CN105690803B - 一种复合材料真空热膨胀成型工艺 - Google Patents

一种复合材料真空热膨胀成型工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合材料真空热膨胀成型工艺。步骤为，根据要求裁剪预浸料织物和膨胀材料芯材或尼龙风管尺寸；根据力学设计要求将预浸料织物铺层，包覆于膨胀材料芯材或尼龙风管的外面得到预制体；将上述预制体放入模具腔体内，合模锁紧；抽真空使模腔及其中的预制体处于负压状态；(若为尼龙风管，对尼龙风管进行充气增压后)对模具进行加热保温，根据预浸料织物中含有的树脂的固化参数维持相应的温度和时间，使预制体固化；冷却模具，放气消除负压恢复到环境大气压(若为尼龙风管则同时对尼龙风管卸气恢复到环境大气压)，打开模具取出成型后的复合材料制品即可。所述方法可连续化一体成型生产，低成本、环保，所得制品外观优良，强度高。

Description

一种复合材料真空热膨胀成型工艺
技术领域
本发明涉及复合材料成型工艺,尤其涉及复合材料真空热膨胀成型工艺。
背景技术
以碳纤、玻纤等复合材料为原料的制品以其优越的物理性能被广泛的应用于各个领域，包括体育休闲器材、航空航天及工业应用。目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球棒推广到网球拍、羽毛球拍、自行车、冰雪运动器材、水上运动器材等方面；在航空航天方面主要用于轻质高强要求的军用飞机、商用飞机、无人机等；工业应用主要集中在汽车配件、风机、压力容器等。
现有模压成型工艺，在成型过程中由于制品内的气体难以排出，成型后的制品内部容易出现孔隙，制品表面容易产生针孔、缺胶、臭头、色差等问题，外观效果不良，往往需要后续的打磨补土等改善外观的修补工序，增加人力成本的投入和环境污染的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可连续化一体成型生产，低成本、环保，所得制品外观优良，强度高的复合材料真空热膨胀成型工艺。
为实现上述目的，本发明提供一种复合材料真空热膨胀成型工艺，其特征在于，步骤为，
1)预制体制备
a、根据结构设计要求裁剪预浸料织物和膨胀材料芯材或者尼龙风管尺寸；
b、根据力学设计要求将预浸料织物铺层，包覆于膨胀材料芯材或者尼龙风管的外面；
2)将上述预制体放入模具腔体内，合模锁紧；
3)抽真空使模腔以及其中的预制体处于负压状态；
4)情况一采用膨胀材料芯材，对模具进行加热保温，根据预浸料织物中含有的树脂的固化参数维持相应的温度和时间，使预制体固化；情况二采用尼龙风管，对尼龙风管进行充气增压，再对模具进行加热保温，根据预浸料织物中含有的树脂的固化参数维持相应的温度和时间，使预制体固化；
5)冷却模具，放气消除负压恢复到环境大气压,若有采用尼龙风管充气则同时对尼龙风管卸气恢复到环境大气压，打开模具取出成型后的复合材料制品即可。
进一步，所述预浸料织物是碳纤维复材预浸料或玻璃纤维复材预浸料。
进一步，所述膨胀材料的启动膨胀温度60-230℃，膨胀前后体积倍率1-50倍，膨胀后产生的压力范围0.1-20MPa。
进一步，所述步骤3)中的负压状态,是指真空度>0.1Pa；优选的，真空度为1～100KPa。
进一步，所述步骤4)中将模具温度由室温升至150℃，升温速率为10～100℃/min，150℃保温10～120min。
进一步，所述步骤4)中对尼龙风管进行充气增压，压力为0.1～10MPa。
进一步，所述步骤5)中冷却的降温速率为10～50℃/min。
本发明所述负压状态，是指真空度>0.1Pa,优选范围1～100KPa，抽真空的作用是排除在成型前复合材料层间缝隙预型时带入的空气在成型过程中滞留在制品内或迁移到制品表面影响外观。
本发明在后续的膨胀材料加热膨胀后，将气体排除，进一步消除制品表面的针孔、缺胶、臭头、色差等问题，使制品质量更好。
