動(dòng)；金屬嵌件安裝在定模腔內(nèi)；所述推件板芯塊和動(dòng)模板內(nèi)側(cè)的形狀與復(fù)合構(gòu)件的形狀相適配；所述定模板、推件板芯塊和金屬嵌件由外側(cè)到內(nèi)側(cè)貫穿設(shè)置有樹脂注射流道，所述樹脂注射流道與注射料筒相連；

超聲振動(dòng)部分：所述超聲振動(dòng)部分包括超聲發(fā)生器與超聲振動(dòng)子，所述超聲振動(dòng)子貫穿推件板和推件板芯塊至所述樹脂注射流道上方。

有益效果：

（1）本發(fā)明的方法是基于注塑-壓縮成型工藝，將金屬板和碳纖維編織布作為嵌件，利用增強(qiáng)體碳纖維自阻加熱的特性提供均勻溫度場(chǎng)，并將超聲波引入注塑工藝中以降低熔融聚合物粘度，最終實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件一體化成型。實(shí)現(xiàn)了多材料異質(zhì)復(fù)合構(gòu)件“成型-連接”一體化制造，解決了傳統(tǒng)制造技術(shù)中將碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成型工藝與異質(zhì)材料連接工藝分離導(dǎo)致的工序多、耗能高、連接強(qiáng)度低等難題。

（2）本發(fā)明將碳纖維編織布同時(shí)作為增強(qiáng)材料和加熱源，利用其“體積內(nèi)”的自阻加熱效應(yīng)， 快速加熱，為碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件成型提供均勻溫度場(chǎng)，在大幅降低能耗的同時(shí)，解決了傳統(tǒng)注塑成型過程纖維編織布溫度低導(dǎo)致的纖維難以浸潤(rùn)的制造難題。

（3）本發(fā)明利用超聲振動(dòng)降低熔融聚合物粘度，改善聚合物流動(dòng)性能，降低纖維浸潤(rùn)成型質(zhì)量對(duì)注射壓力的依賴，解決注射壓力過大導(dǎo)致的纖維變形、斷裂等缺陷問題；同時(shí)低粘度的熔融聚合物更有利于填充金屬材料表面粗糙結(jié)構(gòu)，形成粘結(jié)界面的機(jī)械鉚接互鎖結(jié)構(gòu)，從而提升碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料與金屬材料之間的粘度強(qiáng)度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型過程的工藝流程圖；（A）為定位階段、（B）為合模預(yù)熱階段、（C）為浸漬階段、（D）為復(fù)合構(gòu)件成型階段、（E）為保壓階段、（F）為脫模階段；

圖3是本發(fā)明提供的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖。

【附圖標(biāo)記說明】

1、PID控制器；2、信號(hào)線；3、直流穩(wěn)壓電源；4、電源線；5、直流穩(wěn)壓電源開關(guān)；6、溫度傳感器；7、固定銅電極；8、碳纖維編織布；9、導(dǎo)線；10、超聲發(fā)生器；11、超聲振動(dòng)子；12、碟簧組；13、推件板芯塊；14、注射料筒；15、推件板；16、定模板；17、絕緣隔熱材料層；18、動(dòng)模板；19、活動(dòng)銅電極；20、金屬嵌件；21、碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件；21a、連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

在本發(fā)明實(shí)施例中，如圖1所示，提供了碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，所述裝置具體包括：

自阻加熱部分，用于提供熱源及調(diào)整成型過程中碳纖維編織布溫度歷程；所述自阻加熱部分包括電源3、PID控制器1；所述電源通過電源線與碳纖維編織布兩端相連，所述PID控制器1與溫度傳感器6和電源3相連，其中溫度傳感器用于測(cè)定碳纖維編織布的溫度；溫度傳感器6將成型過程中碳纖維編織布8溫度反饋給PID控制器1，PID控制器1依據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)與目標(biāo)溫度數(shù)據(jù)的差值調(diào)整信號(hào)強(qiáng)度，電源3獲得不同的信號(hào)強(qiáng)度后調(diào)整輸出功率大小，以實(shí)現(xiàn)成型過程中等溫浸漬。

