（机械工程专业论文）热熔法预浸料制备设备及其关键技术的研究.pdf

中文摘要 本课题是关于热熔法预浸料制备设备及其关键技术的研究。预浸料设备是 专门生产预浸料的机器，预浸料被广泛运用在航空航天事业中，但是这种设备 西方国家对我国禁运，制约着我们航天事业的发展，为此，我国在近几年也设 计了一些预浸料设备，但是由于各种原因和存在的问题，都不尽人意。为此， 课题组在原来设备的基础上做了一些改进和完善，设计了一套新型的预浸料制 备设备，该设备采用预浸料的一次直接制备方法，从而省去了预制胶膜纸过程， 而且可以实现较长预浸料的单卷生产。本文主要内容有以下几部分： 1 首先提出一套新型的热熔法预浸料制备方法：将以前热熔法中的制膜和 预浸两个工艺流程结合在一个工艺流程中进行，可以实现预浸料的连续生产。 2 根据预浸料制备的工艺流程，结合预浸料设备的总体功能要求，对预浸 料设备的一些装置进行改进和设计：放卷装置、浸胶装置、冷却装置、加膜装 置和收卷装置，其中浸胶装置和收卷装置是该设备的创新点，并在p r o e 的环 境下设计了这些装置的三维模型。 3 对该预浸料设备的一些关键技术进行了分析和研究：浸胶过程中含胶量 是个关键因素，采用电容式传感器来检测纤维浸胶后的含胶量，利用a n s y s 的电场分析，通过分析电容式传感器中的电容变化来检测预浸料的含胶量变化， 并通过步进电机控制系统来调整：收卷装置中提出一种新型的预浸料收卷方 式一在芯轴的回转和在其轴线方向的回转运动下，通过控制系统对芯轴的回转 运动和往复运动进行控制，将带有薄膜的预浸纤维丝在一定的速度和张力作用 下，螺旋收卷在芯轴上，并对预浸料收卷的一些理论知识进行了分析研究。 本文设计的预浸料制备设备生产的预浸料长度可达到3 0 0 0m m ，具有结构 简单、工艺性能好、隔离纸用量少、生产效率高等优点，相信在以后的预浸料 生产中将会得到广泛的应用。 关键词：浸胶装置，电容式传感器，步进电机，收卷规律，线型 a b s t r a c t t h et o p i ci sa b o u tt h er e s e a r c ho np r e p r e gp r e p a r a t i o ne q u i p m e n t 、析t l lh o t - m e l t a n di t sk e yt e c h n o l o g y p r e p r e ge q u i p m e n ti ss p e c i a f i c a l l yu s e di nt h ep r o d u c t i o no f p r e p r e g ，p r e p r e g sa l ew i d e l yu s e di nt h ea e r o s p a c ei n d u s t r y , b u tt h i se q u i p m e n ti s e m b a r g o e dt oc h i n ai nw e s t e r nc o u n t r i e s ，r e s t r i c t i n gt h ed e v e l o p m e n to fo u r a e r o s p a c ei n d u s t r y , s oo u rc o u n t r y h a sa l s od e s i g n e dan u m b e ro fp r e p r e ge q u i p m e n t i nt h en e a rf e wy e a r s ，b u tw h i c hi su n s a t i s f a c t o r yf o rv a r i o u sr e a s o n sa n dt h e p r o b l e m s t ot h i se n d ，t h er e s e a r c hg r o u pi m p r o v e sa n dr e f i n e so nt h eb a s i so ft h e o r i g i n a le q u i p m e n t ，d e s i g n san e wp r e p r e gp r e p a r a t i o ne q u i p m e n t ，t h ee q u i p m e n t u s e sad i r e c tp r e p r e gp r e p a r a t i o nm e t h o d ，e l i m i n a t st h ep r o c e s sf o rp r e f a b r i c a t i n g f i l mp a p e r , a n da c h i e v e sl o n g e rp r e p r e gi na s i n g l ev o l u m ep r o d u c t i o n t h em a i n c o n t e n to ft h ep a p e rh a st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： 1 t h ep a p e rp r o p o s e san e wt y p eo fh o t