CN106853694A - 基于水溶性型芯的sqrtm成型工艺碳纤维格栅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法，该方法首先是以可溶性材料来制备格栅的型芯，在其上面进行碳纤维预浸料铺贴，采用SQRTM成型工艺进行制件固化，后期通过一定压力的自来水将其水溶性芯模溶解，脱模得到格栅制件。该方法解决了格栅高曲率复杂制件的脱模问题，采用的SQRTM工艺，结合了预浸料工艺和液体RTM成型技术，有效的降低了制造成本，制备出净成型制件的同时也保证了制件的高性能要求。该项发明可以为复合材料航空复杂曲率的零部件提供了可行的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料成型方法技术领域，尤其涉及一种基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）是目前最先进的复合材料之一，具有比强度和比刚度高、热膨胀系数小、抗疲劳能力强以及可设计性强、易于整体成型等特点，能有效减轻航空航天零部件的结构质量，是航空航天新材料发展领域的必然趋势。目前小型商务机和直升飞机的碳纤维复合材料用量已占55%左右，军用飞机25%左右，大型客机占20%左右。
复合材料的大量应用会带来高昂的成本，除了原材料碳纤维，复合材料的设计和制造成了制约发展的关键因素。目前航空领域所采用的树脂基复合材料构件大多采用预浸料/热压罐成型方法，热压罐成型制备的复合材料性能优异、质量稳定可靠，在航空复合材料成型技术中占据核心地位，但其高昂的工艺成本一直是制造商的通病。当前采用的非热压罐（OAA）工艺有效降低了制造成本，但是它们很少有超过SQRTM技术的巧妙。SQRTM它是一种闭模成型方法，结合预浸料工艺和液体成型技术，可以制备出净成型且高强度组合的航空航天零部件，虽然不使用热压罐，但却生产出具有热压罐质量的部件。
复合材料航空的零部件的复杂程度是众所周知的，对于多曲率的结构部件，脱模已然成为制备制件的难题。本发明采用可溶性材料制备出双曲率的芯模，在芯模上面进行预浸料铺层，采用SQRTM成型工艺注胶固化制件，后期通过一定压力的自来水将其水溶性芯模溶解，脱模得到格栅制件，解决了复杂曲率制件脱模难的问题。
因此，现在有必要提供基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法；用于解决复杂曲率复合材料零部件和降低复合材料制造成本的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法；用于解决复杂曲率复合材料零部件和降低复合材料制造成本的难题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法，包括以下步骤：（1）用可溶性材料制备格栅的型芯，制得水溶性芯模；（2）在所述水溶性芯模上面进行碳纤维预浸料铺贴，采用SQRTM（相同合格树脂传递成型）成型工艺进行制件固化，制得格栅制件；（3）再通过自来水将其水溶性芯模溶解，脱模得到格栅制件。采用上述技术方案，该方法首先是以可溶性材料来制备格栅的型芯，制备的型芯具有一定的硬度，保证了格栅内腔表面的质量要求，在其上面进行碳纤维预浸料铺贴，预浸料铺贴完毕后用真空进行预压实，采用SQRTM成型工艺进行制件注胶固化，将预浸料工艺和液体成型技术巧妙的结合在一起，降低了制造成本的同时还保证了制件的性能要求，后期通过一定压力的自来水将其水溶性芯模溶解，脱模得到格栅制件，解决了双曲率格栅制件脱模难的问题。其中，所述可溶性材料为水溶性胶结剂和石英砂混合而成，是专门用于精密制造的材料，有更好的轻度以及更低的孔隙率，所以制备的芯模中可以有一个光滑的曲面；所述可溶性材料还可为石膏或可溶性硅酸盐。后期脱模时，用自来水冲刷即可脱模，环境友好，节约时间和劳动力。
进一步改进在于，所述步骤（1）的用可溶性材料制备格栅的型芯，制得水溶性芯模的具体制备过程包括：
1）填入芯模材料：将可溶性芯模材料放入芯模模具的模腔内，通过芯模模具上盖板紧固螺栓将可溶性芯模材料压实；
