CN103921453A - 一种预浸料闭模液压辅助成型工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高性能复合材料的低成本制造技术领域，涉及一种类似于RTM成型工艺的预浸料闭模液压辅助成型工艺方法，通过在闭合模腔内引入液体树脂作为压力传递介质，提供预浸料复合材料固化所需的固化压力，来制备高性能复合材料的低成本成型工艺方法。针对复合材料制件的结构特点，将预浸料与干态纤维织物按照一定的比例和组合方式，铺贴、预制，通过压缩变形性较好的干态纤维织物来实现合模压缩量。将预成型体铺放在RTM成型用对合模具模腔内，合模并注入与预浸料树脂相同或能够实现完全相容的RTM树脂，完成对干态纤维织物的浸润，同时借助闭合模具内RTM树脂形成的液态压力场实现预浸料的固化压实。

Description

一种预浸料闭模液压辅助成型工艺方法
技术领域
本发明属于高性能复合材料低成本制造技术研究，涉及一种类似于RTM成型工艺的预浸料闭模液压辅助成型工艺方法。
背景技术
复合材料因其具有优异的比强度、比刚度，优异的疲劳性能和耐久性，以及结构可设计性已被证实可显著减轻结构重量；因此被广泛应用与国外先进的战斗机上。并且，战机越先进，复合材料的用量越高，这种趋势代表了先进战机对复合材料需求的发展方向。
目前国内外复合材料成型工艺最主要的为热压罐成型工艺，适合于大尺寸、结构复杂程度相对较低的蒙皮、壁板类复合材料制件的制造。预浸料复合材料能够保证较高的纤维体积分数及纤维准直度，因此具有优异的面内力学性能。但对于梁、框、肋及整体盒段等具有复杂结构的复合材料制件，采用热压罐成型工艺则较难实现。
液态成型工艺尤其是树脂传递模塑（RTM）工艺作为一种新型的复合材料成型工艺技术，是近年来航空复合材料低成本制造技术发展的主流。RTM工艺是一种闭模成型工艺，其工艺原理是在密闭的模腔内，通过压力驱动树脂流动并完成对干态纤维预成型体的浸润。与传统的预浸料-热压罐成型工艺相比，虽然RTM工艺具有制造尺寸精度高，制件成品率高的优点，尤其适用于具有复杂结构复合材料制件的整体化制造，可以显著降低装配成本。但是，RTM工艺制备的复合材料体积分数较预浸料复合材料的体积分数要低，造成其力学性能有一定程度的降低。
发明内容
本发明的目的是：提出一种能够成型复杂结构的复合材料制件同时又不明显降低复合材料力学性能的，类似于RTM成型工艺的预浸料闭模液压辅助成型工艺方法。
本发明的技术方案是：一种预浸料闭模液压辅助成型工艺方法，其特征是，将预成型体结构分为预浸料层和干态纤维织物层；将预浸料与干态纤维织物组合铺贴得到纤维预成型体，其中预浸料铺层数量为预成型体铺层总数的50%～80%，干态纤维织物铺层数量为预成型体铺层总数的20%～50%；将预成型体放置在RTM成型用闭合模具的模腔中，合模至名义厚度后，注入RTM成型树脂，按照所选树脂体系的固化工艺完成预浸料/干态纤维织物共成型复合材料的固化，脱模得到复合材料。
所述预成型体中预浸料层与干态纤维织物层为交替组合或一面为预浸料层一面为干态纤维织物层或上、下表面为干态纤维织物层中间为预浸料层。
所述预浸料所选用的纤维增强体为玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、玄武岩纤维中的一种或上述纤维的混编体，其织造形式是单向织物或平纹织物或缎纹织物或斜纹织物或无纺布或无纬布或非屈曲织物。
所述干态纤维织物所选用的纤维增强体为玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、玄武岩纤维中的一种或上述纤维的混编体，其织造形式是单向织物或平纹织物或缎纹织物或斜纹织物或无纺布或无纬布或非屈曲织物。
所述干态纤维织物与预浸料所用的增强织物的纤维种类及织造形式相同。
所述预浸料所选用的树脂基体与RTM成型树脂完全相同或者是RTM成型树脂的预聚物，树脂基体为环氧树脂或氰酸酯树脂或双马来酰亚胺树脂或热固性聚酰亚胺树脂或不饱和聚酯树脂。
所述预浸料与干态纤维织物在RTM成型工艺过程中实现共固化复合，其注射工艺、固化工艺与所选用的基体树脂的工艺参数无异。
本发明的优点是：将预浸料热压罐成型工艺与RTM成型工艺相结合，既可以发挥预浸料复合材料优异的面内力学性能及良好的铺覆工艺性，又能结合RTM技术制造复杂结构复合材料制件的灵活性。通过精细化的设计预成型体中预浸料与干态纤维织物的比例，利用铺贴在预浸料铺层上下表面的干态纤维织物提供RTM成型工艺所需要的合模压缩量，克服预浸料铺层难以压缩的工艺问题，在闭模RTM注射成型工艺中，注射树脂同时成为传递压力的介质，通过合理设计的流道***形成均匀、可控的压力场，提供预浸料固化所需的固化压力，保证预浸料的固化压实。在蒙皮、壁板结构中采用预浸料，以保持较高的面内力学性能和优异的制造工艺性，而在梁、肋、加强筋等结构中采用RTM工艺，最大程度地发挥其灵活的结构可制造性。采用这种结合了预浸料和RTM两者优点的新型成型工艺，可以获得尺寸精度高、表面质量好的高纤维体积分数，高面内力学性能的高性能、低成本复合材料整体结构件，免去了面板与加强筋的胶结工序，同时又避免了RTM工艺制造大尺寸、大厚度简单曲面结构制件的技术难点。