m e l tp r e p r e gm a t e r i a lp r e p a r a t i o n m e t h o d sf i r s t l y ：t h em e m b r a n ea n dp r e p r e g p r o c e s so f t h ep r e v i o u sh o t m e l tm e t h o d c o m b i n ei nap r o c e s s ，w h i c hc a na c h i e v eac o n t i n u o u sp r e p r e gp r o d u c t i o n 2 a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fp r e p a r a t i o no ft h ep r e p r e ga n dt h eo v e r a l l f u n c t i o nr e q u i r e m e n t so ft h ep r e p r e ge q u i p m e n t ，t h ep a p e ri m p r o v e sa n dd e s i g n s s o m eo ft h ed e v i c e so ft h ep r e p r e ge q u i p m e n t ：t h eu n w i n d i n gd e v i c e ，d i p p i n gd e v i c e ， c o o l i n gd e v i c e ，p l u sf il md e v i c ea n dt h ew i n d i n gd e v i c e ，d i p p i n gd e v i c ea n dt h e s w i n d i n gd e v i c ea m o n gt h e s ed e v i c ea r et h ei n n o v a t i o n , a n dd e s i g n s3dm o d e lo f t h e s ed e v i c e si nt h ep r o | ee n v i r o n m e n t 3 t h ep a p e ra n a l y z e sa n dr e s e a r c hs o m ek e yt e c h n o l o g yo ft h ep r e p r e g e q u i p m e n t ：t h eg e lc o n t e n ti s ak e yf a c t o ri nt h ed i p p i n gp r o c e s s , t h ep a p e ru s e s c a p a c i t i v es e n s o r st o d e t e c tt h eg e lc o n t e n ti nt h ef i b e r d i p p e df i e l d , a n a l y z e s c a p a c i t a n c ec a p a c i t a n c ei nt h es e n s o rt od e t e c tc h a n g e si nt h ep r e p r e gg e lc o n t e n t c h a n g e sb ya n s y s ，a n du s e ss t e p p e rm o t o rc o n t r o ls y s t e mt oa d j u s t ；，t h ep a p e r p r o p o s e san e wp r e p r e gw i n d i n gm e t h o di nw i n d i n gd e v i c e - i nt h em a n d r e lr o t a t i o n a n d c o n t r o ls y s t e mf o rr o t a r ym o t i o na n dr e c i p r o c a t i n gm o t i o no ft h em a n d r e li nt h e a x i a ld i r e c t i o no fr o t a r ym o t i o nc o n t r o l ，p r e p r e gf i b e ry a mw i t hat h i nf i l ms p i r a l s n w i n d i n gm a n d r e lu n d e rac e r t a i ns p e e da n dt e n s i o n ，a n da n a l y z e ss o m et h e o r e t i c a l k n o w l e d g eo fp r e p r e gw i n d i n g t h ep r e p r e gp r e p a r a t i o ne q u i p m e n to ft h ep a p e rc a l lp r o d u c tt h e3 , 0 0 0m m l e n g t ho