CN106003753B - 一种制备复杂内腔制件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备复杂内腔制件的方法，其特征在于，该方法包括：a、室温下将预浸树脂的连续纤维缠绕在包裹有隔离膜的型芯表面，或将连续纤维树脂预浸料铺覆在包裹有隔离膜的型芯表面，得到包裹有预制体的型芯；b、将包裹有预制体的型芯放入模具中，利用密封胶和隔离膜使型芯和预制体相互密封隔离；c、在固化条件下将预制体固化成型；d、升温至型芯构成材料熔化成液态后，施加压缩空气排出复合材料制件腔内的成为液态的型芯，冷却脱模，去除腔内残留的型芯及隔离膜，得到复杂内腔制件。本发明方法可以制备各种具有复杂空腔结构的连续纤维增强的复合材料制件。
Description
技术领域
本发明涉及复杂内腔制件制备的技术领域，具体涉及一种制备复杂内腔制件的方法。
背景技术
连续纤维增强的树脂基复合材料制件具有较高的比强度和比刚度，在航空航天、输油管道、高压容器、民用体育器材等领域具有越来越广泛的应用。连续纤维增强的树脂基复合材料制件制备方法主要有：铺叠成型、缠绕成型，还有新近发展的3D打印技术等。缠绕成型方法主要用于管道、容器或复杂含芯结构件的制备，如输油管道、高压气瓶、船舶或直升机的桨叶、民用轻质空心器材如拐杖、球杆、自行车架等，通常将纤维预浸后按设计的缠绕方向和工艺缠绕在一个型芯或中心材料(如泡沫)上，型芯或中心材料赋予缠绕纤维固化后的最终形状，随后固化得到复合材料制件，再脱模脱除型芯得到空心制件，或保留中心材料和连续纤维增强复合材料制件共同成为制件。铺叠成型则是将连续纤维织物或预浸料铺覆于一个模型面和预制模型(型芯或中心填充材料)上，得到预制体，再利用RTM工艺或预浸料工艺得到复合材料制件。
但制备具有复杂内腔结构的制件却遇到了难以解决的问题，主要是复杂结构的型芯会造成无法脱模的问题，因此难以制备内腔复杂如内腔具有长的管道结构或具有曲折管道结构的复合材料制件。一种已有的技术是应用水溶性型芯，这种型芯可在复合材料成型后利用水溶的方法除去，但不可避免带来了溶解速度慢、型芯材料不能反复使用、环境污染、溶解处理影响复合材料制件性能等诸多问题。
综上，为了避免以上问题，需要发展新颖的型芯脱除方法，并可利用该技术制备具有复杂内腔结构的复合材料制件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备复杂内腔制件的方法，即使用一种在复合材料的热固化温度下为不易变形的硬质固体，而在超出该温度30℃～100℃后成为液体的材料作为型芯材料，在室温下可以在型芯上缠绕或铺贴成预制形状的复合材料预制体，在成型温度和压力下能够良好保持预制结构形状，固化完成再升温30℃～100℃以上型芯可受热成为液体，可以排出内腔，如此制备具有复杂内腔的复合材料制件。
为实现上述目的，本发明提供一种制备复杂内腔制件的方法，其特征在于，该方法包括：a、室温下将预浸树脂的连续纤维缠绕在包裹有隔离膜的型芯表面，或将连续纤维树脂预浸料铺覆在包裹有隔离膜的型芯表面，得到包裹有预制体的型芯；b、将包裹有预制体的型芯放入模具中，利用密封胶和隔离膜使型芯和预制体相互密封隔离；c、在固化温度下将预制体固化成型，得到固化成型制件；d、升温至型芯构成材料熔化成液态后，施加压缩空气排出固化成型制件腔内的成为液态的型芯，冷却脱模，去除腔内残留的型芯及隔离膜，得到复杂内腔制件。
优选地，将步骤d替换为：d’、冷却脱模，升温至型芯构成材料熔化成液态后，倒出型芯或施加压缩空气排出固化成型制件腔内的成为液态的型芯，去除腔内残留的型芯及隔离膜，得到复杂内腔制件。
优选地，所述预浸树脂的连续纤维和/或连续纤维树脂中所述连续纤维为选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维中的至少一种，所述树脂为选自环氧树脂、不饱和聚酯、苯并恶嗪树脂和双马来酰亚胺树脂中的至少一种。
优选地，所述隔离膜为聚四氟乙烯无孔薄膜，所述密封胶为硅橡胶。
优选地，所述工艺压力为0.4-1兆帕，所述固化温度为100-200℃。
优选地，所述型芯构成材料在所述固化温度下为硬质固体，在高于该固化温度30～100℃以上成为可流动的液体，且该液体的粘度低于1000Pa.s。本发明所述的型芯的构成材料包括了低熔点(如小分子的结晶熔融)和低粘流温度(如玻璃态物质高于玻璃化转变温度一定值后成为可流动的液体)。