2）芯模固化：将步骤1）中压实后的芯模模具放入烘箱中进行固化，固化温度为100~140℃，固化时间为1~3h，冷却至60℃以下打开烘箱取出所述芯模模具；
3）芯模密封：将取出的芯模模具用表面密封剂进行密封，待用。
其中优选的，可溶性材料的芯模的固化的温度为120℃，固化时间为2h。
进一步改进在于，所述步骤（2）中SQRTM成型工艺过程是用一个预浸料铺层代替干纤维预成型体，把预浸料铺层铺放在芯模模具中，并使芯模模具闭合，然后把树脂注入到所述芯模模具中和所述步骤（3）脱模的具体步骤如下：
（A）预浸料铺层：将裁剪成指定形状的碳纤维预浸料铺贴在可溶性芯模表面，铺贴完毕后进行真空预压实，真空压力≥920mbar；
（B）合模：将预压实过的碳纤维预浸料铺层放置在芯模模具内的定位卡板上，四周放入定位压条，再盖上芯模模具的上模具，通过螺栓锁紧上模具；
（C）注胶：连接注胶管路同时加热芯模模具，当芯模模具温度达到注胶温度时，开始注胶并提供注胶压力；
（D）固化：注胶结束后，加热设备按树脂固化条件设置升温固化，固化温度为170~200℃固化时间为1~3h；
（E）脱模：待芯模模具降温到60℃以下，用自来水对可溶性芯模进行溶解，直至可溶性芯模溶解完毕，获得格栅制件。
采用了SQRTM工艺，保证了格栅制件的高性能要求外降低了制造成本；预浸料铺贴完毕后，进行抽真空预压实，赶走预浸料层间的气泡，保证制件的精度要求。
进一步改进在于，所述碳纤维预浸料为斜纹织物碳纤维预浸料或/和单向碳纤维预浸料。
进一步改进在于，注胶所用树脂与预浸料树脂为相同树脂。
进一步改进在于，所制得的格栅制件为双曲率、纵横筋交错的曲面格栅结构形式。
进一步改进在于，所述步骤（C）中的所述注胶压力为2~6bar。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明是一种基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法；采用了可溶性材料来制备双曲率的格栅芯模，后期可以通过一定压力的自来水溶解芯模，制得格栅制件，解决了复杂曲率制件的脱模问题；本发明采用的SQRTM成型工艺，与传统热压罐成型工艺相比，降低了制造成本的同时还保证了产品质量的稳定性。
附图说明
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案：
图1是本发明的可溶性材料制备的芯模示意图；
图2是本发明基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺的格栅的结构示意图；
其中1-纵筋，2-横筋。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例1：如图1~2所示，该基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺的格栅的制备方法，包括以下步骤：
（1）可溶性芯模的制备：首先将可溶性芯模材料放入芯模模腔内，通过模具紧固螺栓将可溶性芯模材料压实；之后放入烘箱进行固化，固化温度为：120℃，固化时间为2h，冷却至60℃以下打开烘箱取出；干燥成型后的芯模如图1所示，为保证制件的表面光洁度，成型的芯模表面采用表面密封剂进行密封，后期进行复合材料铺层；
（2）在所述水溶性芯模上面进行碳纤维预浸料铺贴，采用SQRTM（相同合格树脂传递成型）成型工艺进行制件固化，制得格栅制件；
（3）再通过自来水将其水溶性芯模溶解，脱模得到格栅制件；
其中：预浸料铺层：将所需碳纤维预浸料通过CAD软件设计下料图，优化下料形状，在自动裁剪机上进行裁剪，每层依次编码并进行铺贴记录；铺贴完毕后在预浸料上方分别依次铺层可剥布、隔离膜、透气毡和真空袋等辅助材料采用真空袋封装，抽真空预压实。
合模：将预压实过的预浸料铺层依次按照纵横筋2排列位置放置在模具内定位卡板上，用单向预浸料填充尖角区域，确保整个制件的树脂含量均匀一致性，最后在模具四周放入定位压条，盖上上模具，通过螺栓锁紧模具。