ft h ep r e p r e g ，t h ee q u i p m e n th a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，g o o d p r o c e s sp e r f o r m a n c e ，l e s si s o l a t i o np a p e rp r o d u c t i o na n dh i g h e re f f i c i e n c y , a n d b e l i e v et h ep r e p r e gp r o d u c t i o nw i l lb ew i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：d i p p i n gd e v i c e ，c a p a c i t i v es e n s o r ，s t e p p e rm o t o r , w i n d i n gr u l e ，l i n e a r i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 国内外预浸料设备发展现状 预浸料设备是专门用来生产航空航天所用预浸料的设备，这种设备在西 方国家很早就应用在航空航天方面，加快了航空航天的发展，但是在以前的很 长一段时间，我国还没有这种设备，航空航天所需要的预浸料还需要从国外引 进，但是受西方国家“巴统 的限制，发达国家故意刁难，把碳纤维预浸料的 生产技术列为禁运之列瞳1 ，对我国是严格控制封锁，制约了我国碳纤维工业的 发展，从而使国内飞机制造业处于被动地位，受制于发达国家，减慢了我国军、 民用飞机的生产步伐。尽管我国航空及复合材料的专家多次赴国外考察，想引 进国外复合材料的生产设备，但都没有取得成功。 在西方国家对我国预浸料的进口进行封锁情况下，我国专家在摸着石头过 河的探索中，逐渐建立了碳纤维生产的雏形，但是仍处于初级阶段，由于p a n 原丝质量不过关和生产技术及设备不够完善，在产量和质量等方面还不能满足 市场需求。随着科技的发展，碳纤维应用得到了不断的发展，市场需求很旺盛， 但是许多用途还有待开发，相信在不久的将来，碳纤维预浸料的市场前景更广 阔，潜力更大。 为了国内的航空航天和军工事业的发展，我国不能受制于别的国家，必须 自行开发预浸料技术和设备。在9 0 年代后期，在国家组建陆航的大背景下，北 京航空材料研究院与有关单位合作研究出一套生产玻璃纤维的窄带预浸机。这 是我国第一台完全依靠本国力量的预浸料设备，是我国航空航天方面的重大突 破，填补了国家这方面的空白，从此以后预浸料的需求不再受制于外国的施舍， 生产出来的预浸料完全符合航空航天所用材料的标准，甚至在某些指标还超过 了从外国进口的预浸料标准。 自从碳纤维预浸料工业化生产以来，世界各国都特别重视预浸料的应用开 发。目前，预浸料的市场需求已经在北美、欧洲和亚洲占有一席重要的位置。 由于碳纤维预浸料性能优越，具有很高的附加值，国外专家曾经预测复合材料 的发展前景不仅仅在航空航天和军工方面，随着科技的发展和完善，它将更广 泛的应用到新的一些领域中1 。如：体育用品中的高尔夫球杆、自行车三角架 武汉理工大学硕士学位论文 和摩托车头盔等；医疗器械中的医用c t 床、假肢：机械制造工业的玻璃钢叶 片、纺织机部件、消声设备和煤矿机械部件d 叫1 等。由此而见，当前世界碳纤维 预浸料的发展趋势是：产品性能高端化、价格低廉化，航空航天领域用量稳定 增长、民用领域用量大幅度增长。 毋庸置疑，预浸料的市场将会随着科技的发展有更好地应用前景，一场碳 纤维预浸料的工业革命也会随之飞驰而来。 1 2 选题的目的和意义 随着科技的发展，我国面对着很多问题，比如：饮用水的净化问题、工业 污水的收集问题、化学工业管道及介质输送管道的腐蚀和渗透问题等，随着国 民环保意识逐渐被唤醒，资源如何能够有效地利用和节约成了大家关注的问题。 碳纤维预浸料的出来，为人们带来了新型的替代材料订1 。 1 2 1 选题目的 碳纤维预浸料被广泛运用在航空航天和国防设备，例如：飞机螺旋桨、机 翼、机身和一些重要的壳体机构的制造。随着科技的发展和完善，它将更广泛 的应用到新的一些领域中，如：体育用品中的高尔夫球杆、自行车三角架和摩 托车头盔等；医疗器械中的医用c t 床、假肢等。随着我国公民的环保意识的 强化，开始重视对资源的节约，碳纤维预浸料目前也被应用到环保领域中来， 碳纤维预浸料的出来，为人们带来了新型的替代材料口1 。 本文是关于热熔法预浸料制备的设备及其关键技术的研究。虽然目前国内 已经有了预浸料设备，但是大部分是生产设备比较复杂、采用传统的工艺方法， 这种工艺方法生产的预浸料不仅含胶量精度不高，而且采用较宽的预浸料生产 方式，使得预浸料的单卷收卷总长度不能过长，难以满足长度要求。在缠绕铺 放过程中，由于预浸带长度有限，当一束纤维带用完后，就得停机换新纱，影 响了生产效率，而且会导致纤维之间的宽度不等长和有接头的出现，另外，换 新纱停机时，树脂停留在加热板上，由于温度高，树脂一直处于受热状态，影 响预浸带的粘性和储存期。这些问题都会影响预浸带的推广应用和使用经济性。 针对这些问题，提出一种纤维预浸丝的生产方法及其设备。