拉擠成型激光固化制備復(fù)合材料筋材屬于一種復(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，其中包括拉擠成型加溫固化法。

拉擠成型加溫固化法具有生產(chǎn)連續(xù)性好、自動化程度高和成本較低等優(yōu)點。

一種加溫固化方法是利用埋設(shè)在拉擠成型模內(nèi)的加熱元件，使復(fù)合材料溫度達到固化所需溫度實現(xiàn)固化。

這種固化方法存在能量利用率低、拉擠速度慢生產(chǎn)效率低、拉擠模制造成本高且磨損快壽命低、固化后出拉擠成型模時復(fù)合材料易開裂等缺陷。

另一種加溫固化方法是利用在拉擠成型模后面設(shè)置一節(jié)或多節(jié)隧道窯作為加熱元件，使復(fù)合材料溫度達到固化所需溫度實現(xiàn)固化。

這種固化方法拉擠速度較快，生產(chǎn)效率較高，但存在能量利用率更低、生產(chǎn)線過長、易發(fā)生流膠和滴膠等缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種保留現(xiàn)有拉擠成型法優(yōu)點，用激光固化取代已有的隧道窯加溫固化的復(fù)合材料筋材制備方法，以克服現(xiàn)有拉擠成型加溫固化復(fù)合材料筋材制備方法的缺點。

激光投射到材料上，會產(chǎn)生一定的光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)，這種光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)會帶來材料表面和內(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，如果入射激光光能量密度為I₀，則深度χ處得到的激光能量密度為：I=I_oexp(-(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)明的一個解決方案是從不同方向設(shè)計多束激光投向預(yù)浸料的同一段，利用多束激光在預(yù)浸料深處的累積效應(yīng)來抵消單束激光的遞減溫度梯度，使厚度較大的預(yù)浸料不同深度同步獲得適當(dāng)?shù)墓袒瘻囟取?/p>

本發(fā)明的另一個解決方案是設(shè)計激光輸出器所輸出激光光斑的形狀，這樣就能在預(yù)浸料拉引速度一定的情況下，增加激光輸出器所輸出激光光斑的長度，來增加預(yù)浸料被激光照射的時間，從而增加了熱擴散時間，實現(xiàn)預(yù)浸料內(nèi)部溫度的均勻化。

本發(fā)明的第三個解決方案是在構(gòu)成預(yù)浸料的樹脂液中添加適當(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)浸料在激光照射下內(nèi)部出現(xiàn)預(yù)期的溫度梯度。

本發(fā)明的第四個解決方案是：根據(jù)預(yù)浸料中增強纖維束和樹脂液的材質(zhì)不同，選擇不同波長的照射激光光源，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)浸料在激光照射下內(nèi)部出現(xiàn)預(yù)期的溫度梯度。

優(yōu)化的是，本發(fā)明激光束的加熱功率能夠與拉引速度相匹配，保證了復(fù)合材料固化所需的最佳溫度。

更加優(yōu)化的是，本發(fā)明增加激光輸出器所輸出激光光斑的長度，來增加預(yù)浸料被激光照射的時間，從而增加了熱擴散時間，實現(xiàn)預(yù)浸料內(nèi)部溫度的均勻化。

更加優(yōu)化的是，本發(fā)明在構(gòu)成預(yù)浸料的樹脂液中添加適當(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)浸料在激光照射下內(nèi)部出現(xiàn)最佳的溫度梯度。

更加優(yōu)化的是，本發(fā)明能夠在不同方向設(shè)計多束激光投向預(yù)浸料的同一段，利用多束激光在預(yù)浸料深處的累積效應(yīng)來抵消單束激光的遞減溫度梯度，使厚度較大的預(yù)浸料不同深度同步獲得最佳的固化溫度。

更加優(yōu)化的是，本發(fā)明能夠根據(jù)預(yù)浸料中增強纖維束和樹脂液的材質(zhì)不同，選擇不同波長的照射激光光源，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)浸料在激光照射下內(nèi)部出現(xiàn)最佳的溫度梯度。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明的單向激光照射方案實施過程示意圖。

附圖1中，1是拉引增強纖維束，2是樹脂液槽，3是樹脂液，4是預(yù)浸帶，5是收束模，6是螺旋纏繞絲束，7是繞絲裝置，8是掛砂裝置，9是擋光板，10是激光輸出器，11是激光束，12是復(fù)合材料筋材，13是拉引裝置，14是拉引方向，L是激光光斑在拉引方向14上的長度。

附圖2是本發(fā)明的多向激光照射方案實施過程示意圖。

與圖1相比，圖2中設(shè)置了多個激光輸出器10a，輸出多束激光束11a，設(shè)置多塊擋光板9a。

拉引裝置13向著拉引方向14拉引，增強纖維束1被導(dǎo)入樹脂液槽2中并被樹脂液3浸潤形成預(yù)浸帶4，預(yù)浸帶4經(jīng)收束模5導(dǎo)出。

此時，在繞絲裝置7的作用下，螺旋纏繞絲束6連續(xù)不斷地纏繞在預(yù)浸帶4的外面形成緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶。

緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶隨后進入掛砂裝置8的作用范圍，此時，得益于緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶表面溢出的樹脂液的粘附作用，砂礫粘附于緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶的外表面。

隨后，粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶進入激光輸出器10發(fā)射的激光束11的照射區(qū)，在激光束11的加熱作用下達到最終成型所需的固化溫度，固化形成復(fù)合材料筋材12。

擋光板8能夠遮擋被預(yù)浸料透射和散射的激光，避免對環(huán)境造成污染。

激光束11的加熱功率能夠與拉引速度相匹配，保證了復(fù)合材料筋材12固化所需的最佳溫度。

能夠通過增加激光輸出器10所輸出激光光斑的長度L，來增加粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶被激光照射的時間，從而增加了熱擴散時間，實現(xiàn)粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶內(nèi)部溫度的均勻化。

在構(gòu)成粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶的樹脂液中添加適當(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粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶在激光束11照射下內(nèi)部出現(xiàn)最佳的溫度梯度。

在不同方向設(shè)置多個激光輸出器10a，發(fā)射多束激光束11a投向粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶的同一段，利用多束激光束11a在粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶深處的累積效應(yīng)來抵消單束激光束11的在粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶內(nèi)部的遞減溫度梯度，能夠使厚度更大的粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶不同深度同步獲得最佳的固化溫度。

根據(jù)粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶中增強纖維束和樹脂液的材質(zhì)不同，能夠選擇不同波長的照射激光光源，以改變粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶的吸收系數(shù)α和散射系數(shù)S，使得截面有效尺寸一定的粘附砂礫的緊束狀態(tài)的預(yù)浸帶在激光束11（或11a）照射下內(nèi)部出現(xiàn)最佳的溫度梯度。