具体实施方式
通过预成型体结构设计，将预成型体结构分为预浸料层和干态纤维织物层，将预浸料与干态纤维织物按照一定的比例及组合方式铺贴，得到纤维预成型体。将预成型体放置在RTM成型用闭合模具的模腔中，通过干态纤维织物实现预成型体的合模压缩量。合模并注入RTM成型树脂，在完成对干态纤维织物浸润的同时作为压力传递介质，提供预浸料复合材料固化所需的固化压力。最终得到兼具预浸料复合材料优异预制工艺性、较高的面内力学性能及RTM成型复合材料灵活可制造性的高性能低成本复合材料，其工艺步骤如下：
a)将预浸料与干态纤维织物铺贴得到纤维预成型体，其中预浸料铺层数量为预成型体铺层总数的50%～80%，干态纤维织物铺层数量为预成型体铺层总数的20%～50%；
b)将预成型体放置在RTM成型用闭合模具的模腔中，利用干态纤维织物层实现预成型体的合模压缩性，合模至名义厚度后，其体积分数在50%～63%之间，注入RTM成型树脂，在完成干态纤维织物层浸润的同时作为压力传递介质，提供预浸料复合材料固化所需的固化压力；
c)按照所选树脂体系的固化工艺完成预浸料/干态纤维织物共成型复合材料的固化，脱模得到复合材料。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施例1
选择典型航空用高温RTM环氧树脂作为基体树脂，将其在160℃下预聚30min得到预浸料级树脂基体。选用国产U3160碳纤维单向无纬织物作为增强体，利用热熔法制备U3160/环氧树脂预浸料，干态纤维织物同样选择国产U3160碳纤维单向无纬织物。首先铺贴预浸料预成型体，铺层数为9层，在预浸料预成型体的上下表面分别铺贴2层U3160单向无纬织物，得到预浸料/干态纤维织物预成型体，将其放置在RTM成型用闭合模具内，合模压缩至2mm厚度，注入RTM环氧树脂至预成型体浸润完全后升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选RTM树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。预浸料/干态碳纤维预成型体在RTM成型工艺下实现共固化，界面结合良好，最终得到的复合材料纤维体积分数约为59%。
具体实施例2
选择典型航空用RTM双马来酰亚胺树脂作为基体树脂，将其在130℃下预聚90min得到预浸料级树脂基体。选用国产CF3031碳纤维斜纹织物作为增强体，利用热熔法制备CF3031/双马树脂预浸料，干态纤维织物同样选择国产CF3031碳纤维斜纹织物。首先铺贴预浸料预成型体，铺层数为10层，在预浸料预成型体的上下表面分别铺贴2层CF3031碳纤维斜纹织物，得到预浸料/干态纤维织物预成型体，将其放置在RTM成型用闭合模具内，合模压缩至3mm厚度，注入RTM双马来酰亚胺树脂至预成型体浸润完全后升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选RTM树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。预浸料/干态碳纤维预成型体在RTM成型工艺下实现共固化，界面结合良好，最终得到的复合材料纤维体积分数约为58%。
具体实施例3
选择典型航空用中温RTM环氧树脂作为基体树脂，将其在90℃下预聚30min得到预浸料级树脂基体。选用SW280玻璃纤维缎纹织物作为增强体，利用热熔法制备SW280/环氧树脂预浸料，干态纤维织物同样选择SW280玻璃纤维缎纹织物。首先铺贴预浸料预成型体，铺层数为10层，在预浸料预成型体的上下表面分别铺贴2层SW280玻璃纤维缎纹织物，得到预浸料/干态纤维织物预成型体，将其放置在RTM成型用闭合模具内，合模压缩至3mm厚度，注入中温RTM环氧树脂至预成型体浸润完全后升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选RTM树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。预浸料/干态碳纤维预成型体在RTM成型工艺下实现共固化，界面结合良好，最终得到的复合材料纤维体积分数约为51%。
具体实施例4
