CN106142587A - 一种复合材料双袋热隔膜预成型方法 - Google Patents

一种复合材料双袋热隔膜预成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明主要属于复合材料预成型技术领域，具体涉及一种复合材料双袋热隔膜预成型方法。所述方法首先将预浸料铺层封装于由内隔膜袋和外隔膜袋组成的双隔膜袋中，然后将含有预浸料铺层的双隔膜袋安装在预成型设备上，进行双袋热隔膜预成型。在所述双袋热隔膜预成型过程中，通过控制内隔膜袋内与外隔膜袋内的压力，使预浸料铺层面外法向压力降低为零，利用预成型设备完成预浸料铺层预成型，制备获得复合材料预成型制品。所述方法能够将预浸料铺层面外法向压力降低为零，有效促进纤维铺层层间滑移，避免纤维屈曲及褶皱等缺陷，并且有效简化双隔膜预成型工艺控制流程，同时不需要对现有预成型设备进行特殊改造。

Description

一种复合材料双袋热隔膜预成型方法
技术领域
本发明主要属于复合材料预成型技术领域，具体涉及一种复合材料双袋热隔膜预成型方法。
背景技术
传统的手工铺叠预浸料/热压罐工艺主要采用手工方式铺叠与制件结构一致的预浸料铺层，然后采用热压罐固化。随着复合材料在飞机结构的大量应用及其构件日趋大型化、复杂化，手工铺叠工艺生产效率低、成型质量不稳定等问题愈加突出，因此，复合材料制件的自动铺叠技术迅速发展。为了进一步提高生产效率，保证预成型质量，热隔膜成型工艺应运而生。该工艺利用真空负压将预热到预成型温度的平面预浸料铺层压制成复杂形状的预成型体，其生产速度快、成型质量高。
目前，在热隔膜成型工艺中，主要采用单隔膜或双隔膜两种方式进行预成型。单隔膜预成型工艺是指利用一层隔膜覆盖预浸料铺层进行预成型；双隔膜预成型工艺是指利用两层隔膜封装预浸料铺层进行预成型。在目前的热隔膜成型工艺中，将手工铺叠或自动铺带工艺铺叠的平面预浸料铺层置于单层隔膜下或双层隔膜间，并整体转移到热隔膜预成型设备上，以制备获得L形、C形及Ω形复合材料预成型制品。
复合材料预成型工艺的核心就是预浸料铺层层间滑移。促进预浸料铺层层间滑移是有效控制纤维屈曲及褶皱等缺陷的关键，进而保证预成型质量。无论采用单隔膜预成型工艺，还是双隔膜预成型工艺，预浸料铺层将不可避免地受到面外法向压力，该压力将增加预浸料铺层层间摩擦力，不利于层间滑移，存在出现纤维屈曲及褶皱等缺陷的风险。对于双隔膜预成型工艺，为了最大程度减少法向压力，需要在整个工艺过程控制双隔膜间的压力，这无形中增加工艺的繁琐程度。
发明内容
针对上述问题，本发明公开一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，所述方法能够将预浸料铺层面外法向压力降低为零，有效促进纤维铺层层间滑移，避免纤维屈曲及褶皱等缺陷，并且有效简化双隔膜预成型工艺控制流程，同时不需要对现有预成型设备进行特殊改造。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，所述方法首先将预浸料铺层封装于由内隔膜袋和外隔膜袋组成的双隔膜袋中，然后将含有预浸料铺层的双隔膜袋安装在预成型设备上，进行双袋热隔膜预成型，在所述双袋热隔膜预成型过程中，通过控制内隔膜袋内与外隔膜袋内的压力，使预浸料铺层面外法向压力降低为零，利用预成型设备完成预浸料铺层预成型，制备获得复合材料预成型制品。
进一步地，所述内隔膜袋通过一内隔膜袋导气管实现连通真空源或大气环境，所述内隔膜袋导气管上设置一阀门，通过关闭所述阀门能够实现内隔膜袋与真空源或大气环境的隔绝。
进一步地，通过封装将预浸料铺层置于由内隔膜袋和外隔膜袋组成的双袋中，具体包括以下步骤：