通过对纤维丝 的热熔预浸、加膜和螺旋收卷，实现了预浸料单卷纤维丝长超过3 0 0 0 m 的制备， 以解决宽预浸带单卷带长过短造成使用过程中频繁停机换带的问题，提高了干 2 武汉理工大学硕士学位论文 法复合材料制品的生产效率；而且简化了预浸料的制备过程和生产装备，极大 地提高了复合材料预浸料制品的性能和自动化成型效率，同时，采用长预浸料 生产的制品具有较少的纤维断头，制品的力学性能得到了一定程度的提高。该 设备采用干法生产，即热熔法生产。它是将碳纤维纱架上的一定数量的纱束经 过导纱辊后；进入设计的浸胶装置中，通过热熔辊之间的反向转动，将加热过 的环氧树脂胶和纤维料在一定的温度、压力和速度下均匀结合、挤压；之后通 过加膜装置加上隔离薄膜；最后通过收卷装置收卷，制成符合标准的预浸料。 该设备采用预浸料的一次直接制备方法，从而省去了预制胶膜纸过程，而且可 以实现较长预浸料的单卷生产。该新型热熔法制备预浸料的设备具有工艺过程 简单、隔离料用量少等特点。 1 2 - 2 选题意义 本课题设计的热熔法制备预浸料的设备，通过对纤维料的热熔预浸、加膜 和螺旋收卷，实现了预浸料单卷纤维丝长超过3 0 0 0 m 的制备，解决了宽预浸带 单卷带长过短，造成的使用过程中频繁停机换带的问题，提高了干法复合材料 制品的生产效率；而且简化了预浸料的制备过程和生产设备，极大提高了复合 材料预浸料制品的性能和自动化效率，同时，采用长预浸料生产的制品具有较 少的纤维断头，制品的力学性能有很大的提高。 1 3 拟采取的研究方法 通过在网上查找搜集相关的资料，仔细分析国内外生产预浸料设备的优点 和存在的不足，提出一套全新的热熔法生产预浸料的工艺路线，并对预浸料设 备的部分装置在前人的基础上改进和完善。 本课题主要是研究热熔法制备预浸料的设备及其关键技术的研究，拟采取 的研究方法： ( 1 ) 提出生产预浸料的工艺路线：根据预浸料生产需要先将一定数量的碳 纤维纱筒置于导纱装置上，经过展平装置将其纤维展平，进入浸胶装置，通过 一定的工艺要求，即通过加热的树脂以及辊挤压等一系列工序，使碳纤维和树 脂胶膜以一定的形式在合理的温度、速度和压力下均匀结合，然后在冷却装置 上冷却，使浸过树脂的纤维温度降到设定的温度范围内，之后进入加膜装置， 通过隔膜装置将纤维隔离开，使预浸料相互之间不会发生粘结现象。加膜后的 武汉理工大学硕士学位论文 纤维进入收卷装置，收卷装置由两套传动系统组成，一个是丝杆副的传动，丝 杆副的传动是为了实现芯轴的左右移动，另一个是芯轴之间的传动，这种传动 是为了让芯轴拥有一定转速进行收卷。在芯轴的回转和在其轴向的往复运动下， 通过控制系统将带有薄膜的预浸丝以一定的速度和张力收卷在芯轴上。完成预 浸丝的全部过程。 ( 2 ) 研究路线的设定：本课题研究目的主要是改进现有设备的不足之处， 针对设备中的一些关键部分，如浸胶装置、冷却装置、加膜装置和收卷装置等， 提出改进方案，并通过p r o e 绘制三维示意图，a n s y s 软件中的热分析和电 磁分析对重要部分进行有限元分析。在收卷部分，通过机构的运动仿真来模拟 收卷过程，并对收卷规律和线型设计进行了分析和研究。 1 4 预期的研究成果 本课题主要的研究成果是通过对纤维料的热熔预浸、加膜和螺旋收卷，实 现了预浸料单卷纤维丝长超过3 0 0 0 m 的制备，解决了宽预浸带单卷带长过短， 造成的使用过程中频繁停机换带的问题，提高了干法复合材料制品的生产效率； 而且简化了预浸料的制备过程和生产设备，极大提高了复合材料预浸料制品的 性能和自动化效率，同时，采用长预浸料生产的制品具有较少的纤维断头，制 品的力学性能有很大的提高。 ( 1 ) 在加膜装置中，通过利用薄膜将纤维进行隔离，避免了预浸纤维的粘 连问题。 ( 2 ) 在收卷装置中，采用出丝嘴固定，芯轴的回转运动和绕轴向的往复运 动进行螺旋收卷，避免了螺旋收卷对加膜工艺的干扰和螺旋收卷过程隔离膜曲 翘打皱和脱离预浸纤维的问题。 ( 3 ) 以螺旋方式收卷预浸纤维，利用了在径向和轴向方向卷绕，可以达到 收卷的纤维预浸丝单卷长度可达几千米，使用这种预浸纤维进行制品的自动成 型生产，通过多纱筒并纱达到所需带宽，生产效率得到了很大的提高，制品较 少的纤维断头对提高质量有很大帮助。 1 5 本章小结 本章通过分析国内外预浸料制备设备发展现状，以及存在的问题，提出本 4 武汉理工大学硕士学位论文 课题研究的目的和意义，从而提出的一套新的预浸丝生产设备的理论思路，这 些在后面的章节中会有详细的讲解。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章热熔法预浸料制备工艺研究 2 1 预浸料的概述 预浸料是在一定的严格条件下，让树脂基体通过浸渍、切片纤维，制成增 强体和树脂基体的组合物。在航空航天和国防设备中，如：飞机螺旋桨、机翼、 机身和一些重要的壳体机构的制造中得到广泛应用。 预浸料是制造结构件的具有一定力学性能的原料，预浸料的性能很大程度 上决定了复合材料成型时的工艺和力学性能，优劣直接关系到复合材料的质量， 因此预浸料的选择对复合材料的成型至关重要。 预浸料主要由增强体与树脂基体组合1 ，主要辅助材料是p e 薄膜和离型 纸，是复合材料的的中间材料，预浸料的一些性质可以被直接带入到复合材料 中。 