利用碳纖維制造制品的方法及利用該方法制造的制品的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于制造復(fù)合材料制品的熱壓縮模塑方法，所述的方法包括步驟i)提供一個(gè)其中形成有待制造的制品(30)的負(fù)形(31、32)的模具(20)；ii)向所述的模具(20)插入一個(gè)包括一或多片包含熱硬化樹脂基體和碳纖維的復(fù)合材料的SMC半成品(10)，將所述的模具處于適合使所述的熱硬化樹脂固化的溫度下進(jìn)行預(yù)熱；iii)合攏所述的模具(20)，并根據(jù)一個(gè)預(yù)定義的時(shí)間—壓強(qiáng)規(guī)則在一個(gè)高壓鍋內(nèi)進(jìn)行一壓縮循環(huán)；以及iv)取出所述的制品(30)，在其中，插入到所述的模具(20)中的SMC半成品(10)的量是通過(guò)稱量所述的待制造的制品(30)的量的基礎(chǔ)上計(jì)算的，計(jì)算旨在與所述的形狀(31、32)的表面相接觸所述的SMC半成品(10)的表面的大小，以便以介于70至99％之間的比例覆蓋所述的表面，尤其是大于80％且小于或等于99％。歸功于這些特性，獲得基本上無(wú)表面缺陷的，并適合結(jié)構(gòu)和美學(xué)應(yīng)用的制造的制品是有可能的。
【專利說(shuō)明】利用碳纖維制造制品的方法及利用該方法制造的制品

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用復(fù)合材料制造制品的領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種利用包括碳纖維的復(fù)合材料制造制品的熱壓縮模塑方法，以及利用該方法制造的制品。

【背景技術(shù)】
[0002]已知的利用復(fù)合材料制造制品的方法采用熱壓縮模塑的技術(shù)，在其中，有規(guī)則的大量的包括由剛性材料的纖維強(qiáng)化的熱硬化基體的材料，插入由適合賦予所述的制品一預(yù)定形狀的鋼或鋁制作的模具中。該技術(shù)，是為由玻璃纖維強(qiáng)化的模塑制品而創(chuàng)建的，但如今也越來(lái)越多的應(yīng)用到由碳纖維強(qiáng)化的制品中，允許獲得具有低重量和優(yōu)異的機(jī)械性能，以及良好的尺寸公差的部件。
[0003]熱壓縮模塑技術(shù)非常適合基本上無(wú)切口細(xì)節(jié)的制品的制造，通過(guò)有兩個(gè)重疊部分組成的模具獲得，在其中，制品的形狀形成為負(fù)形且分為兩部分。
[0004]在一個(gè)典型的基于碳纖維的復(fù)合材料的制品的熱壓縮模塑的方法中，由熱硬化樹脂和碳纖維組成的半成品被使用。這些采用與所述的壓縮模塑方法相區(qū)分的方法制成的半成品以預(yù)浸潰的薄板的形式在工業(yè)中被大家知道，英文首字母為“SMC” (Sheet MoldingCompound,片狀模塑料)。
[0005]所述的SMC半成品一般包括多個(gè)重疊的預(yù)浸潰的薄片，以形成一單塊。在裝入所述的模具中之前，SMC半成品可以方便地經(jīng)過(guò)熱處理，例如通過(guò)紅外線的方式，其促進(jìn)在所述的模具中它的排列并允許減少熱硬化樹脂的固化時(shí)間。
[0006]為了控制像是在熱交聯(lián)階段的尺寸收縮、表面處理、從模具中輕松地拆離以及在火中的反應(yīng)的特點(diǎn)，所述的熱硬化樹脂通常充入礦物質(zhì)電荷、潤(rùn)滑油、脫模劑、阻燃劑等類似的物質(zhì)。碳酸鈣、高嶺土、硬脂酸鹽、氧化物和鈣、鎂、鋁的水合物是一些最常用的添加劑。
[0007]歸功于輕的重量和高的機(jī)械性能，開始于SMC半成品，利用具有碳纖維的復(fù)合材料通過(guò)所述的熱壓縮模塑技術(shù)制成的制品在汽車行業(yè)中應(yīng)用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)組件，像是例如燈體支撐，擋風(fēng)玻璃框架和車身部件支撐單元，已經(jīng)好多年了。
[0008]盡管如此，由于它們的比較粗糙的表面處理，這些制品一般不會(huì)用于機(jī)動(dòng)車輛美學(xué)單元的制造，像是，例如車身部件和乘客車廂的細(xì)節(jié)。特別是，從SMC半成品開始制作的復(fù)合材料的制品具有表面缺陷，像是，例如孔隙率和即使是肉眼可見的起伏，因此，盡管極好的機(jī)械性能，使它不適合某一應(yīng)用或僅僅美學(xué)。