所述膨胀材料的启动膨胀温度60-230℃，膨胀前后体积倍率1-50倍，膨胀后产生的压力范围0.1-20MPa。膨胀材料受热膨胀后充满模腔内空间，对纤维复材产生压力，使纤维复材层间结合更加紧密，进而提高制品强度。从图1的工艺流程图可以看出，膨胀材料膨胀，充满了模腔内空间。
本发明优点：
1、该工艺可获得优良的制品外观，克服传统工艺制品表面的针孔、缺胶、臭头、色差等问题；
2、获得高质量的制品外观，从而省去后打磨补土工艺，节省人力投入成本；同时也减少了环境污染对工人的危害，工人的工作环境友好，环保；
3、该成型工艺获得的制品，内部气孔少，强度更高,外观优良；
4、与传统的内充气风压成型比较，极大提高了良品率，可实现连续化一体成型生产；
5、传统的HP-RTM工艺的树脂胶是采用注射进去的方法需要高压，设备极其昂贵，本发明的工艺可以节省昂贵设备的投入。
附图说明
图1是本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
结合图1的工艺流程图，实施以下实施例，其中1是上模具，2是下模具，3是密封圈，4是预浸料织物，5是膨胀材料或尼龙风管。
实施例1：
首先是制备预制体，以图1中的样品举例，根据结构设计要求裁剪纤维复材预浸料织物和EPS(expandable polystyrene，发泡聚苯乙烯)芯材(根据制品模具预制成芯材)尺寸，根据力学设计要求将纤维复材预浸料织物铺层，包覆于EPS芯材的外面，按照模具预型好放入、下模具腔体内，合上模具锁紧保证密封圈的效果形成良好的气密性，然后对模腔以及其中的预制体进行抽真空至50KPa，将模具温度由室温升至150℃，升温速率为50℃/min，150℃保温20min，此时EPS随着温度升高启动膨胀产生压力，从而提高复合材料层间结合力，树脂完全固化，然后进行冷却，降温速率为50℃/min，降至室温，放气恢复到环境大气压，打开模具取出制品，制品表面完整无缺陷无气泡。
实施例2：
以复杂结构的碳纤复材制品为例，首先是根据复杂结构设计要求裁剪碳纤维预浸料织物和EVA(ethylene-vinylacetatecopolymer,乙烯-醋酸乙烯共聚物)芯材(根据制品模具预制成芯材)尺寸，根据力学设计要求将碳纤维预浸料织物交错铺层，包覆于EVA芯材的外面，制品按照模腔形状预型好放入模腔并锁紧，然后对模腔以及其中的预制体进行抽真空至1KPa，将模具温度由室温升至150℃，升温速率为10℃/min，150℃保温10min，此时EVA随着温度升高启动膨胀产生压力，从而提高复合材料层间结合力，树脂完全固化，然后进行冷却，降温速率为50℃/min，降至室温，放气恢复到环境大气压，打开模具取出制品，制品表面完整无缺陷无气泡。
实施例3：
以复杂结构的碳纤复材制品为例，首先是根据复杂结构设计要求裁剪碳纤维预浸料织物和EPS芯材(根据制品模具预制成芯材)尺寸，根据力学设计要求将碳纤维预浸料织物交错铺层，包覆于EPS芯材的外面，制品按照模腔形状预型好放入模腔并锁紧，然后将整体模具以及其中的预制体置于真空袋中，进行抽真空至100KPa，将模具温度由室温升至150℃，升温速率为100℃/min，150℃保温20min，此时EPS随着温度升高启动膨胀产生压力，从而提高复合材料层间结合力，树脂完全固化，然后进行冷却，降温速率为10℃/min，降至室温，放气恢复到环境大气压，打开模具取出制品，制品表面完整无缺陷无气泡。
实施例4：
以复杂结构的碳纤复材制品为例，首先是根据复杂结构设计要求裁剪碳纤维预浸料织物和高能胶(来自豪尔新材)芯材(根据制品模具预制成芯材)尺寸，根据力学设计要求将碳纤维预浸料织物交错铺层，包覆于高能胶芯材的外面，制品按照模腔形状预型好放入模腔并锁紧，然后对模腔以及其中的预制体进行抽真空至0.5KPa，将模具温度由室温升至150℃，升温速率为50℃/min，150℃保温120min，此时高能胶随着温度升高启动膨胀产生压力，从而提高复合材料层间结合力，树脂完全固化，然后进行冷却，降温速率为50℃/min，降至室温，放气恢复到环境大气压，打开模具取出制品，制品表面完整无缺陷无气泡。
实施例5：