2 1 不同类型树脂基体的基本性能 一二i 流动湿热力断裂阻燃 树脂固化温度工作温度 性能性学性能韧性性 环氧 1 2 1 1 7 7 2 0 0优 低一高 差良差 酚醛1 7 02 0 0优 低一高 差差优 氰酸酯 ，、。1 7 72 5 0 优低一高 良差优 双马来 酰亚胺 2 3 0 2 5 0稍差 低一高 良差优 聚酰亚胺3 1 6 - - 3 7 1 差低一高 良差优 热塑性 树脂 3 0 0 - 4 0 02 5 2 差低优优优 预浸料所用的树脂基体：热固性树脂和热塑性树脂。预浸料的贮存时间： 6 武汉理工大学硕士学位论文 一般情况下室温下贮存期大于1 个月，零下1 8 。贮存期大于6 个月，在保证预 浸料质量不变的前提下，贮存时间的长短主要取决于树脂基体的性能。在选择 树脂基体时，选择固化温度低、固化时间短的树脂基体。考虑到环氧树脂良好 的力学性能、工艺性能、耐热性、贮存寿命长和稳定的机械性能，参考上表2 1 并结合复合材料的要求，分析和综合平衡后，采用热固性树脂中的环氧树脂。 环氧树脂由于具有良好的物理性能，耐药品性等优点，可以作为胶黏剂和层压 材料等。环氧树脂这几年已经成为预浸料生产中不可缺少的一种原材料。 预浸料所用的增强体主要是碳纤维、芳纶、玻璃纤维和它们的织物。结合 下表2 2 ，考虑到成本、密度、刚度、强度、韧性和耐热性等各方面的要求， 采用碳纤维1 2 k t 7 0 0 。 表2 2 选择纤维应考虑的主要性能 纤维成本密度刚度强度韧性耐热性抗冲击性 e 玻璃纤维优差差中良良良 s 玻璃纤维 良中中良良优良 芳纶 中优良良优差优 碳纤维差 良优优差中差 硼纤维差差优优优 预浸料是制造结构件的具有一定力学性能的原料，预浸料的性能很大程度 上决定了复合材料成型时的工艺性能和力学性能，优劣关系到复合材料的质量。 为了提高复合材料的性能，需对预浸料严格要求1 ： ( 1 ) 树脂基体能很好的与增强体匹配。经过处理的增强体能和树脂基体相 容，从而使复合材料具有良好的层间强度。 ( 2 ) 粘性和铺设性要合适。粘性不宜太小，应能使预浸料在适当的工作温 度下能够粘贴不至于分开：粘性也不宜太大，使铺层在出错的情况下可以及时 分开重新铺层而且预浸料不会因此造成损坏。 ( 3 ) 尽可能降低树脂含量偏差。一般情况下，为了保证复合材料力学性能 的稳定性，至少控制在4 - 3 以内。而对于非胶预浸料，树脂含量偏差应控制在 l 以内是比较理想的情况。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 挥发分含量尽可能小。一般在2 以下。 ( 5 ) 具有较长的贮存寿命。一般情况下室温下贮存期大于1 个月，零下 1 8 。贮存期大于6 个月。 ( 6 ) 有适当的流动度。夹层件流动度小些比较好，这样可以使：芯材和面板 能够牢固地结合在一起：于层压件流动度大些比较好，这样可以使树脂均匀分 布地浸透到增强材料。 碳纤维预浸料是由碳纤维和树脂基体组合而成的一种复合材料，碳纤维有 很高的比强度、稳定性好、耐腐蚀和耐摩擦等。碳纤维预浸料是复合材料的基 础，预浸料的性能很大程度上决定了复合材料成型时的工艺性能和力学性能， 优劣关系到复合材料的质量，所以应具有的主要特性： ( 1 ) 原料为干态，易于铺层。 ( 2 ) 生产出来的制品表面精度高。 ( 3 ) 增强体的含量和排列能够得到有效控制。 2 2 预浸料制备方法的选取 预浸料可直接用于复合材料制品的制造，在航空航天和国防设备中，如： 飞机螺旋桨、机翼、机身和一些重要的壳体机构的制造中得到广泛应用。一个 国家的航天航空工业和国防装备水平取决于预浸料的应用和普及程度，欧美等 发达国家对预浸料生产应用及制造的关键设备实行出口限制和技术封锁，导致 国内这方面技术的发展比较缓慢阴】，落后于西方国家。 预浸料的制备工艺取决于树脂基体的类型，树脂基体主要分为热固性树脂 基体和热塑性树脂基体。热固性树脂基体预浸料的制备工艺应用很普遍，已经 很成熟了。热塑性树脂基体预浸料制备技术发展的比较晚，目前仍处于研究阶 段，应用很少。本文采用热固性树脂基体预浸料的制备工艺方法，主要有两种： 溶液浸渍法和热熔浸渍法叫。 ( 1 ) 溶液浸渍法 溶液浸渍法是将树脂基体溶解在低沸点的溶剂中，达到所需要的浓度，然 后将纤维柬浸渍在一定浓度的溶液中，浸有树脂基体的预浸料通过冷却挤压等 工序，最后得到预浸料。 溶液浸渍法制备预浸料的过程中，胶槽中的溶剂会不断的挥发，溶液浓度 逐渐增大，预浸料中的树脂含量随之增加，为了避免这种情况的发生，采用溶 s 武汉理工大学硕士学位论文 液浸渍法的设备中必须有一个可以不断提供树脂基体溶液的具有足够容积的树 脂基体溶液贮存罐，可以在浸胶过程中补充溶剂和测定溶液浓度，保证提供的 树脂基体溶液的浓度基本不变n 们，这样才能保证制备出来的预浸料的树脂含量 符合要求。 溶液浸渍法的制备工艺路线如下图2 3 所示： 图2 3 溶液浸渍法制备工艺示意图 图中：l 一纱架2 一浸胶槽3 一通风烘箱4 一离型纸 5 一辗压辊6 一收卷 溶液浸渍法制备预浸料的优点：树脂基体能够很好地浸透在增强材料中； 设备造价相对比较低；可以制造不同厚度的预浸料。 缺点：为了避免剩余的溶剂污染，需要对溶剂进行回收或者除去；浸胶后 预浸料会残留一些溶剂，成型时会形成空隙、气泡，影响质量和性能。 ( 2 ) 热熔浸渍法 热熔法又称热熔浸渍法n ，是在溶液浸渍法地基础上演变的，由于免去了 溶液浸渍法的一些不便，得到了广泛的推广和应用。 根据工艺步骤，热熔法可分为直接热熔法和膜胶压延法n 扣1 钔，即一步法和 两步法。一步法与溶液浸渍法的工艺过程相似，都是先将树脂基体加热到一定 的温度后熔融，纤维依次通过放卷、浸胶、挤压、烘干等工序，最后收卷在芯 轴上。该工艺方法主要用于制备窄带预浸料，要求树脂基体的流动性要好，利 于浸渍纤维柬。制备出来的预浸料树脂含量低，产品质量无法保证，环境污染 严重n 阳，故本文不采用这种制备方法。 两步法分为制膜和预浸两过程，是现阶段应用最广泛的方法。制膜过程是 将经过充分混合的树脂基体加热到需要的温度后输送到浸胶辊上，通过调节离 9 武汉理工大学硕士学位论文 型纸的速度和浸胶辊间距，制成不同厚度的胶膜，用1 3 射线仪检测胶膜的厚度 后，冷却到一定温度后存在冷库中待用。预浸过程是将放卷装置上的纤维束在 一定的张力作用下引出，通过展平辊展平，然后与制好的胶膜夹芯在一起，通 过加热辊使树脂基体融化，浸渍在纤维中，之后经过冷却、加p e 膜、切边和 收卷，制成预浸料。 热熔法制备预浸料的优点：可以正确控制预浸料中的树脂含量：预浸料不 含溶剂，挥发分含量低；不会污染环境；成品外观质量好。缺点：难于浸渍高 粘度的树脂。 溶液浸渍法和热熔法各有利弊，可以使用在不同要求的环境中。考虑到实 际使用要求，本文采用热熔法预浸料制备方法。 2 3 热熔法预浸料制备工艺 本文采用的热熔法制备工艺是将以前热熔法中的制膜和预浸两个工艺流程 结合在一个工艺流程中进行，可以实现预浸料的连续生产，与普通的两步法相 比，减少了操作步骤，减小了工作人员的数量，降低了设备费用n5 1 ，节省了成 本。 热熔法预浸料制备工艺路线和步骤为： 第一步：根据预浸料生产需要将多个碳纤维纱筒放置在放卷装置的纱架上， 纱架采用卧式安装的方式，并采用张力控制器对纤维丝的张力进行控制，从而 保持纤维丝浸胶和收卷张力不变，各碳纤维纱简设有独立的导纱路径进行限位， 避免纤维丝之间的相互干涉。从放卷装置出来的纤维丝，通过展平辊和限位辊 进行展平和限位，为后面工艺做准备。 第二步：预浸料进入浸胶装置，使纤维丝和树脂在一定的温度、压力、张 力和速度下合理结合，得到预浸料，为了防止树脂滴落，在预浸料的下层铺上 一层隔离纸，浸胶树脂温度控制在8 0 ，通过电容式传感器检测控制预浸料的 含胶量为2 0 ，误差为士1 左右。 第三步：从浸胶装置出来的预浸纤维经过冷却装置的冷却板后，使预浸料 温度降低到3 0 左右，并收回预浸料上下层的隔离纸。 第四步：冷却后的预浸料进入加膜装置，通过展平、限位、贴合和辊压， 将预浸纤维压贴在p e 膜的中央，得到加膜预浸料，使得收卷后的预浸纤维相 互间能得到可靠隔离，避免了预浸纤维之间的相互粘连现象。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第五步：加膜后的预浸料进入收卷装置，在芯轴的回转和在其轴线方向的 回转运动下，通过控制系统对芯轴的回转运动和往复运动进行控制，将带有薄 膜的预浸纤维丝在一定的速度和张力作用下螺旋收卷在芯轴上。 热熔法预浸料制备的工艺路线流程图如下图2 4 所示： 2 4 本章小结 ，r、 纱简放卷 条件：张力稳定 l 上土 纤维浸胶 条件：温度控制在8 0 。c ，含肠 量为2 0 ，误差控制在士1 u ，r、 预浸料冷却 条件：冷却温度为3 0 c l i i 弋夕 r、 预浔料加p e 膜 lj 弋 7 r、 预浸料收卷 l j 图2 4 热熔法制各预浸料工艺流程图 本章由预浸料的一些基础知识引出预浸料制备方法的选取，通过对两种热 武汉理工大学硕士学位论文 固性树脂基体预浸料的制备方法的比较，选择适合本文的预浸丝制备方法热 熔法，并在前人的基础上，设计出了一套新的预浸料制备工艺路线，并详细讲 述了工艺过程。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章预浸料设备的总体设计方案与实现 3 1 预浸料设备的总体设计方案 3 1 1 预浸料设备的技术与功能要求 本文设计的预浸料设备采用热熔法制备方法制备纤维预浸料，采用碳纤维 为1 2 k t 7 0 0 、环氧树脂为n y 9 2 0 0 g 的原材料制各，一次可以完成四卷预浸料 的制备，制备的预浸料每平方米低于1 2 0g 。制备过程中的浸胶树脂温度控制在 8 0 ，含胶量为2 0 ，运用a n s y s 电场分析检测预浸料的含胶量，使其预浸 料的含胶量误差控制在士1 ，运行线速度为o 15 m s ，运用a n s y s 热场分析控 制预浸料在冷却后的温度在3 0 。c 左右，在加膜装置中通过加p e 膜将预浸料相 互隔离开，便于后面的收卷和存放。 本文设计的预浸料制备设备生产的预浸料长度可达到3 0 0 0m n l ，具有结构 简单、工艺性能好、隔离纸用量少、生产效率高等优点，相信在以后的预浸料 生产中将会得到广泛的应用。 3 1 2 预浸料设备的总体设计方案的确定 本文设计的预浸料设备主要由放卷装置、浸胶装置、冷却装置、加膜装置 和收卷装置组成，共同完成预浸料的制备。 