[0009]US4855097描述了一種通過(guò)壓縮模塑制造汽車外部主體面板的方法，在其中，含有硬化樹脂的填充物覆蓋了介于40%至80%之間的模塑面的表面區(qū)域。根據(jù)該已知文件，高于80 %的覆蓋面不允許必須要提供相同的輕微運(yùn)動(dòng)的填充物的足夠的流動(dòng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]因此，本發(fā)明的目的是提供一種利用包括碳纖維的復(fù)合材料制造制品的方法，其克服了上述的缺點(diǎn)，和利用該方法制造的制品。所述的目的通過(guò)一種方法和一種制品實(shí)現(xiàn)，其主要特點(diǎn)在權(quán)利要求1和13中詳細(xì)說(shuō)明，同時(shí)，其他的特點(diǎn)分別地在其余的權(quán)利要求中詳細(xì)說(shuō)明。
[0011]本發(fā)明中的方法的思想是減少所述的SMC半成品的材料的滑動(dòng)，以減少表面缺陷的形成。
【發(fā)明者】發(fā)現(xiàn)表面缺陷的存在，像是孔隙率和起伏受裝入所述的模具中的復(fù)合材料的流動(dòng)的影響很大，這決定了成品中的不同區(qū)域碳纖維不同的取向。尤其是，在根據(jù)已知的熱壓縮模塑方法制造的基于碳纖維的復(fù)合材料的制品中已經(jīng)觀察到，有較少的表面缺陷的表面部分在所述的纖維取向與裝入至所述的模具中SMC半成品基本上一致的那些制品中。
[0012]為了獲得沒(méi)有表面缺陷的制品，根據(jù)本發(fā)明，模具中的SMC半成品的裝入是通過(guò)計(jì)算適合允許與該制品的形狀相一致的完全填充的模子，和所述的模具中形成的形狀的表面展開圖，并且通過(guò)確保所述的半成品的表面覆蓋所述的形狀的表面的比例介于70%至99%之間，尤其是高于80%且小于或等于99%，而進(jìn)行的。歸功于這些特征，減少?gòu)?fù)合材料在模具內(nèi)的滑動(dòng)是可能的，因此所述的碳纖維，從而顯著地減少表面缺陷的形成，特別是孔隙率和起伏。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法制備的制品適合結(jié)構(gòu)和美學(xué)的應(yīng)用，例如用于機(jī)動(dòng)車輛的車身部件和/或乘客車廂的涂覆單元的制造，迄今為止，通過(guò)已知的SMC制品的熱壓縮模塑方法，其詳情未實(shí)現(xiàn)。
[0013]根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，本發(fā)明的方法包括一步驟，添加至少一層具有單向碳纖維的預(yù)浸潰織物，在所述的步驟中，至少一層與所述的SMC半成品的旨在與在模具中形成的制品的形狀的表面接觸的一或兩面相接觸排列。
[0014]為了促進(jìn)空氣和其他限制在所述的SMC半成品和一或多層疊加在它上的預(yù)浸潰織物中的揮發(fā)性物質(zhì)的疏散，可以方便地在單向纖維上進(jìn)行切割。這使避免氣泡的形成并由此進(jìn)一步提高所述的制品的表面處理成為可能。
[0015]為了不削弱所述的單向纖維的預(yù)浸潰織物的層，優(yōu)選地，所述的切割相對(duì)于所述的纖維的方向傾斜，且在相同的方向上彼此偏離。進(jìn)一步地，所述的切割具有預(yù)定的長(zhǎng)度和相對(duì)距離。
[0016]作為單向碳纖維的預(yù)浸潰織物的層的一個(gè)替代方式，可以用一片由碳纖維制成的無(wú)紡布、纖維玻璃或腈綸材料，正如在以前的情況下，這可與所述的SMC半成品的旨在與在模具中形成的形狀的表面接觸的一或兩面相接觸排列。
[0017]由于它允許進(jìn)一步地改善表面處理，所以一或多層預(yù)浸潰的具有單向纖維的預(yù)浸潰的織物或一或多片碳無(wú)紡布的使用是方便的，從而獲得一個(gè)本質(zhì)上無(wú)表面缺陷的產(chǎn)品。事實(shí)上，這樣的層或片的表面處理特性甚至比所述的SMC半成品的這些好。
[0018]提供至少一層單向的碳纖維的預(yù)浸潰織物和至少一片碳無(wú)紡布的結(jié)合的使用也是有可能的。
[0019]本發(fā)明帶來(lái)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是所述的熱壓縮模塑方法與傳統(tǒng)類型的熱壓縮模塑方法相比較,不需要增加成本。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]從下面的對(duì)一實(shí)施例的詳細(xì)且沒(méi)有限制的描述，其中包括附圖，本發(fā)明所述的織物和方法的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。
