CN114161738B - 一种适用于rtm工艺的低密度纤维增强体增强材料构件净尺寸成型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于RTM工艺的低密度纤维增强体增强材料构件净尺寸成型的方法;所述方法包括如下步骤:(1)将胶液原料与溶剂混合形成胶液;(2)将步骤(1)得到的胶液喷洒至纤维预制体上,而后进行铺覆和半烘干;(3)重复进行步骤(2)中胶液喷洒1~20次以及步骤(2)中铺覆0~20次得到预处理纤维增强体;(4)将步骤(3)得到的预处理纤维增强体嵌入模具中,经过打磨和烘干后,通过RTM工艺注胶成型、固化脱模、干燥防潮后得到构件;本发明提供的方法解决了低密度纤维增强体增强多孔材料通过RTM方式净成型的问题,能够取消最终的产品型面加工,得到高型面精度无褶皱的产品。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域,尤其涉及一种适用于RTM工艺的低密度纤维增强体增强材料构件净尺寸成型的方法。
背景技术
随着飞行器飞行马赫数逐渐升高,飞行时间及飞行距离的延长,对于飞行器的重量要求也越来越高,越来越多的轻质高强复合材料成为飞行器结构与热防护材料的研究重点。而纤维增强树脂/前驱体基体复合材料作为可制备的轻质高强材料被大家广泛应用和研究。所使用的纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等,基体包括合成树脂、橡胶、陶瓷前驱体及碳材料等。
为保证飞行器热防护结构的重量需求,近年来,纤维增强体逐渐由纤维布替换为由纤维网胎连接而成的低密度纤维毡,或由纤维布与低密度纤维毡层层交替的增强体材料,该方法既能进一步有效的降低热防护结构的重量,同时又能够满足在高冲刷及剪切力的条件下的应用。
但在复合材料制备过程中,由于低密度纤维毡层间结合强度弱,在操作前容易出现变形,导致型面尺寸偏差较大,尤其对于大尺寸异型构件产品,一旦发生变形,合模过程中产品型面容易出现深浅不一的褶皱,这些褶皱在飞行器飞行过程中会影响气动外形,严重时可导致材料局部损坏,飞行器内温度升高,影响内部仪器正常工作,因此在制备时需预留型面加工余量,导致产品生产周期延长,经济效益低,对于大尺寸异型构件加工时的型面精度控制较差,最后会影响产品装配。
因此,仍需解决低密度纤维增强体增强多孔材料通过RTM方式净成型的问题,取消最终的产品型面加工,得到高型面精度无褶皱的产品。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于现有的低密度纤维毡层间结合强度弱,在操作前易变形,针对现有技术中的缺陷,提供一种适用于RTM工艺的低密度纤维增强体增强材料构件净尺寸成型的方法。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种适用于RTM工艺的低密度纤维增强体增强材料构件净尺寸成型的方法,所述方法包括如下步骤:
(1)将胶液原料与溶剂混合形成胶液;
(2)将步骤(1)得到的胶液喷洒至纤维预制体上,而后进行铺覆和半烘干;
(3)重复进行步骤(2)中胶液喷洒1~20次以及步骤(2)中铺覆0~20次得到预处理纤维增强体;
(4)将步骤(3)得到的预处理纤维增强体嵌入模具中,经过打磨和烘干后,通过RTM工艺注胶成型、固化脱模、干燥防潮后得到构件。
本发明提供的方法,通过胶液对纤维增强体成型的过程,提高了纤维层间结合强度,控制了在预制体处理过程运输及前处理过程中的应力释放,使得增强体型面得到了有效控制,避免了后续RTM工艺过程出现变形的问题。
本发明中,纤维增强体密度低,其密度小于0.15g/cm3;而现有的方法中,主要使用的是高密度的纤维增强体,其无需经过上述处理过程;而其他工艺中有将纤维布作为固定层的方法,但该方法只能固定在一侧,另一侧由于是环形内型面,或凹侧面而无法固定,仍然会导致一侧的应力释放,导致预制体变形。