注塑-壓縮模具：所述注塑-壓縮模具包括動(dòng)模板18、定模板16、推件板15、和推件板芯塊13；所述動(dòng)模板18的兩端設(shè)置有電極，所述電極包括固定銅電極7和活動(dòng)銅電極19，用于固定并使碳纖維編織布8與電源3相連。由于碳纖維編織布8需要通電加熱并在成型過程中維持目標(biāo)溫度，所以碳纖維編織布8與注塑-壓縮模具之間需做好絕緣與隔熱，具體措施為：將動(dòng)模板18、推件板15外壁面噴涂耐高溫絕緣涂層；在動(dòng)模板18和推件板芯塊13上安裝絕緣隔熱材料層17進(jìn)行保溫使型腔內(nèi)部可以維持目標(biāo)溫度。所述定模板16和推件板芯塊13固定安裝，所述推件板15與定模板16之間設(shè)置有碟簧12，以實(shí)現(xiàn)推件板15在注塑-壓縮過程和脫模過程中來回移動(dòng)；金屬嵌件20安裝在定模腔內(nèi)；所述推件板芯塊13和動(dòng)模板18內(nèi)側(cè)的形狀與復(fù)合構(gòu)件的形狀相適配；所述定模板16、推件板芯塊13和金屬嵌件20由外側(cè)到內(nèi)側(cè)貫穿設(shè)置有樹脂注射流道，所述樹脂注射流道與注射料筒14相連。注塑過程，模具初次合模，通過注塑機(jī)控制模具初次合模位置，在碳纖維編織布8與金屬嵌件20表面形成預(yù)留浸漬間隙。預(yù)留浸漬間隙可有效避免碳纖維編織布8與金屬嵌件20的接觸，同時(shí)預(yù)留間隙區(qū)域的熔融聚合物在二次合模力作用下，實(shí)現(xiàn)熔融聚合物對(duì)碳纖維編織布厚度方向的浸漬及金屬表面微結(jié)構(gòu)的填充。

超聲振動(dòng)部分：所述超聲振動(dòng)部分包括超聲發(fā)生器10與超聲振動(dòng)子11，所述超聲振動(dòng)子貫穿推件板15和推件板芯13至所述樹脂注射流道上方。利用超聲振動(dòng)降低熔融聚合物粘度，改善聚合物流動(dòng)性能，進(jìn)而提升纖維浸漬質(zhì)量及金屬表面微結(jié)構(gòu)填充。

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例還提供了碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件超聲振動(dòng)-自阻加熱復(fù)合注塑-壓縮成型工藝流程：

(A)定位階段：首先將碳纖維維編織布8按一定鋪層方式放在動(dòng)模板18上的絕緣隔熱材料層17上，碳纖維編織布8兩端利用活動(dòng)銅電極19夾緊，固定銅電極7上設(shè)置有活動(dòng)銅電極19的導(dǎo)軌，固定銅電極7和活動(dòng)銅電極19之間可在保證良好接觸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)；并將經(jīng)過表面處理后的金屬嵌件20放置于定模型腔內(nèi)。

(B) 合模預(yù)熱階段：連接好自阻加熱回路后，進(jìn)行注塑-壓縮模具初次合模，動(dòng)模板18推動(dòng)推件板15向右移動(dòng)，壓縮碟簧12至指定位置（即，推件板與定模板的距離為1 ~ 5mm），在碳纖維編織布8與金屬嵌件20之間形成預(yù)留浸漬間隙（1 ~ 5 mm）；同時(shí)活動(dòng)銅電極19在碳纖維編織布8的牽引下向模具中心移動(dòng)，直至碳纖維編織布與動(dòng)模側(cè)絕緣隔熱材料層17表面完全貼合，打開電源開關(guān)5，碳纖維編織布8開始通電加熱至目標(biāo)溫度（220 ℃~400 ℃），升溫速率為80~350℃/min。

(C)浸漬階段：當(dāng)碳纖維編織布8升至目標(biāo)溫度后，碳纖維編織布開始保溫；將熔融聚合物（其中熱塑性樹脂主要是指PP、PA6、PA66、PEEK等）注射至金屬嵌件20與碳纖維編織布8間的預(yù)留浸漬間隙，注射速度為30 ~ 90 mm/s，注射壓力為30 ~ 80 MPa，注塑機(jī)開始注射熔融聚合物的同時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)生器10，使超聲振動(dòng)子11開始工作，超聲振動(dòng)子11端面直接在主流道內(nèi)對(duì)熔體施加超聲振動(dòng)，其作用階段包括整個(gè)間隙浸漬階段、復(fù)合構(gòu)件成型階段以及保壓階段，超聲波發(fā)生器工作頻率為10 ~ 60 KHz，功率為0 ~ 6000 W，浸漬時(shí)間為10-30s。