(1)封装制备内隔膜袋：预浸料铺叠结束后，将预浸料铺层放置于一层隔膜上，预浸料铺层四周均匀放置透气毡，然后利用一层隔膜覆盖预浸料铺层，利用密封腻子封装成内隔膜袋；
(2)内隔膜袋导气管的设置：设置一内隔膜袋导气管穿过内隔膜袋一侧的隔膜，并确保内隔膜袋与内隔膜袋导气管的管壁之间密封；
(3)外隔膜袋的设置：将内隔膜袋置于外隔膜袋中，所述内隔膜袋导气管穿过外隔膜袋一侧的隔膜，并确保外隔膜袋与内隔膜袋导气管的管壁之间密封。
进一步地，在所述双袋热隔膜预成型过程中，控制内隔膜袋内与外隔膜袋内的压力，所述双袋热隔膜预成型具体包括以下步骤：
(1)将外隔膜袋通过预成型设备框架密封，并安装在所述预成型设备上；
(2)开启内隔膜袋导气管上的阀门，使内隔膜袋导气管连通真空源，将内隔膜袋的袋内空气完全排出，形成真空；然后将框架上设置的框架导气管连通真空源，将外隔膜袋的袋内空气完全排出，形成真空；以使内隔膜袋和外隔膜袋均达到压缩状态；
(3)断开与内隔膜袋导气管连通的真空源，并保持内隔膜袋导气管上的阀门开启，使内隔膜袋的袋内与大气环境连通，以使内隔膜袋袋内的压力与大气压相等，进而控制预浸料铺层的面外法向压力为零；然后，关闭内隔膜袋导气管上的阀门，避免预浸料铺层预成型过程空气经阀门进入内隔膜袋；
(4)将预成型模具预热，同时预热预浸料铺层，当预浸料铺层达到预成型温度后，将预成型设备导气管与真空源连通，通过预成型设备控制气体流量，随着外隔膜袋下方的预成型设备内部的空气逐渐排出，预浸料铺层逐渐在预成型模具上随形，待预成型设备空气完全排出，达到真空状态，预浸料铺层及双隔膜袋完全贴合预成型模具，预浸料铺层完成预成型；
(5)预浸料铺层冷却至可操作温度后，取出在预成型模具随形的复合材料预成型制品。
进一步地，在步骤(2)-(4)中，始终保持框架导气管开启,使外隔膜袋连通真空源。
进一步地，在所述热隔膜预成型过程中，为了确保内隔膜袋的袋内压力与大气压相等,即确保预浸料铺层面外法向压力降低为零，能够不断重复步骤(2)和步骤(3)。
进一步地，将含有预浸料铺层的双隔膜袋安装在预成型设备上的过程具体为：将预成型模具放置于预成型设备中，将含有预浸料铺层的双袋安装在预成型模具上方，其中，利用框架将外隔膜袋密封并固定在预成型设备上，使预成型设备、框架及外隔膜袋下隔膜间形成气密环境。
进一步地，制备获得的所述复合材料预成型制品的结构为L形、C形及Ω形中的任意一种。
本发明的有益技术效果：
本发明公开的所述方法在热隔膜预成型过程中，通过控制内隔膜袋内与外隔膜袋内的压力，使预浸料铺层面外法向压力降低为零，从而有效促进纤维铺层层间滑移，避免纤维屈曲及褶皱等缺陷；并且，在热隔膜预成型过程中，外隔膜袋全程连通真空源，避免传统预成型工艺过程中外隔膜袋内压力的复杂控制，有效简化工艺制度。
附图说明
图1为本发明一种复合材料双袋热隔膜预成型工艺示意图；
附图标记：1.预浸料铺层、2.透气毡、3.内隔膜袋、4.密封腻子、5.内隔膜袋导气管、51.阀门、6.外隔膜袋、7.预成型设备、71.框架、72框架导气管、73.预成型设备导气管、8.预成型模具。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，如图1所示，所述方法首先将预浸料铺层1封装于由内隔膜袋3和外隔膜袋6组成的双隔膜袋中，然后将含有预浸料铺层1的双隔膜袋安装在预成型设备7上，进行双袋热隔膜预成型，在所述双袋热隔膜预成型过程中，通过控制内隔膜袋3内与外隔膜袋6内的压力，使预浸料铺层1面外法向压力降低为零，利用预成型设备完成预浸料铺层预成型，制备获得复合材料预成型制品。
所述内隔膜袋3通过一内隔膜袋导气管5实现连通真空源或大气环境，所述内隔膜袋导气管5上设置一阀门51，通过关闭所述阀门51能够实现内隔膜袋3与真空源或大气环境的隔绝；
