纏繞成型激光固化制備復(fù)合材料屬于一種復(fù)合材料制備方法。
背景技術(shù)：
以往的復(fù)合材料制備方法有多種，其中之一是纏繞成型加溫固化法。
具體制備過(guò)程是先制造一個(gè)芯模，在其外側(cè)纏繞一層或多層增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶，形成復(fù)合材料預(yù)浸料層，再經(jīng)烘箱加溫固化成型，制得復(fù)合材料。
纏繞成型加溫固化法具有抗內(nèi)壓能力強(qiáng)、不易開(kāi)裂、可設(shè)計(jì)性好和工藝較靈活等優(yōu)點(diǎn)。
但存在制件形狀和尺寸受烘箱容積限制、生產(chǎn)連續(xù)性較差、能量利用率低、易發(fā)生流膠和滴膠、生產(chǎn)效率低、自動(dòng)化程度不高和成本較高等缺點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于提供一種能夠克服以往纏繞成型加溫固化法的缺點(diǎn)，用激光固化取代烘箱等加溫設(shè)備固化復(fù)合材料預(yù)浸料層的復(fù)合材料制備方法。
激光投射到材料上，會(huì)產(chǎn)生一定的光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)，這種光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)會(huì)帶來(lái)材料表面和內(nèi)部的溫度升高效應(yīng)。
在特定方向激光照射下，材料由表面到內(nèi)部的溫度變化取決于多種因素，包括投射深度χ、吸收系數(shù)α和散射系數(shù)S，如果入射激光能量密度為I0，則深度χ處得到的激光能量密度為：I=Ioexp(-(α+S)χ)。
越深處得到的激光光能越少，這種現(xiàn)象將導(dǎo)致激光照射方向上材料內(nèi)部出現(xiàn)遞減溫度梯度，使厚度稍大的預(yù)浸料不同深度處難以同步獲得所需的固化溫度。
本發(fā)明的一個(gè)解決方案是設(shè)計(jì)激光輸出器所輸出激光光斑的形狀，這樣就能在芯模轉(zhuǎn)速一定的情況下，通過(guò)增加激光輸出器所輸出激光光斑的長(zhǎng)度和寬度，來(lái)增加預(yù)浸料層上任一點(diǎn)被激光照射的時(shí)間，從而增加了熱擴(kuò)散時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料層內(nèi)部溫度的均勻化。
本發(fā)明的第二個(gè)解決方案是在構(gòu)成預(yù)浸料的樹(shù)脂液中添加適當(dāng)濃度的填料，以改變預(yù)浸料的吸收系數(shù)α和散射系數(shù)S，使得截面有效尺寸一定的預(yù)浸料層在激光照射下內(nèi)部出現(xiàn)有利的溫度梯度。
本發(fā)明的第三個(gè)解決方案是根據(jù)預(yù)浸料層中增強(qiáng)纖維束和樹(shù)脂液的材質(zhì)不同，選擇不同波長(zhǎng)的照射激光光源，以改變預(yù)浸料層的吸收系數(shù)α和散射系數(shù)S，使得截面有效尺寸一定的預(yù)浸料層在激光照射下內(nèi)部出現(xiàn)有利的溫度梯度。
由于本發(fā)明徹底擺脫了烘箱的限制，使纏繞成型技術(shù)制備大尺寸、低成本復(fù)合材料成為可能。
采用纏繞成型激光固化制備復(fù)合材料將獲得以下有益效果：
首先，由于徹底取消了烘箱固化，纏繞成型激光固化制備復(fù)合材料理論上使芯模尺寸可以任意大，而無(wú)需擔(dān)心烘箱的尺寸和大尺寸烘箱內(nèi)部的溫度均勻性問(wèn)題。
其次，由于激光固化速度極快，往往從激光照射到固化完成只需1～3秒，避免了烘箱固化時(shí)由于升溫速度緩慢導(dǎo)致的流膠、滴膠問(wèn)題，產(chǎn)品質(zhì)量更好。
第三，能量利用率極高，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化程度高，減少生產(chǎn)場(chǎng)地的占用和解放人力，生產(chǎn)成本低。
優(yōu)化的是，本發(fā)明激光束的加熱功率能夠與芯模的回轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)按設(shè)計(jì)匹配，保證了復(fù)合材料固化所需的最佳溫度。
優(yōu)化的是，本發(fā)明能夠通過(guò)增加激光輸出器所輸出激光光斑的長(zhǎng)度和寬度，來(lái)增加預(yù)浸料層被激光照射的時(shí)間，從而增加了熱擴(kuò)散時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料內(nèi)部溫度的均勻化。
優(yōu)化的是，本發(fā)明在構(gòu)成預(yù)浸料層的樹(shù)脂液中添加適當(dāng)濃度的填料，以改變預(yù)浸料的吸收系數(shù)α和散射系數(shù)S，使得截面有效尺寸一定的預(yù)浸料層在激光照射下內(nèi)部出現(xiàn)有利的溫度梯度。
優(yōu)化的是，本發(fā)明根據(jù)預(yù)浸料中增強(qiáng)纖維束和樹(shù)脂液的材質(zhì)不同，選擇不同波長(zhǎng)的照射激光光源，以改變預(yù)浸料的吸收系數(shù)α和散射系數(shù)S，使得截面有效尺寸一定的預(yù)浸料層在激光照射下內(nèi)部出現(xiàn)有利的溫度梯度。