注胶固化：合模后，连接真空及注胶管道，加热模具，与此同时，加热注胶机中树脂到85℃，并进行树脂脱泡15min~25min；待模具加热到120℃时，开始注胶，注胶过程中根据树脂流速进行加压，随着树脂流速的降低，注胶压力逐渐增大，保证树脂能够充分浸润碳纤维织物。压力最终控制在6bar，压力过大，反而影响制件的尺寸精度要求，性能降低；注胶完毕后，进行树脂固化，固化温度为：180℃，固化时间为2h，待固化结束后，加热设备停止加热，模具自然冷却到60℃以下；
脱模：利用起重机将模具放置在脱模区域，拧开螺栓，移走定位压条，将制件与芯模一起从模具内脱出，用带有一定压力的自来水冲洗可溶性芯模，直至可溶性芯模溶解完毕，清理制品毛边，制成碳纤维复合材料格栅制品；如图2所示。
本发明的实施方式不限于此，可溶性芯模材料可以替换为可溶性硅酸盐、石膏等。对于航空航天复杂曲率异形零部件，纵横筋交错形成的多腔结构，均可以采取这种实施方案。与传统的热压罐工艺相比，大大降低了制造成本，其力学性能与热压罐工艺的制品相当，拥有良好的内部质量，纤维体积含量可控制在55±3%，孔隙率低，满足作为航空航天零部件的要求。
实施例2：该基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺的格栅的制备方法，包括以下步骤：
（1）可溶性芯模的制备：首先将可溶性芯模材料（石膏）放入芯模模腔内，通过模具紧固螺栓将可溶性芯模材料压实；之后放入烘箱进行固化，固化温度为：100℃，固化时间为3h，冷却至60℃以下打开烘箱取出；干燥成型后的芯模如图1所示，为保证制件的表面光洁度，成型的芯模表面采用表面密封剂进行密封，后期进行复合材料铺层；
（2）在所述水溶性芯模上面进行碳纤维预浸料铺贴，采用SQRTM（相同合格树脂传递成型）成型工艺进行制件固化，制得格栅制件；
（3）再通过自来水将其水溶性芯模溶解，脱模得到格栅制件；
其中：预浸料铺层：将所需碳纤维预浸料通过CAD软件设计下料图，优化下料形状，在自动裁剪机上进行裁剪，每层依次编码并进行铺贴记录；铺贴完毕后在预浸料上方分别依次铺层可剥布、隔离膜、透气毡和真空袋等辅助材料采用真空袋封装，抽真空预压实。
合模：将预压实过的预浸料铺层依次按照纵横筋2排列位置放置在模具内定位卡板上，用单向预浸料填充尖角区域，确保整个制件的树脂含量均匀一致性，最后在模具四周放入定位压条，盖上上模具，通过螺栓锁紧模具。
注胶固化：合模后，连接真空及注胶管道，加热模具，与此同时，加热注胶机中树脂到85℃，并进行树脂脱泡25min；待模具加热到120℃时，开始注胶，注胶过程中根据树脂流速进行加压，随着树脂流速的降低，注胶压力逐渐增大，保证树脂能够充分浸润碳纤维织物。压力最终控制在6bar，压力过大，反而影响制件的尺寸精度要求，性能降低；注胶完毕后，进行树脂固化，固化温度为：170℃，固化时间为3h，待固化结束后，加热设备停止加热，模具自然冷却到60℃以下；
脱模：利用起重机将模具放置在脱模区域，拧开螺栓，移走定位压条，将制件与芯模一起从模具内脱出，用带有一定压力的自来水冲洗可溶性芯模，直至可溶性芯模溶解完毕，清理制品毛边，制成碳纤维复合材料格栅制品。
实施例3：该基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺的格栅的制备方法，包括以下步骤：
（1）可溶性芯模的制备：首先将可溶性芯模材料（可溶性硅酸盐）放入芯模模腔内，通过模具紧固螺栓将可溶性芯模材料压实；之后放入烘箱进行固化，固化温度为：140℃，固化时间为1h，冷却至60℃以下打开烘箱取出；干燥成型后的芯模如图1所示，为保证制件的表面光洁度，成型的芯模表面采用表面密封剂进行密封，后期进行复合材料铺层；
（2）在所述水溶性芯模上面进行碳纤维预浸料铺贴，采用SQRTM（相同合格树脂传递成型）成型工艺进行制件固化，制得格栅制件；
（3）再通过自来水将其水溶性芯模溶解，脱模得到格栅制件；
其中：预浸料铺层：将所需碳纤维预浸料通过CAD软件设计下料图，优化下料形状，在自动裁剪机上进行裁剪，每层依次编码并进行铺贴记录；铺贴完毕后在预浸料上方分别依次铺层可剥布、隔离膜、透气毡和真空袋等辅助材料采用真空袋封装，抽真空预压实。
合模：将预压实过的预浸料铺层依次按照纵横筋2排列位置放置在模具内定位卡板上，用单向预浸料填充尖角区域，确保整个制件的树脂含量均匀一致性，最后在模具四周放入定位压条，盖上上模具，通过螺栓锁紧模具。