通过封装将预浸料铺层1置于由内隔膜袋3和外隔膜袋6组成的双袋中，具体包括以下步骤：
(1)封装制备内隔膜袋3：预浸料铺叠结束后，将预浸料铺层1放置于一层隔膜上，预浸料铺层1四周均匀放置透气毡2，然后利用一层隔膜覆盖预浸料铺层1，利用密封腻子4封装成内隔膜袋3；预浸料铺层1四周均匀放置透气毡2原因为：透气毡2具有多孔蓬松的特性，内隔膜袋3与真空源连通后，有利于内隔膜袋3内空气排出，确保达到压缩状态；
(2)内隔膜袋导气管5的设置：设置一内隔膜袋导气管5穿过内隔膜袋3一侧的隔膜，并确保内隔膜袋3与内隔膜袋导气管5的管壁之间密封；
(3)外隔膜袋6的设置：将内隔膜袋3置于外隔膜袋6中，所述内隔膜袋导气管5穿过外隔膜袋6一侧的隔膜，并确保外隔膜袋6与内隔膜袋导气管5的管壁之间密封。
在所述双袋热隔膜预成型过程中，控制内隔膜袋3内与外隔膜袋6内的压力，所述双袋热隔膜预成型具体包括以下步骤：
(1)将外隔膜袋6通过预成型设备的框架71密封，并安装在所述预成型设备7上，使预成型设备7、框架71及外隔膜袋6下隔膜间形成气密环境；
(2)开启内隔膜袋导气管5上的阀门51，使内隔膜袋导气管5连通真空源，将内隔膜袋3的袋内空气完全排出，形成真空；然后将框架71上设置的框架导气管72连通真空源，将使外隔膜袋6的袋内空气完全排出，形成真空；以使内隔膜袋3和外隔膜袋6均达到压缩状态；
由于内隔膜袋3和外隔膜袋6均达到压缩状态，在下一个步骤中，内隔膜袋3虽接通大气环境，但外隔膜袋6在压缩状态下不至于出现大量气体流入内隔膜袋3，进而影响预成型；如果内隔膜袋3不接真空源，直接将框架71上设置的框架导气管72连通真空源，外隔膜袋6与内隔膜袋3之间形成真空，但是内隔膜袋3会充满空气，无法封装预浸料铺层1，预成型无法进行。
(3)断开与内隔膜袋导气管5连通的真空源，并保持内隔膜袋导气管5上的阀门51开启，使内隔膜袋3的袋内与大气环境连通，以使内隔膜袋3袋内的压力与大气压相等，进而控制预浸料铺层1的面外法向压力为零；然后，关闭内隔膜袋导气管5上的阀门51，避免预浸料铺层1预成型过程中空气经阀门51进入内隔膜袋3；其中，在该步骤中，关闭阀门51避免气体空气进入内隔膜袋3的原因为：若是在后续的设备导气管73抽气过程中，如果预浸料铺层1刚度过大，难以变形，空气将经阀门51进入内隔膜袋3，会导致仅外隔膜袋6的下层隔膜随形，而外隔膜袋6上层隔膜不随形，无法完成预成型。
(4)将预成型模具8预热，同时预热预浸料铺层1，当预浸料铺层1达到预成型温度后，将预成型设备导气管73与真空源连通，通过预成型设备7控制气体流量，随着外隔膜袋6下方的预成型设备7内部的空气逐渐排出，预浸料铺层1逐渐在预成型模具8上随形，待预成型设备7空气完全排出，达到真空状态，预浸料铺层1及双隔膜袋完全贴合预成型模具8，预浸料铺层完成预成型。
(5)预浸料铺层1冷却至可操作温度后，取出在预成型模具8随形的复合材料预成型制品，所述可操作温度为20-60℃。
在步骤(2)-(4)中，始终保持框架导气管72开启，使外隔膜袋连通真空源；该过程避免了传统双隔膜预成型工艺过程中隔膜袋内压力的复杂控制的缺点，有效简化工艺制度。
并且在所述热隔膜预成型过程中，为了确保内隔膜袋3的袋内压力与大气压相等，即预浸料铺层面1外法向压力降低为零，能够不断重复步骤(2)和步骤(3)。
其中，阀门51可以设计为程控三通阀门，可以通过与预成型设备的控制***集成，实现连通真空源、连通大气、关闭三个功能的程序控制，以实现自动化。
将含有预浸料铺层1的双隔膜袋安装在预成型设备7上的过程具体为：将预成型模具8置于预成型设备7中，将含有预浸料铺层1的双袋安装在预成型模具8上方，其中，将设置有内隔膜袋导气管5的外隔膜袋6的一侧朝上，并利用框架71将外隔膜袋6密封并固定在预成型设备7上；所述外隔膜袋6通过一框架导气管72与真空源连通。