本发明所述RTM工艺的含义:树脂传递模塑成型,指低粘度树脂在闭合模具中流动、浸润增强材料并固化成型的一种工艺技术。
净尺寸成型的含义:无需进行型面加工即可得到高精度的构件。
本发明所述半烘干过程只是初步定型,为了方便合模过程,合模之后在进行溶剂的全部烘干,在全部烘干过程中再释放一部分应力,使低密度毡与模具完全贴合。
在本发明步骤(1)中,胶液原料与溶剂需要混合分散直至溶液成为均一不分相的状态。
在本发明中,步骤(2)中纤维预制体可以是已经成型的纤维增强体,也可以是未经处理需要铺覆的纤维预制体。若为已经成型的纤维增强体,则直接在其表面进行胶液的喷洒,然后进行半烘干的过程即可,即步骤(3)中此时的胶液喷洒次数为1~20次,而铺覆的次数为0次;而对于需要铺覆的纤维预制体,需要经过胶液喷洒,然后进行铺覆和半烘干的过程,通过重复循环操作,直至铺覆完成,即此时步骤(3)中胶液喷洒的次数为1~20次,铺覆的次数为1~20次。
在本发明中,步骤(4)中预处理纤维增强体嵌入模具后,对其表面进行打磨,去除表面的多余物后再进行合模。烘干的过程,不仅可以去除溶剂,还可以实现胶液的固化。
铺覆的含义为:称取纤维并剪裁,将纤维按固定形状一层一层叠加到固定厚度。
优选地,步骤(1)中所述胶液原料为树脂或前驱体。
优选地,所述树脂包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂或有机硅树脂中的任意一种或至少两种的组合。本发明所使用的树脂可以是任意能够产生良好胶黏性的树脂,不局限于上述所列树脂。
所述前驱体包括硅氧烷、硅溶胶或铝溶胶中的任意一种或至少两种的组合。本发明所使用的前驱体包括但不限于上述所列列举的前驱体。
在本发明中,所使用的胶液原料根据使用的基体进行有针对性的选择。例如,若采用玻璃纤维增强体增强环氧树脂制备复合材料,则采用环氧树脂和丁酮进行配胶;若采用石英纤维增强体增强二氧化硅复合材料,则采用有机硅前驱体与乙醇进行配胶。
优选地,步骤(1)中所述溶剂为沸点高于50℃的溶剂。
优选地,所述溶剂包括水和/或乙醇。
在本发明中,溶剂的沸点不能太低,若选择沸点较低的溶剂,会导致溶剂挥发太快,胶液与纤维增强体之间固化不彻底,不均匀,降低最终成型后的性能。
优选地,步骤(1)中所述胶液原料与溶剂的比例为1:(1~100),例如可以是1:1、1:2、1:10、1:20、1:25、1:30、1:43、1:50、1:60、1:70、1:80、1:90或1:100等。在本发明中,胶液原料与溶剂的比例为质量与体积的比,胶液原料使用质量单位“克”,溶剂使用体积单位“毫升”。该比例决定了最终分散成为胶液的浓度,控制在上述范围内时,形成的胶液更为均一。
优选地,步骤(2)中所述纤维预制体的厚度为5~40mm,例如可以是5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm或40mm等。
优选地,步骤(2)中所述胶液喷洒的胶液量为100~500mL/m3,例如可以是100mL/m3、200mL/m3、300mL/m3、400mL/m3或500mL/m3等。胶液量会影响最终成型的构件外壳的硬度。如果胶液量太高,外壳的硬度太高;如果胶液量太低,达不到胶黏增强的作用。
步骤(2)中所述半烘干的温度为30~50℃,例如可以是30℃、35℃、40℃、45℃或50℃等,
步骤(2)中所述半烘干的时间为10~30min,例如可是10min、15min、20min、25min或30min等。
优选地,步骤(2)中所述纤维预制体的材料包括有机纤维针刺毡、无机纤维针刺毡、有机纤维布或无机纤维布中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,步骤(4)中所述烘干的时间为2~10h且烘干的温度不超过溶剂的沸点。
优选地,所述方法具体包括如下步骤:
(1)将胶液原料与溶剂按照1:(1~100)的比例混合,混合形成胶液,其中胶液原料包括树脂或前驱体,溶剂包括水和/或乙醇,胶液原料与溶剂的比例为质量与体积的比;
(2)将步骤(1)得到的胶液喷洒至厚度为5~40mm的纤维预制体上,而后进行铺覆和半烘干,胶液喷洒量为100~500mL/m3,半烘干的温度为30~50℃,时间为10~30min;
(3)重复进行步骤(2)中胶液喷洒1~20次以及步骤(2)中铺覆0~20次得到预处理纤维增强体;
(4)将步骤(3)得到的预处理纤维增强体嵌入模具中,经过打磨和2~10h烘干且烘干的温度不超过溶剂的沸点后,通过RTM工艺注胶成型、固化脱模,脱模后利用夹具进行固定,再进行干燥防潮后得到构件。
实施本发明,具有以下有益效果:
(1)通过本发明制备出的纤维增强基体复合材料,可有效避免合模过程中出现的褶皱;
(2)本发明提供的方法可得到净尺寸成型构件;
(3)通过本发明方法制备完成的构件型面精度±0.3mm;
(4)通过本发明制备出的复合材料不会影响原本的材料性能,如力学强度等。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将硅溶胶和水以质量与体积比为1:20混合分散,直至溶液均一不分相;
(2)取玄武岩棉纤维进行铺覆,需要铺覆的纤维预制体厚度为20mm,铺覆及喷胶次数为5次,每次喷胶量为200mL/m3。半烘干温度为35℃,半烘干时间20min;
(3)将铺覆好的玄武岩棉增强体嵌入模具中,对表面进行打磨,去除多余物后合模。将模具放入90℃的烘箱中处理8h进行溶剂去除;
(4)RTM注胶成型、经固化后脱模、脱模后利用夹具进行固定,再经进一步干燥、防潮处理、产品余量加工后得到构件。
实施例2
(1)将酚醛树脂和乙醇以质量与体积比为1:20混合分散,直至溶液均一不分相;
(2)将低密度碳纤维增强体(密度为0.1g/cm3)放置在喷涂工装上,纤维预制体厚度为15mm,设置喷胶量为300ml/m3。半烘干温度为40℃,半烘干时间10min;
(3)将烘干好的低密度碳纤维增强体套入模具中,对表面进行打磨,去除多余物后合模。将模具放入70℃的烘箱中处理8h进行溶剂去除;
(4)RTM注胶成型、经固化后脱模、脱模后利用夹具进行固定,再经进一步干燥、防潮处理、产品余量加工后得到构件。
实施例3
(1)将铝溶胶和水以质量与体积比为1:60混合分散,直至溶液均一不分相;
(2)取低密度氧化铝纤维进行铺覆,需要铺覆的纤维预制体厚度为30mm,铺覆及喷胶次数为10次,每次喷胶量为300mL/m3。半烘干温度为30℃,半烘干时间30min;
(3)将低密度氧化铝纤维增强体嵌入模具中,对表面进行打磨,去除多余物后合模。将模具放入85℃的烘箱中处理8h进行溶剂去除;
(4)RTM注胶成型、经固化后脱模、脱模后利用夹具进行固定,再经进一步干燥、防潮处理、产品余量加工后得到构件。
实施例4
(1)将聚酰亚胺树脂和乙醇以质量与体积比为1:90混合分散,直至溶液均一不分相;
(2)取低密度石英纤维增强体进行铺覆,需要铺覆的纤维预制体厚度为10mm,铺覆及喷胶次数为15次,每次喷胶量为400mL/m3。半烘干温度为50℃,半烘干时间30min;
(3)将石英纤维嵌入模具中,对表面进行打磨,去除多余物后合模。将模具放入65℃的烘箱中处理9h进行溶剂去除;
(4)RTM注胶成型、经固化后脱模、脱模后利用夹具进行固定,再经进一步干燥、防潮处理、产品余量加工后得到构件。
实施例5
本实施例与实施例1的区别仅在于,本实施例使用的玄武岩棉纤维预制体的厚度为50mm,加工后得到构件。
实施例6
本实施例与实施例1的区别仅在于,本实施例使用的玄武岩棉纤维预制体的厚度为2mm,加工后得到构件。
实施例7
本实施例与实施例1的区别仅在于,本实施例步骤(2)中每次喷胶量为600mL/m3,加工后得到构件。
实施例8
本实施例与实施例1的区别仅在于,本实施例步骤(2)中每次喷胶量为50mL/m3,加工后得到构件。
实施例9