優(yōu)化的是，本發(fā)明的芯模能夠采用低熱導(dǎo)率材料，減少向芯模傳熱造成的預(yù)浸料層的熱損失，以減小激光照射下預(yù)浸料層內(nèi)部的溫度梯度，提高固化質(zhì)量。
優(yōu)化的是，本發(fā)明的芯模能夠采用低熱容材料，減少芯模升溫吸熱造成的預(yù)浸料層的熱損失，以減小激光照射下預(yù)浸料層內(nèi)部的溫度梯度，提高固化質(zhì)量。
優(yōu)化的是，本發(fā)明的芯模能夠采用非回轉(zhuǎn)體，這種情況下，能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)控制下的芯模變速回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)照射到預(yù)浸料層的激光能量密度的均勻一致。
優(yōu)化的是，本發(fā)明的芯模采用非回轉(zhuǎn)體時(shí)，芯模不動(dòng)，能夠通過(guò)機(jī)械手操控激光輸出器，使激光束對(duì)預(yù)浸料層進(jìn)行勻速掃描，實(shí)現(xiàn)照射到預(yù)浸料層的激光能量密度的均勻一致。
優(yōu)化的是，本發(fā)明的芯模采用非回轉(zhuǎn)體時(shí)，能夠在芯模勻速回轉(zhuǎn)的情況下，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制下的激光輸出器變功率激光輸出，實(shí)現(xiàn)照射到預(yù)浸料層的激光能量密度的均勻一致。
優(yōu)化的是，本發(fā)明的激光輸出器能夠帶有振鏡，使得輸出激光束帶寬大幅度增加，從而大幅度提高加工效率。
附圖說(shuō)明
附圖1是本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程示意圖，1是芯模，2是預(yù)浸料層，3是激光輸出器，4是激光束，5是激光輸出器進(jìn)給方向，6是芯?；剞D(zhuǎn)方向，L是激光束的掃描帶寬。
利用纏繞設(shè)備獲得纏繞于芯模1上的預(yù)浸料層2，調(diào)整激光輸出器3至起始位置，啟動(dòng)激光輸出器3使之輸出激光束4，同時(shí)使芯模按著方向6回轉(zhuǎn)，同時(shí)使激光輸出器3按著進(jìn)給方向5以芯模每回轉(zhuǎn)一周約一個(gè)掃描帶寬L的速度進(jìn)給，激光束4掃描經(jīng)過(guò)全部預(yù)浸料層2后，激光固化加工過(guò)程完成。
本發(fā)明激光束4的加熱功率能夠與芯模1的回轉(zhuǎn)速度按設(shè)計(jì)匹配，保證預(yù)浸料層2固化所需的最佳溫度。
本發(fā)明能夠通過(guò)增加激光輸出器3所輸出激光光斑的長(zhǎng)度和寬度，來(lái)增加預(yù)浸料層2上任意一點(diǎn)被激光照射的時(shí)間，從而增加了熱擴(kuò)散時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料層2內(nèi)部固化溫度的均勻化。
本發(fā)明在構(gòu)成預(yù)浸料的樹(shù)脂液中添加適當(dāng)濃度的填料，以改變預(yù)浸料的吸收系數(shù)α和散射系數(shù)S，使得截面有效尺寸一定的預(yù)浸料層2在激光束4的照射下內(nèi)部出現(xiàn)最佳的溫度梯度。
本發(fā)明根據(jù)預(yù)浸料中增強(qiáng)纖維束和樹(shù)脂液的材質(zhì)不同，選擇不同波長(zhǎng)的照射激光光源，以改變預(yù)浸料的吸收系數(shù)α和散射系數(shù)S，使得截面有效尺寸一定的預(yù)浸料層2在激光束4的照射下內(nèi)部出現(xiàn)最佳的溫度梯度。
本發(fā)明的芯模1能夠采用低熱導(dǎo)率材料，減少向芯模1傳熱造成的預(yù)浸料層2的熱損失，以減小激光束4的照射下預(yù)浸料層2內(nèi)部的溫度梯度，提高固化質(zhì)量。
本發(fā)明的芯模1能夠采用低熱容材料，減少芯模1升溫吸熱造成的預(yù)浸料層2的熱損失，以減小激光束4的照射下預(yù)浸料層2內(nèi)部的溫度梯度，提高固化質(zhì)量。
本發(fā)明的芯模1能夠采用非回轉(zhuǎn)體，這種情況下，能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)控制下的芯模1變速回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)照射到預(yù)浸料層2的激光能量密度的均勻一致。
本發(fā)明的芯模1采用非回轉(zhuǎn)體時(shí)，固化過(guò)程中芯模1不動(dòng)，能夠通過(guò)機(jī)械手操控激光輸出器3，使激光束4對(duì)預(yù)浸料層2進(jìn)行勻速掃描，實(shí)現(xiàn)照射到預(yù)浸料層2的激光能量密度的均勻一致。
本發(fā)明的芯模1采用非回轉(zhuǎn)體時(shí)，能夠在芯模1勻速回轉(zhuǎn)的情況下，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制下的激光輸出器3變功率激光輸出，實(shí)現(xiàn)照射到預(yù)浸料層2的激光能量密度的均勻一致。
本發(fā)明的激光輸出器3能夠帶有振鏡，使得輸出激光束4的掃描帶寬L大幅度增加，從而大幅度提高加工效率。