以复杂结构的碳纤复材制品为例，首先是根据复杂结构设计要求裁剪碳纤维预浸料织物和尼龙风管尺寸，根据力学设计要求将碳纤维预浸料织物交错铺层，包覆于尼龙风管的外面，制品按照模腔形状预型好放入模腔并锁紧，然后对模腔以及其中的预制体进行抽真空至0.5KPa，对尼龙风管进行充气增压至1MPa，将模具温度由室温升至150℃，升温速率为50℃/min，150℃保温120min，此时高能胶随着温度升高启动膨胀产生压力，从而提高复合材料层间结合力，树脂完全固化，然后进行冷却，降温速率为50℃/min，降至室温，放气，对尼龙风管卸气恢复到环境大气压，打开模具取出制品，制品表面完整无缺陷无气泡。
实施例6：
以复杂结构的碳纤复材制品为例，首先是根据复杂结构设计要求裁剪碳纤维预浸料织物和尼龙风管尺寸，根据力学设计要求将碳纤维预浸料织物交错铺层，包覆于尼龙风管的外面，制品按照模腔形状预型好放入模腔并锁紧，然后对模腔以及其中的预制体进行抽真空至0.5KPa，对尼龙风管进行充气增压至0.1MPa，将模具温度由室温升至150℃，升温速率为80℃/min，150℃保温80min，此时高能胶随着温度升高启动膨胀产生压力，从而提高复合材料层间结合力，树脂完全固化，然后进行冷却，降温速率为50℃/min，降至室温，放气，对尼龙风管卸气恢复到环境大气压，打开模具取出制品，制品表面完整无缺陷无气泡。
实施例7：
以复杂结构的碳纤复材制品为例，首先是根据复杂结构设计要求裁剪碳纤维预浸料织物和尼龙风管尺寸，根据力学设计要求将碳纤维预浸料织物交错铺层，包覆于尼龙风管的外面，制品按照模腔形状预型好放入模腔并锁紧，然后对模腔以及其中的预制体进行抽真空至0.5KPa，对尼龙风管进行充气增压至10MPa，将模具温度由室温升至150℃，升温速率为50℃/min，150℃保温100min，此时高能胶随着温度升高启动膨胀产生压力，从而提高复合材料层间结合力，树脂完全固化，然后进行冷却，降温速率为30℃/min，将至室温，放气，对尼龙风管卸气恢复到环境大气压，打开模具取出制品，制品表面完整无缺陷无气泡。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种复合材料真空热膨胀成型工艺，其特征在于，步骤为，
1)预制体制备
a、根据结构设计要求裁剪预浸料织物和膨胀材料芯材或者尼龙风管尺寸；
b、根据力学设计要求将预浸料织物铺层，包覆于膨胀材料芯材或者尼龙风管的外面；
2)将上述预制体放入模具腔体内，合模锁紧；
3)抽真空使模腔以及其中的预制体处于负压状态；
4)若为膨胀材料芯材时，对模具进行加热保温，根据预浸料织物中含有的树脂的固化参数维持相应的温度和时间，使预制体固化；若为尼龙风管时，对尼龙风管进行充气增压，再对模具进行加热保温，根据预浸料织物中含有的树脂的固化参数维持相应的温度和时间，使预制体固化；所述膨胀材料的启动膨胀温度60-230℃，膨胀前后体积倍率1-50倍，膨胀后产生的压力范围0.1-20MPa；所述步骤4)中将模具温度由室温升至150℃，升温速率为10～100℃/min，150℃保温10～120min；
5)冷却模具，放气消除负压恢复到环境大气压,若为尼龙风管则同时对尼龙风管卸气恢复到环境大气压，打开模具取出成型后的复合材料制品即可。
2.如权利要求1所述复合材料真空热膨胀成型工艺，其特征在于，所述预浸料织物是碳纤维复材预浸料或玻璃纤维复材预浸料。
3.如权利要求1所述复合材料真空热膨胀成型工艺，其特征在于，所述步骤3)中的负压状态,是指真空度>0.1Pa。
4.如权利要求1所述复合材料真空热膨胀成型工艺，其特征在于，所述步骤3)中的负压状态,是指真空度为1～100KPa。
5.如权利要求1所述复合材料真空热膨胀成型工艺，其特征在于，所述步骤4)中对尼龙风管进行充气增压，压力为0.1～10MPa。
6.如权利要求1所述复合材料真空热膨胀成型工艺，其特征在于，所述步骤5)中冷却的降温速率为10～50℃/min。
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