选择典型航空用中温RTM环氧树脂作为基体树脂，将其在90℃下预聚30min得到预浸料级树脂基体。选用国产U3160碳纤维单向无纬织物作为增强体，利用热熔法制备U3160/环氧树脂预浸料，干态纤维织物同样选择国产U3160碳纤维单向无纬织物。首先，利用干态纤维织物铺覆两个C型梁，干态纤维织物的铺层数为10层，再将两个C型梁组合为工字梁中的腹板结构。在干态纤维织物铺覆而成的腹板结构的上、下表面各铺贴22层预浸料，得到预浸料/干态纤维织物组合而成的工字梁预成型体，将其放置在RTM成型用闭合模具内，合模，其中预浸料/干态纤维织物组合预成型体压缩后的厚度为5mm。注入RTM环氧树脂至预成型体浸润完全后升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选RTM树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。预浸料/干态碳纤维预成型体在RTM成型工艺下实现共固化，界面结合良好，最终得到的复合材料纤维体积分数约为58%。
具体实施例5
选择典型航空用RTM双马来酰亚胺树脂作为基体树脂，将其在130℃下预聚90min得到预浸料级树脂基体。选用U7192碳纤维单向无纬织物作为增强体，利用热熔法制备U7192/双马树脂预浸料，干态纤维织物同样选择U7192碳纤维单向无纬织物。首先，利用干态纤维织物铺覆四个口型梁、两个C型梁预成型体，再将上述干态纤维织物预成型体组合形成多腔盒段结构形式的组合式预成型体，干态纤维织物的铺层数均为15层。在干态纤维织物组合预成型体的上、下表面各铺贴37层预浸料，得到预浸料/干态纤维织物组合而成的多腔盒段结构预成型体，将其放置在RTM成型用闭合模具内，合模，其中预浸料/干态纤维织物组合预成型体压缩后的厚度为10mm。注入RTM双马来酰亚胺树脂至预成型体浸润完全后升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选RTM树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。预浸料/干态碳纤维预成型体在RTM成型工艺下实现共固化，界面结合良好，最终得到的复合材料纤维体积分数约为56%。
具体实施例6
选择典型RTM高温环氧树脂作为基体树脂，将其在160℃下预聚30min得到预浸料级树脂基体。选用国产CF3031碳纤维斜纹织物作为增强体，利用热熔法制备CF3031/环氧树脂预浸料，干态纤维织物同样选择CF3031碳纤维斜纹织物。首先利用预浸料完成复杂结构复合材料纵横加筋翼肋中T型加强筋预成型体的铺贴，预浸料铺层数为12层，将加强筋预成型体在RTM模具中组合，在其表面铺贴干态纤维织物，干态纤维织物的铺层数为12层，合模，其中预浸料/干态纤维织物组合预成型体压缩后的厚度为6mm。注入RTM高温环氧树脂至预成型体浸润完全后升温固化。其中，注射工艺参数和固化工艺参数与所选RTM树脂的工艺参数相同。固化结束后冷却至室温，脱模。预浸料/干态碳纤维预成型体在RTM成型工艺下实现共固化，界面结合良好，最终得到的复合材料纤维体积分数约为60%。

Claims (7)

1.一种预浸料闭模液压辅助成型工艺方法，其特征是，将预成型体结构分为预浸料层和干态纤维织物层；将预浸料与干态纤维织物组合铺贴得到纤维预成型体，其中预浸料铺层数量为预成型体铺层总数的50%～80%，干态纤维织物铺层数量为预成型体铺层总数的20%～50%；将预成型体放置在RTM成型用闭合模具的模腔中，合模至名义厚度后，注入RTM成型树脂，按照所选树脂体系的固化工艺完成预浸料/干态纤维织物共成型复合材料的固化，脱模得到复合材料。
2.如权利要求1所述的一种预浸料闭模液压辅助成型工艺方法，其特征是，所述预成型体中预浸料层与干态纤维织物层为交替组合或一面为预浸料层一面为干态纤维织物层或上、下表面为干态纤维织物层中间为预浸料层。
3.如权利要求1所述的一种预浸料闭模液压辅助成型工艺方法，其特征是，所述预浸料所选用的树脂基体与RTM成型树脂完全相同或者是RTM成型树脂的预聚物，树脂基体为环氧树脂或氰酸酯树脂或双马来酰亚胺树脂或热固性聚酰亚胺树脂或不饱和聚酯树脂。
4.如权利要求1所述的一种预浸料闭模液压辅助成型工艺方法，其特征是，所述预浸料所选用的纤维增强体为玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、玄武岩纤维中的一种或上述纤维的混编体，其织造形式是单向织物或平纹织物或缎纹织物或斜纹织物或无纺布或无纬布或非屈曲织物。
5.如权利要求1所述的一种预浸料闭模液压辅助成型工艺方法，其特征是，所述干态纤维织物所选用的纤维增强体为玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、玄武岩纤维中的一种或上述纤维的混编体，其织造形式是单向织物或平纹织物或缎纹织物或斜纹织物或无纺布或无纬布或非屈曲织物。
6.如权利要求1所述的一种预浸料闭模液压辅助成型工艺方法，其特征是，所述干态纤维织物与预浸料所用的增强织物的纤维种类及织造形式相同。
7.如权利要求1所述的一种预浸料闭模液压辅助成型工艺方法，其特征是，所述预浸料与干态纤维织物在RTM成型工艺过程中实现共固化复合，其注射工艺、固化工艺与所选用的基体树脂的工艺参数无异。
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