[0021]圖1至圖3為本發(fā)明的由復(fù)合材料制成的制品的熱壓縮模塑方法的示意性主要步驟；以及
[0022]圖4為本發(fā)明在模塑方法中壓力隨時(shí)間變化過(guò)程的圖表。

【具體實(shí)施方式】
[0023]圖1至圖3為本發(fā)明的由復(fù)合材料制成的制品的熱壓縮模塑方法的示意性主要步驟。
[0024]一個(gè)包括一或多片包含熱硬化樹脂基體和碳纖維的復(fù)合材料的SMC半成品10插入到模具20中，在其中，待制造的制品30的形狀形成為負(fù)形。正如已知的，所述的制品的形狀沿著所述的模具的開口面P劃分成兩部分，以允許所述的SMC半成品的插入和所述的成品的取出。在所述的制品30形成的負(fù)形形狀的表面由參考號(hào)碼31、32表示，并且分別在所述的模具20的第一部分21和第二部分22中形成。
[0025]所述的用于所述的SMC半成品的熱硬化樹脂是從包括乙烯酯、酚醛、環(huán)氧、聚酯、聚酰胺、氰基酯的樹脂或其組合的群組中優(yōu)選的。
[0026]所述的碳是以長(zhǎng)度介于5至200mm之間的細(xì)纖維絲的形式使用的，優(yōu)選地，等于I英寸(25.4mm)。每根碳纖維絲由介于3000至24000條之間的數(shù)量的纖維的碳纖維制成，優(yōu)選地，大約等于12000條纖維。碳纖維的量在所述的熱硬化樹脂的質(zhì)量的25%至75%之間變化，并且優(yōu)選地，等于質(zhì)量的50 %。
[0027]為了獲取一制品，模具20預(yù)加熱至一個(gè)合適的溫度，以允許構(gòu)成所述的半成品的基體的熱硬化樹脂的交聯(lián)。在上述的熱硬化樹脂的情況下，該溫度是，例如，介于120至150°C之間，并且優(yōu)選地，等于130°C。
[0028]插入到所述的模具中的SMC半成品的量是通過(guò)稱量所述的待制造的制品的量的基礎(chǔ)上計(jì)算的。
[0029]根據(jù)本發(fā)明，除所述的SMC半成品的質(zhì)量的計(jì)算外，所述的SMC半成品的旨在與在所述的模具20中形成的形狀的表面31、32相接觸的表面的尺寸被計(jì)算，以便以介于70至99%之間的比例覆蓋該表面，尤其是大于80%且小于或等于99%。歸功于這些特性，在所述的模具合攏期間和壓縮的后續(xù)階段的材料的滑動(dòng)是極其有限的，允許基本上保持所述的SMC半成品的纖維的不變的各項(xiàng)同性的排列。因此，根據(jù)本發(fā)明所述的模塑方法所產(chǎn)生的制品30具有基本上表面處理無(wú)缺陷的特性。
[0030]在所述的覆蓋面的計(jì)算中，考慮所述的形狀的表面31、32的全部的展開圖，包括平坦部，凸部和凹部，而不是，例如，由所述的模具的開口面P所得的前部區(qū)域。然而，它被實(shí)驗(yàn)證明，在覆蓋面計(jì)算中，忽略具有薄的厚度的細(xì)節(jié)，例如側(cè)壁，是可能的。
[0031]在模塑方法中，對(duì)于覆蓋比例較少的即接近70%的材料，有一個(gè)比較大的變化，且對(duì)于覆蓋比例最高的即接近99%的，變化基本上為零，是很清楚的。雖然實(shí)驗(yàn)測(cè)試已經(jīng)證明最低比例的覆蓋更適合具有大約2mm厚度的制品，在此，在任何情況下所述的材料的變化是有限的，同時(shí)，較高比例的覆蓋更適合具有大約4_厚度的制品，在此，在模塑方法中，反而存在所述的材料的大的變化。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，所述的方法可包括一步驟，添加一或多層具有單向碳纖維的預(yù)浸潰的織物，所述的SMC半成品的旨在與所述的形狀的表面31、32相接觸的的一或兩面相接觸排列，因此將形成所述的制品的外表面。
[0033]所述的被使用的預(yù)浸潰的材料，例如，包含熱硬化樹脂的基體，像是環(huán)氧，在其中，多根平行排列的碳纖維被浸潰。一或多個(gè)包括單向碳纖維的增加層的使用允許進(jìn)一步的改善表面處理，因此獲得一個(gè)基本上無(wú)表面缺陷的產(chǎn)品。
[0034]一或多層具有單向碳纖維的預(yù)浸潰織物的重疊也方便地允許改善所述的制品的機(jī)械性能，例如能夠根據(jù)在操作中會(huì)被拉伸的負(fù)載的方向選擇纖維的取向。該特性在旨在具有美學(xué)和結(jié)構(gòu)應(yīng)用的制品的制造中是很重要的。