放卷装置主要是把纱团的纤维束在恒张力的作用下从纱筒中拉出，在放卷 过程中纱筒半径逐渐减小，纱团上碳纤维的转动惯量以随着纱筒半径的减小 逐渐的减小，导致张力随之发生变化，为了保证导纱过程中纤维丝的张力稳定 在一定值，本文借助张力控制器和机械电磁制动阀的作用，使张力恒定不变直 到纱筒退绕结束为止。 浸胶装置主要是完成纤维和数脂胶膜之间的粘合，使树脂胶膜能很好的浸 渍在纤维中，从而达到所需要的要求。在浸胶装置中通过温度x m t d 数显温控 仪来实现浸胶温度为8 0 左右，浸胶后的纤维的含胶量是个关键因素，本文采 用电容式传感器来检测含胶量，运用a n s y s 的电场分析对电容式传感器中的 电容的变化检测预浸料的含胶量变化，并通过步进电机控制系统对其进行调整， 武汉理工大学硕士学位论文 使其能准确的控制预浸料的含胶量。 冷却装置主要是完成浸胶后的预浸料由8 0 。c 的高温冷却到3 0 左右，为了 实现这个目标，设计了一个经济适用的冷却箱，采用一套类似空调制冷系统的 由压缩机、冷凝器、节流阀、毛细管和蒸发器组成的制冷系统，并运用a n s y s 的热分析来验证设计方案的可行性。 加膜装置主要是通过在纤维的上层加p e 薄膜将纤维进行隔离，避免预浸 纤维在收卷过程中的粘连问题。 收卷装置主要是完成预浸料的收卷，设计了一套新型的收卷运动方式，即 采用出丝嘴固定，芯轴的回转运动和绕其轴向的往复运动实现预浸料的螺旋收 卷，这种运动方式避免了螺旋收卷对加膜工艺的干扰和螺旋收卷过程隔离膜曲 翘打皱和脱离预浸纤维的问题。 根据设计思路，预浸料设备的总体示意图如下图3 1 所示： 图3 1 预浸料设备总体示意图 图中：l 一纱筒2 一隔离纸3 一浸胶部分4 一冷却部分 5 一加膜部分6 一收卷部分 下面介绍下预浸料设备的部分装置的设计，浸胶装置和收卷装置是本文设 计的重中之重，在后面的章节中会有详细地讲述，这里不做介绍。 3 2 部分设备装置的设计 3 2 1 放卷装置的设计 放卷装置主要是把纱团的纤维束在恒张力的作用下从纱简中拉出，为后面 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的浸胶做准备。本文设计的放卷装置包括有转轴、锁紧螺母、夹块、轴承和轴 承座，两块夹块夹住纤维纱团套在转轴上，侧由转轴轴肩限位，另- - 侦t j 通过 锁紧螺母锁定，纱团和转轴可以绕轴心转动实现纤维放卷，整体由轴承和轴承 座支撑。 放卷装置上设有张力控制器，连接在安装纱团的转轴的另一端，张力控制 器接受与之连接的总体控制器送来的张力补偿控制信号，实现放卷装置中的放 卷纤维张力的控制，保持预浸纤维料的浸胶和收卷张力，各碳纤维纱筒设有独 立的导纱路径进行限位，避免放卷过程中纤维丝之间相互干涉。放卷装置示意 图如下图3 2 所示： 图3 2 放卷装置示意图 图中：6 一张力控制器1 7 一转轴1 8 一锁紧螺母1 9 一夹块 2 0 一纤维纱团2 l 一轴承2 2 一支撑板2 3 一轴承座 放置纱团的纱架有两种安装方式：立式和卧式。传统的安装方式是立式， 机械电磁制动器安装在纱架的下部，机械电磁制动器的松紧和纱团纱架的旋转 速度由传感器来控制，从而控制张力，保持张力不变。单个纱架可以达到控制 张力的要求，但是一般设计的设备是需要几个纱架同时工作的，并且均匀整齐 的排列在一起，这种情况下要保证所有纱架的张力完全一致是有困难的。因为 每个纱架都需要进行调整和比较，费时费力，降低了生产效率。而且还可能会 在工作过程中出现偏差，导致预浸料达不到要求，浪费资源并且降低了生产率。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 针对这些问题，本文中采用卧式安装纱架方式。 卧式安装中为了避免纱束之间发生干涉，每个纱架各安装一个机械电磁制 动器。根据需要在开始工作之前写f 先设计几种不同的张力要求，并在张力控制 杆处打定位孔，根据实际生产中的不同的张力，选择不同的定位孔后插上定位 销，从而实现张力调整，在预浸料制备过程中，只要定位销不动，张力就不会 发生变化，可以保证张力恒定不变。这样不仅方便调整张力，而且可以简单的 保证张力恒定不变，省时省力，不会影响生产效率。 3 2 1 1 纱筒退绕数学模型的建立 放卷过程中纱筒半径吒逐渐减小，纱团上碳纤维的转动惯量以随着纱筒半 径的减小逐渐的减小7 1 羽。纱简退绕的示意图如下图3 3 所示： 图3 - ：3 纱筒退绕过程示意图 维 碳纤维纱团上碳纤维的转动惯量以为：以= 墨导g 4 一4 ) 则有： 以= 至孚g 4 一4 ) = kg 4 一4 ) 鲁= 磊dm r , 一，t 一4 ) = 丢( 。一嘉f q 出) = 一嘉q = 一为q 其中：k = 翌掌堕，岛：血 q i 一占积率； ，；一纱团的半径； r 一重力加速度： 1 6 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 ，：l 一纱团空轴半径； 墨一转动惯量变换系数； m 一单位碳纤维的比重； b 一单位碳纤维的宽度； 岛一单位宽度碳纤维质量密度： 而根据力矩平衡方程式为又有： 鲁( 川+ 届q + m z 叫m 詈( 川= 以等+ q 等： ( 3 - 4 ) j l - - j o + 以嘶等= 瓦0 、j 。) = 2 死p l q 。