(D)復(fù)合構(gòu)件成型階段：進(jìn)行模具二次合模，進(jìn)一步壓縮碟簧12，直至推件板15和定模板16之間的距離為0，壓縮速度為0.5 ~ 10 mm/s，利用注塑-壓縮成型工藝完成熔融聚合物對(duì)碳纖維編織布厚度方向的浸漬及金屬表面微結(jié)構(gòu)的填充，實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料浸潤(rùn)成型及其與金屬板材的粘結(jié)。

(E)保壓階段：碳纖維編織布8繼續(xù)通電以保證型腔內(nèi)部的溫度達(dá)到聚合物熔點(diǎn)以上，保證浸漬質(zhì)量。保壓壓力為10 ~ 60 MPa，保壓時(shí)間為10 ~ 300 s。保壓結(jié)束時(shí)，碳纖維編織布8兩端斷電，超聲波發(fā)生器10停止工作。

(F)脫模階段：冷卻結(jié)束后，模具開模并取出碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件21，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

以下以具體實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

材料選擇

增強(qiáng)體：T300碳纖維編織布

熱塑性樹脂基材料：短纖增強(qiáng)聚丙烯，短纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%

工藝流程及參數(shù)

（1）金屬嵌件表面預(yù)處理：將6061鋁合金板材裁剪成合適尺寸的金屬嵌件（總長(zhǎng)為138 mm，寬為100 mm，沿長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ折彎，折彎角度為120°），并對(duì)其表面進(jìn)行陽極氧化處理，使金屬嵌件表面形成粗糙結(jié)構(gòu)。

（2）定位階段：裁剪尺寸為206 mm×130 mm的碳纖維編織布，對(duì)齊鋪層，鋪層數(shù)目為4層，鋪層厚度約為0.9 mm。將鋪好的碳纖維編織布放置在動(dòng)模板絕緣隔熱材料層表面，采用活動(dòng)電極19將其兩端夾持，為了增加導(dǎo)電性，碳纖維編織布兩端分別粘貼寬為25 mm的銅箔膠帶； 同時(shí)將步驟（1）得到的金屬嵌件20放置于定模型腔內(nèi)。

（3）合模預(yù)熱階段：連接好自阻加熱回路4后，模具進(jìn)行初次合模，動(dòng)模板18推動(dòng)推件板15向右移動(dòng)，預(yù)壓縮碟簧12至推件板15和定模板16之間的距離為1.5 mm?；顒?dòng)銅電極19被碳纖維編織布8牽引向模具中心移動(dòng)，將碳纖維編織布8固定在動(dòng)模表面，在金屬嵌件20與碳纖維編織布8之間形成1.5 mm厚的預(yù)留間隙；打開電源開關(guān)5，碳纖維編織布8開始通電加熱，升溫速率為200℃/min，溫度升高至260℃。

（4）浸漬階段：當(dāng)碳纖維編織布8升至260 ℃后開始保溫，注塑機(jī)注射熔融樹脂至金屬嵌件20與碳纖維編織布8之間的間隙區(qū)域，注射速度為30 mm/s，注射壓力為30 MPa，熔體溫度為250℃，模具溫度為100℃。注塑機(jī)注射熔融樹脂的同時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)生器10，超聲振動(dòng)子11開始工作，超聲波發(fā)生器10的輸出功率為100 W，超聲振動(dòng)子11工作頻率為30KHz。

（5）復(fù)合構(gòu)件成型階段：間隙浸漬階段完成后，模具進(jìn)行二次合模，進(jìn)一步壓縮碟簧12，壓縮速度為0.5 mm/s，從而推動(dòng)間隙區(qū)域熔融樹脂在碳纖維編織布厚度方向的浸漬，完成連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)21a的成型及金屬嵌件20表面微結(jié)構(gòu)的充填，實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬嵌件的粘結(jié)。

（6）保壓階段：復(fù)合結(jié)構(gòu)成型階段結(jié)束后，碳纖維編織布8繼續(xù)通電，型腔內(nèi)部溫度維持穩(wěn)定在250℃，保壓壓力為15 MPa，保壓時(shí)間為150 s。保壓結(jié)束后，碳纖維編織布8兩端立即斷電，并關(guān)閉超聲波發(fā)生器10。