[0035]在該步驟中所用到的材料可以是，例如，碳含量介于20至140g/m2之間的單向纖維的預(yù)浸潰的織物，優(yōu)選地大約等于40g/m2。
[0036]為了促進(jìn)空氣和其他限制在所述的層中的揮發(fā)性物質(zhì)的疏散，也避免氣泡的形成和進(jìn)一步改善所述的表面處理，在單向纖維上切割是有益的。
[0037]優(yōu)選地，所述的切割相對(duì)于所述的纖維的方向傾斜和排列，以使在這樣的方向上的連續(xù)的切割部分地彼此偏離，即僅包括部分的相同的纖維。
[0038]尤其是，所述的切割相對(duì)于所述的纖維的傾斜角度是介于30°至60°之間，例如45°，并且在所述的碳纖維方向上的連續(xù)的切割是具有至多50%的相同的纖維。這些特點(diǎn)允許消除空氣和其他揮發(fā)性物質(zhì)，而沒(méi)有削弱單向纖維的預(yù)浸潰織物的層。
[0039]此外，一直有允許消除空氣和其他揮發(fā)性物質(zhì)，且不削弱單向纖維的預(yù)浸潰織物的層的目標(biāo)，所述的切割具有介于I至20mm的長(zhǎng)度,例如5mm,并且由介于5至10mm的間隔相互隔開，例如50mm。
[0040]作為單向碳纖維的預(yù)浸潰織物的一個(gè)替代方式，可以用一或多片碳無(wú)紡布、纖維玻璃或腈綸織物，正如在以前的情況下，這可以與所述的SMC半成品的旨在與前部和后部的形狀相接觸的一或兩面相接觸排列。使用的材料的碳含量可以介于40至200g/m2之間，優(yōu)選地，大約等于100g/m2。
[0041]例如，圖1至3中所示的一排列在所述的SMC半成品的旨在與在所述的模具20中形成的形狀的表面31相接觸的表面上的預(yù)浸潰織物的一單層40。
[0042]在所述的SMC半成品的旨在與所述的形狀的前部或后部相接觸的的一或兩面，提供至少一層具有單向碳纖維的預(yù)浸潰織物和至少一片碳無(wú)紡布、纖維玻璃或腈綸織物的結(jié)合使用是有可能的。在這種情況下，歸功于改善了的美學(xué)特性，優(yōu)選地，無(wú)紡布的層與所述的形狀的表面31、32相接觸排列，因此將構(gòu)成了該制品的外表面。
[0043]所述的SMC半成品10裝入到所述的模具20中是處于大氣壓強(qiáng)和需要介于10至60秒之間的時(shí)間下進(jìn)行的。所述的模具20，在介于120至150°C的溫度下預(yù)熱，然后根據(jù)預(yù)定的時(shí)間-壓力規(guī)則，在高壓鍋中通過(guò)開始循環(huán)壓縮合攏。
[0044]參照?qǐng)D4的圖表，例如，根據(jù)線性規(guī)則，在一個(gè)大約30秒的時(shí)間內(nèi)，壓強(qiáng)增加至一個(gè)介于15至25巴之間的值，優(yōu)選地，大約等于18巴。該壓力條件保持一段介于大約10至20秒之間的時(shí)間，例如15秒，其后，所述的壓力迅速地增加到一個(gè)介于70至90巴之間的值，例如80巴。在該情況下，壓力的增加也可以符合線性規(guī)則。
[0045]然后，所述的制品保持在該壓強(qiáng)和溫度條件下大約300秒，其后，所述的壓強(qiáng)減少至環(huán)境值，開啟所述的模具20，并且取出所述的制品30，在適合防止變形的特殊的模子中冷卻，且最后接受表面處理，像是，例如去除模塑的毛刺。
[0046]本發(fā)明的在此描述和說(shuō)明的實(shí)施例僅僅是易于作出許多變形的示例。例如，總是具有減少所述的碳纖維的位移的目標(biāo)，并且更一般地，材料在模具內(nèi)的流動(dòng)，在具有相同比例覆蓋面的極其不對(duì)稱的零件的制造中，根據(jù)該待制造制品的平面形狀，提供一 SMC半成品模塑的步驟是可能的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造復(fù)合材料制品的熱壓縮模塑方法，所述的方法包括以下步驟: i)提供一個(gè)其中形成有待制造的制品(30)的負(fù)形(31、32)的模具(20)； ?)向所述的模具(20)插入一個(gè)包括一或多片包含熱硬化樹脂基體和碳纖維的復(fù)合材料的SMC半成品(10)，將所述的模具處于適合使所述的熱硬化樹脂固化的溫度下進(jìn)行預(yù)執(zhí).1ii)合攏所述的模具(20)，并根據(jù)一個(gè)預(yù)定義的時(shí)間一壓強(qiáng)規(guī)則在一個(gè)高壓鍋內(nèi)進(jìn)行一壓縮循環(huán)；以及 iv)取出所述的制品(30)， 在其中，插入到所述的模具(20)中的SMC半成品的量是通過(guò)稱量所述的待制造的制品(30)的量的基礎(chǔ)上計(jì)算的，其特征在于，計(jì)算旨在與所述的形狀(31、32)的表面相接觸的所述的SMC半成品(10)的表面的大小，以便以介于70至99%之間的比例覆蓋所述的表面，尤其是大于80 %且小于或等于99 %。