优选地，所述预浸树脂的连续纤维和/或连续纤维树脂中的树脂为双马来酰亚胺树脂，型芯构成材料在180℃或200℃以下为硬质固体，高于该180℃或200℃的30～100℃以上且不超过预制体热变形温度时成为可流动的液体，粘度低于1000Pa.s。
优选地，所述预浸树脂的连续纤维和/或连续纤维树脂中的树脂为环氧树脂，型芯构成材料在120℃以下为硬质固体，在150～200℃中的某一温度以上成为可流动的液体，且该液体的粘度低于1000Pa.s。
优选地，所述预浸树脂的连续纤维和/或连续纤维树脂中的树脂为环氧树脂，型芯构成材料在180℃以下为硬质固体，在210～250℃中的某一温度以上成为可流动的液体，且该液体的粘度低于1000Pa.s。
优选地，所述型芯构成材料为聚醚醚酮，该型芯构成材料的结晶熔融温度为140～145℃，160℃或180℃下粘度低于1000Pa.s；或者，所述型芯构成材料为改性聚芳醚酮共聚物，结晶熔融温度为200℃，250℃时为可流动液态；或者，所述型芯构成材料为熔点低于220℃的低熔点金属共混物。
本发明方法具有如下优点：
本发明的技术方案的核心是应用了一种复合材料固化成型温度下具有一定力学强度而升温后易除去的型芯材料，在固化成型温度下用此型芯材料可良好地保持复合材料内腔结构，而升温后型芯材料可从内腔中排出，因此可以用来制备复杂空腔结构的复合材料制件，避免了复杂型芯不能脱模的问题，弥补传统工艺方法的不足。
针对传统工艺制备具有曲折或不规则形状的复杂空腔结构的复合材料制件的困难，提出利用结合复合材料固化成型温度下刚性而升温后可熔融的型芯制备这类复合材料制件的方法，预浸料在这种型芯上铺叠或缠绕得到预制体，在复合材料固化成型温度下可良好保持其形状和内腔结构，而进一步提高至不超过复合材料热变形温度时可以简单地除去型芯，具有方便、快捷地制备具有各种具有复杂空腔结构的连续纤维增强的复合材料制件的优点。
本发明的优点和特点在于，第一，可以制备各种具有复杂空腔结构的连续纤维增强的复合材料制件；第二，除芯速度快，生产效率高；第三，制芯容易且速度快，可用浇注方法制备；第四，内腔结构保持良好。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
本实施例技术方案的实施过程如下：
(1-1)将型芯材料压铸成块，再用机械加工方法加工成螺旋形；或者直接将型芯材料高温挤出注入到具有螺旋形空腔的模具中，冷却脱模后得到螺旋形状的型芯。再在型芯外包裹一层聚四氟乙烯的无孔薄膜，密封。
(1-2)室温下将预浸中温固化环氧树脂的连续碳纤维缠绕在上述型芯的聚四氟乙烯的无孔薄膜表面，得到复合材料预制体，再放入模具中；将型芯两端的聚四氟乙烯无孔薄膜密封在模具壁上，合模，升温至120℃并在规定的压力和时间下使预制体固化成型；随后升温至160℃或180℃，从模具的注液/注气阀门打入压缩空气，从另一个出液/出气阀门释放出被压缩空气挤出的型芯材料，最后关闭出液/出气阀门；降温至60℃或40℃或70℃，脱模，拉扯聚四氟乙烯的无孔薄膜，顺带拉出复合材料制件内部残余的型芯，得到成型好的具有螺旋空腔的连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料制件。
(1-3)所用型芯材料为结晶的聚醚醚酮，结晶熔融温度为140～145℃，160℃或180℃下粘度低于1000Pa.s。
本实施例得到了具有螺旋空腔的连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料制件，型芯材料在低于结晶熔融温度时力学性能良好，而熔融后可排出，并可反复使用，脱模后只需要拉出聚四氟乙烯的无孔薄膜即可完全除去残留的型芯，不需要额外处理，方便快捷，且型芯材料可直接回收反复使用，不需复杂处理且无浪费。
实施例2：
本实施例技术方案的实施过程如下：
(2-1)将型芯材料升温至280℃，注射进入到一个预制空腔形状为之字形的聚酰亚胺密封袋中，得到外覆聚酰亚胺密封袋、内为型芯材料的型芯。再在型芯外包裹一层聚四氟乙烯的无孔薄膜，密封。