（7）脫模階段：模具通入冷卻液體，待型腔內(nèi)部溫度冷卻至80℃時(shí)，模具開模，將碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件21頂出，完成脫模。

實(shí)施例2

材料選擇

增強(qiáng)體：T300碳纖維編織布

熱塑性樹脂基材料：聚酰胺6 （PA6）

金屬嵌件：Ti-6A1-4V 鈦合金

工藝流程及參數(shù)

（1）金屬嵌件表面預(yù)處理：將Ti-6A1-4V 鈦合金板材裁剪成合適尺寸的金屬嵌件（總長(zhǎng)為138 mm，寬為100 mm，沿長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ折彎，折彎角度為120°），并對(duì)其表面進(jìn)行陽極氧化處理，使金屬嵌件表面形成粗糙結(jié)構(gòu)。

（2）定位階段：裁剪尺寸為206×130 mm的碳纖維編織布8，對(duì)齊鋪層，鋪層數(shù)目為6層，鋪層厚度約為1.4 mm。將鋪好的碳纖維編織布放置在動(dòng)模板絕緣隔熱材料層上，采用活動(dòng)電極19將其兩端夾持，為了增加導(dǎo)電性，碳纖維編織布兩端分別粘貼寬為25 mm的銅箔膠帶；同時(shí)將步驟（1）得到的金屬嵌件20放置于定模型腔內(nèi)。

（3）預(yù)熱階段：連接好自阻加熱回路4后，模具進(jìn)行初次合模，動(dòng)模板18推動(dòng)推件板15向右移動(dòng)，預(yù)壓縮碟簧12至推件板15和定模板16之間的距離為2.5 mm；活動(dòng)銅電極19被碳纖維編織布8牽引向模具中心移動(dòng)，將碳纖維編織布8固定在動(dòng)模表面，在金屬嵌件20與碳纖維編織布8之間形成2.5 mm厚的預(yù)留間隙；打開電源開關(guān)5，碳纖維編織布8開始通電加熱，升溫速率為220℃/min，溫度升高至280 ℃。

（4）間隙浸漬階段：當(dāng)碳纖維編織布升至280 ℃后開始保溫，注塑機(jī)注射熔融樹脂至金屬嵌件20與碳纖維編織布8之間的間隙區(qū)域，注射速度為50 mm/s，注射壓力為50 MPa，熔體溫度為280℃，模具溫度為120℃。注塑機(jī)注射樹脂的同時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)生器10，超聲振動(dòng)子11開始工作，超聲波發(fā)生器10的輸出功率為300 W，超聲振動(dòng)子11工作頻率為40 KHz。

（5）復(fù)合構(gòu)件成型階段：間隙浸漬階段完成后，模具進(jìn)行二次合模，進(jìn)一步壓縮碟簧12，壓縮速度為1 mm/s，推動(dòng)間隙區(qū)域熔融樹脂在碳纖維編織布厚度方向的浸漬，完成連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)21a的成型及金屬嵌件20表面微結(jié)構(gòu)的充填，實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬嵌件的粘結(jié)。

（6）保壓階段：復(fù)合結(jié)構(gòu)成型階段結(jié)束后，碳纖維編織布8繼續(xù)通電，型腔內(nèi)部溫度維持穩(wěn)定在280℃，保壓壓力為25 MPa，保壓時(shí)間為200 s。保壓結(jié)束后，碳纖維編織布8兩端立即斷電，并關(guān)閉超聲波發(fā)生器10。

（7）脫模階段：模具通入冷卻液體，待型腔內(nèi)部溫度冷卻至100℃時(shí)，模具開模，將碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件21頂出，完成脫模。

實(shí)施例3

材料選擇

增強(qiáng)體：T700碳纖維編織布

熱塑性樹脂基材料：聚醚醚酮（PEEK）

金屬嵌件：Ti-6A1-4V 鈦合金

工藝流程及參數(shù)

（1）金屬嵌件表面預(yù)處理：將Ti-6A1-4V 鈦合金板材裁剪成合適尺寸（總長(zhǎng)為138mm，寬為100 mm，沿長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ折彎，折彎角度為120°）的金屬嵌件，并對(duì)其表面進(jìn)行陽極氧化處理，使金屬嵌件表面形成粗糙結(jié)構(gòu)。