所述双袋热隔膜预成型方法制备获得的复合材料预成型制品的结构为L形、C形及Ω形中的任意一种。
本发明所述方法与现有技术中双隔膜预成型工艺以及单隔膜工艺相比，具有以下优点：
1)相比于单隔膜预成型工艺，双袋热隔膜预成型工艺在预成型设备上能有效支撑预浸料铺层，避免预浸料铺层尚未达到预成型温度，在自重的作用下发生弯折，从而出现纤维屈曲及褶皱等缺陷；
2)相对于双隔膜预成型工艺和单隔膜预成型工艺，双袋热隔膜预成型工艺能将预浸料铺层面外法向压力降低为零，从而降低预浸料铺层摩擦力，有效促进纤维铺层层间滑移，避免纤维屈曲及褶皱等缺陷；
3)相对于双隔膜预成型工艺，双袋热隔膜预成型工艺外隔膜袋全程连通真空源，避免双隔膜预成型工艺过程中通过隔膜袋内复杂的压力变化实现最大程度降低预浸料铺层面外法向压力，从而有效简化工艺制度。
实施例2
一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，具体包括以下步骤：
(1)封装制备内隔膜袋：预浸料铺叠结束后，将预浸料铺层放置于一层隔膜上，预浸料铺层四周均匀放置透气毡，然后利用一层隔膜覆盖预浸料铺层，利用密封腻子封装成内隔膜袋；
(2)内隔膜袋导气管的设置：设置一内隔膜袋导气管穿过内隔膜袋一侧的隔膜，并确保内隔膜袋与内隔膜袋导气管的管壁之间密封；
(3)外隔膜袋的设置：将内隔膜袋置于外隔膜袋中，所述内隔膜袋导气管穿过外隔膜袋一侧的隔膜，并确保外隔膜袋与内隔膜袋导气管的管壁之间密封。
(4)将预成型模具置于预成型设备中；
(5)将外隔膜袋上设置有内隔膜袋导气管的一侧朝上，并将外隔膜袋通过预成型设备框架密封，安装在所述预成型设备上，预成型设备、框架及外隔膜袋下隔膜形成气密环境；
(6)开启内隔膜袋导气管上的阀门，使内隔膜袋导气管连通真空源，将内隔膜袋的袋内空气完全排出，形成真空；然后将框架上设置的框架导气管连通真空源，将外隔膜袋的袋内空气完全排出，形成真空；以使内隔膜袋和外隔膜袋均达到压缩状态；
(7)断开与内隔膜袋导气管连通的真空源，并保持内隔膜袋导气管上的阀门开启，使内隔膜袋的袋内与大气环境连通，以使内隔膜袋袋内的压力与大气压相等，进而控制预浸料铺层的面外法向压力为零；然后，关闭内隔膜袋导气管上的阀门，避免预浸料铺层预成型过程空气经阀门进入内隔膜袋；
(8)将预成型模具预热，同时预热预浸料铺层，当预浸料铺层达到预成型温度后，将预成型设备导气管与真空源连通，通过预成型设备控制气体流量，随着外隔膜袋下方的预成型设备内部的空气逐渐排出，预浸料铺层逐渐在预成型模具上随形，待预成型设备空气完全排出，达到真空状态，预浸料铺层及双隔膜袋完全贴合预成型模具，预浸料铺层完成预成型。
(9)预浸料铺层冷却至可操作温度后，取出在预成型模具随形的复合材料预成型制品，所述可操作温度为20-60℃。
在步骤(6)-(8)中，始终保持框架导气管开启,使外隔膜袋连通真空源。
在所述热隔膜预成型过程中，为了确保内隔膜袋的袋内压力与大气压相等,即确保预浸料铺层面外法向压力降低为零，能够不断重复步骤(6)和步骤(7)。

Claims (8)

1.一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，其特征在于，所述方法首先将预浸料铺层封装于由内隔膜袋和外隔膜袋组成的双隔膜袋中，然后将含有预浸料铺层的双隔膜袋安装在预成型设备上，进行双袋热隔膜预成型，在所述双袋热隔膜预成型过程中，通过控制内隔膜袋内与外隔膜袋内的压力，使预浸料铺层面外法向压力降低为零，利用预成型设备完成预浸料铺层预成型，制备获得复合材料预成型制品。