(2-2)室温下将预浸高温固化环氧树脂或苯并噁嗪的单向连续碳纤维或玻璃纤维预浸料铺覆在上述型芯的聚四氟乙烯的无孔薄膜表面，再放入模具中，将型芯两端的聚酰亚胺密封袋出口固定并密封到连接气嘴上，保证型芯和复合材料预制体之间空气隔离，同时复合材料预制体一侧预留的抽气口抽真空，升温至180℃，在规定的压力和温度下进行热压罐成型；固化完成后，升高温度至250℃，此时型芯成为可流动的粘稠液态，粘度为500Pa.s，往复合材料制件内腔通入压缩空气，排出内腔中的液态型芯；冷却到100℃以内取出复合材料制件并取出内部残留的隔离膜和型芯，得到成型好的具有之字形空腔的连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料制件，或苯并噁嗪基的连续碳纤维或玻璃纤维复合材料制件。
(2-3)所用的型芯材料为改性聚芳醚酮共聚物，结晶熔融温度为200℃，250℃时为可流动液态，无毒无味，力学性能良好。
实施例3：
本实施例技术方案的实施过程如下：
(3-1)制备一个预制空腔形状为U字形的高温尼龙密封袋；将型芯材料升温至260℃，注射进入到该高温尼龙密封袋的空腔中，得到外覆高温尼龙密封袋的型芯；再在型芯外包裹一层聚四氟乙烯的无孔薄膜，密封；
(3-2)室温下将单向连续碳纤维或玻璃纤维缠绕在上述型芯的聚四氟乙烯的无孔薄膜表面，定型得到复合材料预制体，再放入模具中，将型芯两端的尼龙密封袋出口固定并密封连接气嘴上，并保证型芯和复合材料预制体之间空气隔离，同时复合材料预制体一侧预留的抽气口抽真空，升温至110℃，按RTM工艺注射高温固化环氧树脂(最高固化温度180℃)或双马来酰亚胺树脂，注射完后并按固化程序进行固化；冷却后取出带有型芯的复合材料制件，随后升温至230℃或250℃，其中双马树脂基复合材料可升温至280℃不会热变形，此时型芯成为液态，从复合材料内腔一侧出口打入压缩空气，从另一个出口释放出被压缩空气挤出的型芯材料，至没有液体流出；再降温至低于60℃，脱模，拉扯聚四氟乙烯的无孔薄膜或尼龙密封袋，顺带拉出复合材料制件内部残余的型芯。得到成型好的具有U字形空腔的连续碳纤维增强环氧树脂基或双马树脂基复合材料制件，或相应的玻璃纤维复合材料制件；
(3-3)以上步骤在选取相应的型芯材料时适用于所有180℃具有较高力学强度，而230℃或250℃成为液态的型芯材料，如一种低熔点金属共混物，可在220℃下熔融成为可流动液体。
实施例4：
本实施例技术方案的实施过程如下：
(4-1)将型芯材料浇注成块，再用机械加工方法加工成椭球；或者直接将型芯材料注入到具有椭球形空腔的模具中，冷却脱模后得到椭球形的型芯。再在型芯外包裹一层聚四氟乙烯的无孔薄膜，密封。
(4-2)室温下将预浸中温固化(120℃)环氧树脂的连续碳纤维缠绕在上述型芯的聚四氟乙烯的无孔薄膜表面，再按热压罐成型工艺方法外覆隔离膜、透气毡、真空袋等材料，置入热压罐中按规定固化工艺固化成型，随后冷却至60℃以下，拆除辅助材料取出带有型芯的复合材料制件；将带有型芯的复合材料制件升温至150℃或170℃，此时型芯成为粘稠液体，利用压缩空气排出腔内的大多数型芯材料；再降温至60℃或45℃，拉扯聚四氟乙烯的无孔薄膜，顺带拉出复合材料制件内部残余的型芯，或者稍降温10～20℃趁着型芯构成材料为粘稠液态容易拉出时拉出薄膜。得到成型好的具有椭球形空腔的连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料制件。
(4-3)此方法也适用于预浸双马来酰亚胺树脂的连续碳纤维，只是固化成型工艺温度为200℃，排出型芯时需要升温到270℃或300℃，相应的需要选择200℃时为硬质固体，即结晶熔融温度高于此温度20℃以上，或玻璃化转变温度高于此温度30℃以上，而270℃或300℃时为粘度低于1000Pa.s的液体的材料作为制备型芯的材料。
实施例5：
本实施例技术方案的实施过程如下：
(5-1)将型芯材料升温至280℃，注射进入到一个预制空腔形状为之字形的聚酰亚胺密封袋中，得到外覆聚酰亚胺密封袋、内为易熔型芯材料的型芯。再在型芯外包裹一层聚四氟乙烯的无孔薄膜，密封。