一鲁= 局3 鲁；( 3 - 5 ) k s = 2 n p l q l = 2 刀) l b l q l ；吒= ，i 册一，l i 磊； ( 3 6 ) g 式中：互一张力； m r 一张力矩； m ，一制动力矩； ，；一纱团半径； 山一空轴的转动惯量： ，n 一制动机构的转动惯量； 翰一纱团导纱角速度： 屈一等效粘性摩擦系数： 墨一转动惯量转换系数； 肿一纱团满轴半径： 一纱团上碳纤维总层数； 磊一每层碳纤维的厚度。 由上面的数学模型可知，要想实现张力闭环控制，张力给定信号经过晶体 管放大后，施加在机械电磁制动器的比例电磁铁上的张力值应该是个定值。在 纱简团绕过程中，随着纱团的半径逐渐的变小，纤维的张力变大，张力传感器 输出信号增大，施加在线圈上的电压减小，从而使纱团的制动力矩减小。当纱 团的制动力矩减小时，纤维的张力随之减小，张力传感器的反馈信号减小，从 而进入到一个新的平衡状态，也就是说纤维的张力恢复到开始值保持不变n 7 嵋3 ， 一直维持这种状态到纱简退绕结束。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 2 机械电磁制动器 放卷过程中，纱筒的退绕主要是靠张力来实现，为了建立张力，需要给纱 筒一定的制动力矩，同时为了保证张力不变，制动力矩应该能够实现自动连续 调节，本文中采用机械电磁制动器来达到这一要求n 7 1 。 假设机械电磁制动器中比例电磁铁的推力为，推力作用于制动瓦的正压 力为p ，制动力矩为朋勉，制动瓦和制动盘之间的摩擦系数为1 t ，摩擦力为厂， 则力矩平衡方程为： f x a + f c - p x b = 0 ( 3 7 ) f = p ( 3 8 ) a + f e 一兰= 0 ( 3 9 ) 可推得： f ：f 1 t ( b - c t t ) 口 ( 3 - 1 0 ) 厂：善丝 ( 3 11 ) d c , u 厂= 钟一钥( 3 - 1 2 ) 坞= ，= 譬( 一等) = k f ，( 3 - 1 3 ) 牵引纤维的张力矩鸩为：鸩= 石，当不考虑动态力矩和其它阻力矩时， 近似有坼= m z ，即有： 互，i = k f x r ( 3 1 4 ) 式中： 墨一常数； 7 = 一纱线的张力； ，；一纱筒瞬时半径； r 一摩擦盘的半径： ，一比例电磁铁的推力。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 冷却装置的设计 通过浸胶的纤维丝下层已经有了一压：隔离纸，在进入冷却装置之前，需要 在纤维的上层铺上一层隔离纸，当纤维通过冷却板时，通过压辊将纤维紧紧的 压贴在冷却板上，使浸胶后的纤维丝冷却到一定的温度后，再将上层和下层的 隔离纸收回，送入下个阶段中。 3 2 2 1 冷却装置的设计方案 经过浸胶的纤维经过展平辊后进入冷却装置进行冷却，由于浸胶后的纤维 温度比较高，为8 0 - 士! ，为了提高生产效率和制品质量，本文设计了一个冷却 装置来加速纤维的冷却，需要说明的是冷却后的温度不一定是室温，而是设计 值3 0 附近。如何才能使温度冷却到一定的温度，使预浸料成半固化状态，并 减少预浸料的固化程度，还要在短时间内完成，提高生产效率呢? 考虑到经济方便和各方面的原因，设计了经济适用的冷却箱，采用一套类 似空调制冷系统的由压缩机、冷凝器、节流阀、毛细管和蒸发器组成的制冷系 统。机械制冷系统产生的冷量用于降低空气的温度，可以大幅度地提高制冷系 统的蒸发温度，提高性能。设计的冷却装置示意图和内部的制冷系统示意图如 下图3 4 和3 5 所示： 图3 - 4 冷却装置示意图 1 9 隔离纸 隔离纸 武汉理工大学硕士学位论文 图3 5 制冷系统示意图 制冷系统的工作原理： 第一步：压缩机将气态制冷剂由常温常压压缩成高温高压。 第二步：高温高压的气态制冷剂进入冷凝器，通过散热，由高温高压变成 常温常压，由气态变为液态。 第三步：液态制冷剂经过节流阀、毛细管进入到蒸发器。制冷剂从毛细管 进入到蒸发器过程中，空间突然变大，压力随之变小，气态制冷剂液态气化为 气态低温的制冷剂，吸收周围的热量，使蒸发器中的温度降低变冷。 第四步：变冷的空气通过蒸发器的风扇吹出，使冷却板变冷，从而使经过 冷却板的纤维冷却，达到所需要的温度。顺利进入到下个阶段。 为了使纤维丝在冷却的过程中能够充分冷却，本文设计了一个冷却箱，箱 子的最上面一面是铝板，因为铝的导热性在金属中仅次于金、银和铜，金银铜 的导热系数在3 0 0 3 6 0 左右，铝的导热性在2 0 0 左右，虽然比不上金银铜，但 是考虑到经济性和成本，铝还是一个不错的选择材料，所以冷却箱的上表面材 料采用铝材料。 而冷却箱的另三个表面，考虑到冷却箱与外界温度的隔离，使热量都尽量 的从铝板表面散失出去，采用a b s 塑料。a b s 塑料是由丙烯晴、丁二烯和苯 乙烯组成，是五大合成树脂之一，有良好的电绝缘性，不受温度、湿度的影响， 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 可以在大部分环境中使用；有良好的抗冲击性，可以在低温下使用，是一种用 途很广泛的热塑性工程材料。 3 2 2 2 基于a n s y s 的热分析 冷却装置设计后，就要分析下纤维丝经过冷却板后是否可以达到设计的3 0 附近呢? 本文利用a n s y s 有限元分析软件对对纤