2.根据权利要求1所述一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，其特征在于，所述内隔膜袋通过一内隔膜袋导气管实现连通真空源或大气环境，所述内隔膜袋导气管上设置一阀门，通过关闭所述阀门能够实现内隔膜袋与真空源或大气环境的隔绝。
3.根据权利要求1所述一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，其特征在于，通过封装将预浸料铺层置于由内隔膜袋和外隔膜袋组成的双袋中，具体包括以下步骤：
（1）封装制备内隔膜袋：预浸料铺叠结束后，将预浸料铺层放置于一层隔膜上，预浸料铺层四周均匀放置透气毡，然后利用一层隔膜覆盖预浸料铺层，利用密封腻子封装成内隔膜袋；
（2）内隔膜袋导气管的设置：设置一内隔膜袋导气管穿过内隔膜袋一侧的隔膜，并确保内隔膜袋与内隔膜袋导气管的管壁之间密封；
（3）外隔膜袋的设置：将内隔膜袋置于外隔膜袋中，所述内隔膜袋导气管穿过外隔膜袋一侧的隔膜，并确保外隔膜袋与内隔膜袋导气管的管壁之间密封。
4.根据权利要求2所述一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，其特征在于，在所述双袋热隔膜预成型过程中，控制内隔膜袋内与外隔膜袋内的压力，所述双袋热隔膜预成型具体包括以下步骤：
（1）将外隔膜袋通过预成型设备框架密封，并安装在所述预成型设备上；
（2）开启内隔膜袋导气管上的阀门，使内隔膜袋导气管连通真空源，将内隔膜袋的袋内空气完全排出，形成真空；然后将框架上设置的框架导气管连通真空源，将外隔膜袋的袋内空气完全排出，形成真空；以使内隔膜袋和外隔膜袋均达到压缩状态；
（3）断开与内隔膜袋导气管连通的真空源，并保持内隔膜袋导气管上的阀门开启，使内隔膜袋的袋内与大气环境连通，以使内隔膜袋袋内的压力与大气压相等，进而控制预浸料铺层的面外法向压力为零；然后，关闭内隔膜袋导气管上的阀门，避免预浸料铺层预成型过程空气经阀门进入内隔膜袋；
（4）将预成型模具预热，同时预热预浸料铺层，当预浸料铺层达到预成型温度后，将预成型设备导气管与真空源连通，通过预成型设备控制气体流量，随着外隔膜袋下方的预成型设备内部的空气逐渐排出，预浸料铺层逐渐在预成型模具上随形，待预成型设备空气完全排出，达到真空状态，预浸料铺层及双隔膜袋完全贴合预成型模具，预浸料铺层完成预成型；
（5）预浸料铺层冷却至可操作温度后，取出在预成型模具随形的复合材料预成型制品。
5.根据权利要求4所述一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，其特征在于，在步骤（2）-（4）中，始终保持框架导气管开启,使外隔膜袋连通真空源。
6.根据权利要求4所述一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，其特征在于，在所述热隔膜预成型过程中，为了确保内隔膜袋的袋内压力与大气压相等,即确保预浸料铺层面外法向压力降低为零，能够不断重复步骤（2）和步骤（3）。
7.根据权利要求1所述一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，其特征在于，将含有预浸料铺层的双隔膜袋安装在预成型设备上的过程具体为：将预成型模具放置于预成型设备中，将含有预浸料铺层的双袋安装在预成型模具上方，其中，利用框架将外隔膜袋密封并固定在预成型设备上，使预成型设备、框架及外隔膜袋下隔膜间形成气密环境。
8.根据权利要求1所述一种复合材料双袋热隔膜预成型方法，其特征在于，制备获得的所述复合材料预成型制品的结构为L形、C形及Ω形中的任意一种。
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