(5-2)室温下将预浸高温固化环氧树脂的单向连续聚酰亚胺纤维或芳纶纤维预浸料铺覆在上述型芯的聚四氟乙烯的无孔薄膜表面，再放入模具中，将型芯两端的尼龙密封袋出口固定并密封连接气嘴上，保证型芯和复合材料预制体之间空气隔离，同时复合材料预制体一侧预留的抽气口抽真空，升温至固化所需要的温度并按规定工艺固化得到成型的复合材料制件；升温至260℃，从模具的连通型芯的气体阀门打入压缩空气，从另一个出口阀门释放出被压缩空气挤出的型芯材料，至没有液体流出后关闭出口阀门。随后降温至55℃以下或80℃以下，脱模，拉扯聚四氟乙烯的无孔薄膜或聚酰亚胺密封袋，顺带拉出复合材料制件内部残余的型芯，或者稍降温10～20℃趁着型芯构成材料为粘稠液态容易拉出时拉出薄膜。得到成型好的具有之字形空腔的连续聚酰亚胺纤维增强环氧树脂基复合材料制件，或连续芳纶纤维增强环氧树脂基复合材料制件。
从实施例可以看出，本发明涉及一种可制备复杂内腔复合材料制件的方法，即利用一种复合材料成型温度下刚性，而升温至不超过制件热变形温度下可熔融成为液体的材料作为型芯材料，因此固化成型时良好保持复合材料制件的结构和内腔结构，而提高温度后可容易去除腔内型芯，最终得到具有复杂空腔结构的复合材料制件。本发明不仅可以制备具有各种空腔结构的连续纤维增强的复合材料制件，而且除芯速度快，型芯材料可反复使用。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种制备复杂内腔制件的方法，其特征在于，该方法包括：
a、室温下将预浸树脂的连续纤维缠绕在包裹有隔离膜的型芯表面，或将连续纤维树脂预浸料铺覆在包裹有隔离膜的型芯表面，得到包裹有预制体的型芯；
b、将包裹有预制体的型芯放入模具中，利用密封胶和隔离膜使型芯和预制体相互密封隔离；
c、在固化温度下将预制体固化成型，得到固化成型制件；
d、升温至型芯构成材料熔化成液态后，施加压缩空气排出固化成型制件腔内的成为液态的型芯，冷却脱模，去除腔内残留的型芯及隔离膜，得到复杂内腔制件，
所述预浸树脂的连续纤维和/或连续纤维树脂中所述连续纤维为选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维中的至少一种，所述树脂为选自环氧树脂、不饱和聚酯、苯并恶嗪树脂和双马来酰亚胺树脂中的至少一种，所述隔离膜为聚四氟乙烯无孔薄膜，所述密封胶为硅橡胶，成型压力为0.4-1兆帕，所述固化条件为：温度为100-200℃，所述型芯构成材料在所述固化温度下为硬质固体，在高于该固化温度30～100℃以上成为可流动的液体，且该液体的粘度低于1000Pa.s。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将步骤d替换为：
d’、冷却脱模，升温至型芯构成材料熔化成液态后，倒出型芯或施加压缩空气排出固化成型制件腔内的成为液态的型芯，去除腔内残留的型芯及隔离膜，得到复杂内腔制件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预浸树脂的连续纤维和/或连续纤维树脂中的树脂为双马来酰亚胺树脂，型芯构成材料在180℃或200℃以下为硬质固体，高于该180℃或200℃的30～100℃以上且不超过预制体热变形温度时成为可流动的液体，粘度低于1000Pa.s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预浸树脂的连续纤维和/或连续纤维树脂中的树脂为环氧树脂，型芯构成材料在120℃以下为硬质固体，在150～200℃中的某一温度以上成为可流动的液体，且该液体的粘度低于1000Pa.s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预浸树脂的连续纤维和/或连续纤维树脂中的树脂为环氧树脂，型芯构成材料在180℃以下为硬质固体，在210～250℃中的某一温度以上成为可流动的液体，且该液体的粘度低于1000Pa.s。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述型芯构成材料为聚醚醚酮，该型芯构成材料的结晶熔融温度为140～145℃，160℃或180℃下粘度低于1000Pa.s；
或者，所述型芯构成材料为改性聚芳醚酮共聚物，结晶熔融温度为200℃，250℃时为可流动液态；
或者，所述型芯构成材料为熔点低于220℃的低熔点金属共混物。
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