注胶固化：合模后，连接真空及注胶管道，加热模具，与此同时，加热注胶机中树脂到85℃，并进行树脂脱泡15min；待模具加热到120℃时，开始注胶，注胶过程中根据树脂流速进行加压，随着树脂流速的降低，注胶压力逐渐增大，保证树脂能够充分浸润碳纤维织物；压力最终控制在2bar，压力过大，反而影响制件的尺寸精度要求，性能降低；注胶完毕后，进行树脂固化，固化温度为：190℃，固化时间为1h，待固化结束后，加热设备停止加热，模具自然冷却到60℃以下；
脱模：利用起重机将模具放置在脱模区域，拧开螺栓，移走定位压条，将制件与芯模一起从模具内脱出，用带有一定压力的自来水冲洗可溶性芯模，直至可溶性芯模溶解完毕，清理制品毛边，制成碳纤维复合材料格栅制品。
本发明实施例中环氧树脂及其固化剂是本领域所属技术人员的公共常识，它所代表的是热固性树脂下的各类树脂及其固化剂。本发明不局限于上述特定实施方式，在不脱离上述基本技术思想的前提下做出的各种变形或修改，均落在本发明权利保护范围之列。
Claims (8)
1.一种基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）用可溶性材料制备格栅的型芯，制得水溶性芯模；（2）在所述水溶性芯模上面进行碳纤维预浸料铺贴，采用SQRTM（相同合格树脂传递成型）成型工艺进行制件固化，制得格栅制件；（3）再通过自来水将其水溶性芯模溶解，脱模得到格栅制件。
2.根据权利要求1所述基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）的用可溶性材料制备格栅的型芯，制得水溶性芯模的具体制备过程包括：
1）填入芯模材料：将可溶性芯模材料放入芯模模具的模腔内，通过芯模模具上盖板紧固螺栓将可溶性芯模材料压实；
2）芯模固化：将步骤1）中压实后的芯模模具放入烘箱中进行固化，固化温度为100~140℃，固化时间为1~3h，冷却至60℃以下打开烘箱取出所述芯模模具；
3）芯模密封：将取出的芯模模具用表面密封剂进行密封，待用。
3.根据权利要求2所述的基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中SQRTM成型工艺过程是用一个预浸料铺层代替干纤维预成型体，把预浸料铺层铺放在芯模模具中，并使芯模模具闭合，然后把树脂注入到所述芯模模具中，所述步骤（3）脱模的具体步骤如下：
（A）预浸料铺层：将裁剪成指定形状的碳纤维预浸料铺贴在可溶性芯模表面，铺贴完毕后进行真空预压实，真空压力≥920mbar；
（B）合模：将预压实过的碳纤维预浸料铺层放置在芯模模具内的定位卡板上，四周放入定位压条，再盖上芯模模具的上模具，通过螺栓锁紧上模具；
（C）注胶：连接注胶管路同时加热芯模模具，当芯模模具温度达到注胶温度时，开始注胶并提供注胶压力；
（D）固化：注胶结束后，加热设备按树脂固化条件设置升温固化，固化温度为170~200℃，固化时间为1~3h。
4.（E）脱模：待芯模模具降温到60℃以下，用自来水对可溶性芯模进行溶解，直至可溶性芯模溶解完毕，获得格栅制件。
5.根据权利要求2所述的基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法，其特征在于，所述碳纤维预浸料为斜纹织物碳纤维预浸料或/和单向碳纤维预浸料。
6.根据权利要求4所述的基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法，其特征在于，注胶所用树脂与预浸料树脂为相同树脂。
7.根据权利要求5所述的基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法，其特征在于，所制得的格栅制件为双曲率、纵横筋交错的曲面格栅结构形式。
8.根据权利要求6所述的基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法，其特征在于，所述步骤（C）中的所述注胶压力为2~6bar。
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