（2）定位階段：裁剪尺寸為206×130 mm的碳纖維編織布，對(duì)齊鋪層，鋪層數(shù)目為6層，鋪層厚度為1.4 mm。將鋪好的碳纖維編織布放置在動(dòng)模板絕緣隔熱材料層表面，采用活動(dòng)電極19將其兩端夾持，為了增加導(dǎo)電性，碳纖維編織布兩端分別粘貼寬為25 mm的銅箔膠帶；同時(shí)將步驟（1）得到的金屬嵌件放置于定模型腔內(nèi)。

（2）預(yù)熱階段：連接好自阻加熱回路4后，模具進(jìn)行初次合模，動(dòng)模板18推動(dòng)推件板15向右移動(dòng)，預(yù)壓縮碟簧12至推件板15和定模板16之間的距離為3 mm。活動(dòng)銅電極19被碳纖維編織布8牽引向模具中心移動(dòng)，將碳纖維編織布8固定在動(dòng)模表面，在金屬嵌件與碳纖維編織布之間形成3 mm厚的預(yù)留間隙；打開電源開關(guān)5，碳纖維編織布8開始通電加熱，升溫速率為300℃/min，溫度升高至380℃。

（3）間隙浸漬階段：當(dāng)碳纖維編織布升至380 ℃后開始保溫，注塑機(jī)注射熔融樹脂至金屬嵌件20與碳纖維編織布8之間的間隙區(qū)域，注射速度為80 mm/s，注射壓力為80 MPa，熔體溫度為380℃，模具溫度為180℃。注塑機(jī)注射熔融樹脂的同時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)生器10，超聲振動(dòng)子11開始工作，超聲波發(fā)生器10的輸出功率為500 W，超聲振動(dòng)子11工作頻率為45KHz。

（4）復(fù)合結(jié)構(gòu)成型階段：間隙浸漬階段完成后，模具進(jìn)行二次合模，進(jìn)一步壓縮碟簧12，壓縮速度為2 mm/s，從而推動(dòng)間隙區(qū)域熔融樹脂在碳纖維編織布厚度方向的浸漬，完成連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)21a的成型及金屬嵌件20表面微結(jié)構(gòu)的充填，實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬嵌件的粘結(jié)。

（5）保壓階段：復(fù)合結(jié)構(gòu)成型階段結(jié)束后,碳纖維編織布8繼續(xù)通電,型腔內(nèi)部溫度維持穩(wěn)定在380℃，保壓壓力為30 MPa，保壓時(shí)間為300 s。保壓結(jié)束后，碳纖維編織布8兩端立即斷電，并關(guān)閉超聲波發(fā)生器10。

（6）脫模階段：模具通入冷卻液體，待型腔內(nèi)部溫度冷卻至120℃時(shí)，模具開模，將碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件21頂出，完成脫模。

本發(fā)明將碳纖維編織布固定在動(dòng)模絕緣隔熱材料層表面，并將裁剪好的金屬嵌件放置于定模型腔內(nèi)；模具初次合模，形成預(yù)留浸漬間隙；對(duì)碳纖維編織布通電，碳纖維在電流作用下快速升溫至聚合物熔融溫度以上后，開始注射熔融聚合物，同時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)生器，超聲振動(dòng)子端面在主流道內(nèi)對(duì)熔體施加超聲場(chǎng)，完成預(yù)留浸漬間隙處的填充。進(jìn)行二次合模，完成熔融聚合物對(duì)碳纖維編織布厚度方向的浸漬及金屬表面微結(jié)構(gòu)的填充，實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料浸潤(rùn)成型及其與金屬板材的粘結(jié)；保壓一段時(shí)間后，碳纖維編織布兩端斷電，關(guān)閉超聲波發(fā)生器，待聚合物冷卻后獲取碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件。本發(fā)明將碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成型及其與金屬材料的粘結(jié)在注塑模具中集成，實(shí)現(xiàn)了多材料異質(zhì)復(fù)合構(gòu)件“成型-連接”一體化制造，解決了傳統(tǒng)制造技術(shù)中將碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成型工藝與異質(zhì)材料連接工藝分離導(dǎo)致的工序多、耗能高、連接強(qiáng)度低等難題。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件的快速成型方法與裝置.pdf