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塑方法，其特征在于，在所述的覆蓋面的計(jì)算中，考慮所述的形狀(31、32)的表面的全部展開圖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模塑方法，其特征在于，所述的構(gòu)成該SMC半成品的熱硬化樹脂是從包括乙烯酯、酚醛、環(huán)氧、聚酯、聚酰胺、氰基酯的樹脂或其組合的群組中優(yōu)選的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的模塑方法，其特征在于，所述的碳是以長(zhǎng)度介于5至200mm之間的細(xì)纖維絲的形式使用的，每根細(xì)纖維絲由介于3000至24000之間的數(shù)量的碳纖維制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的模塑方法，其特征在于，所述的碳纖維的量在所述的熱硬化樹脂的質(zhì)量的25%至75%之間變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的模塑方法，其特征在于，進(jìn)一步地包括一步驟，其中添加一或多層具有單向碳纖維的預(yù)浸潰的織物和/或一或多片碳無(wú)紡布，所述的層和/或片與所述的SMC半成品(10)的旨在和該模具(20)中所述的形狀的表面(31、32)相接觸的的一個(gè)或兩個(gè)面相接觸排列。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模塑方法，其特征在于，所述的預(yù)浸潰材料包括熱硬化樹脂基體，在其中，大多數(shù)的彼此相互平行排列的碳纖維被浸潰。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的模塑方法，其特征在于，所述的預(yù)浸潰的織物具有介于20至140g/m2之間的碳含量。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的模塑方法，其特征在于，所述的無(wú)紡布具有介于40至200g/m2之間的碳含量。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的模塑方法，其特征在于，進(jìn)一步地包括一對(duì)所述的具有單向碳纖維的預(yù)浸潰的織物的一個(gè)或多個(gè)層進(jìn)行切割的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的模塑方法，其特征在于，所述的切割相對(duì)于所述的碳纖維的方向傾斜一個(gè)介于30°至60°之間的角度，并且在于，隨后的沿所述的碳纖維的方向的切割是部分地錯(cuò)位排列的，以共享所述的纖維的至多50%。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的模塑方法，其特征在于，所述的切割具有介于I至20mm之間的長(zhǎng)度,且它們的相對(duì)距離介于5至1mm之間。
13.一種由聚合材料制成的制品，其特征在于，所述的制品是通過(guò)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法制造的。
14.一種機(jī)動(dòng)車輛主體單元，其特征在于，所述的主體單元是通過(guò)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法制造的。
15.一種用于機(jī)動(dòng)車輛乘客車廂的覆蓋單元，其特征在于，所述的覆蓋單元是通過(guò)權(quán)利要求I至12中任一項(xiàng)的方法制造的。
【文檔編號(hào)】B29C70/46GK104136203SQ201380011217
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2013年2月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月28日
【發(fā)明者】阿帝利奧·馬西尼 申請(qǐng)人:蘭博基尼汽車公開有限公司