本实施例与实施例1的区别仅在于,本实施例步骤(1)中硅溶胶和水以质量与体积比为1:150混合分散,加工后得到构件。
实施例10
本实施例与实施例1的区别仅在于,本实施例步骤(1)中硅溶胶和水以质量与体积比为1:0.5混合分散,加工后得到构件。
实施例11
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例步骤(2)中使用成型的玄武岩棉纤维预制体,无需进行铺覆,仅进行5次喷胶,最终加工后得到构件。
对比例1
本对比例与实施例1的区别仅在于,本对比例中不使用胶液对玄武岩棉纤维预制体进行预处理,即不包含步骤(1)以及步骤(2)中喷胶的过程。
将上述实施例1-11与对比例1提供的构件进行型面测试,测试方法为,直接测量型变褶皱的变化量和型面精度。其中“≯”的含义为不大于。
测试结果如表1所示:
表1
通过以上实施例和对比例的结果可以看出,实施例1-3提供的方法制备的构件型变量较低,精度较高,可得到性能较好的净尺寸成型构件。实施例4中,树脂比例低,对于型变改变的效果不明显。
实施例5中由于厚度过大,厚度偏大导致浸渍不均匀,型面精度差;实施例6中由于厚度偏薄,胶液容易穿透预制体,影响预制体内应力导致型面出现偏差。
实施例7喷胶量过高导致表面层过硬,无法配合合模过程中产生的微小挤压,导致褶皱较大。实施例8喷胶量过低,导致纤维间粘结力不够,型面易变形。
实施例9与实施例10中,同样存在树脂含量的问题,导致型变变大,褶皱精度降低。
对比例1不包含胶液成型的过程,型变较大,精度降低。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种适用于RTM工艺的低密度纤维增强体增强材料构件净尺寸成型的方法,其特征在于:所述方法包括如下步骤:
(1)将胶液原料与溶剂混合形成胶液;
(2)将步骤(1)得到的胶液喷洒至纤维预制体上,而后进行铺覆和半烘干;
(3)重复进行步骤(2)中胶液喷洒1~20次以及步骤(2)中铺覆0~20次得到预处理纤维增强体;
(4)将步骤(3)得到的预处理纤维增强体嵌入模具中,经过打磨和烘干后,通过RTM工艺注胶成型、固化脱模、干燥防潮后得到构件;
步骤(1)中所述胶液原料为树脂或前驱体;
所述树脂包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂或有机硅树脂中的任意一种或至少两种的组合;
所述前驱体包括硅氧烷、硅溶胶或铝溶胶中的任意一种或至少两种的组合;
步骤(1)中所述胶液原料与溶剂的比例为1:(1~100);
步骤(2)中所述纤维预制体的厚度为5~40mm;
步骤(2)中所述胶液喷洒的胶液量为100~500mL/m3;
步骤(2)中所述半烘干的温度为30~50℃;
步骤(2)中所述半烘干的时间为10~30min。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:
步骤(1)中所述溶剂为沸点高于50℃的溶剂。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:
所述溶剂包括水和/或乙醇。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(2)中所述纤维预制体的材料包括有机纤维针刺毡、无机纤维针刺毡、有机纤维布或无机纤维布中的任意一种或至少两种的组合。
5.据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(4)中所述烘干的时间为2~10h且烘干的温度不超过溶剂的沸点。
6.权利要求1-5任一项所述的方法,其特征在于:所述方法包括如下步骤:
(1)将胶液原料与溶剂按照1:(1~100)的比例混合,混合形成胶液,其中胶液原料包括树脂或前驱体,溶剂包括水和/或乙醇,胶液原料与溶剂的比例为质量与体积的比;
(2)将步骤(1)得到的胶液喷洒至厚度为5~40mm的纤维预制体上,而后进行铺覆和半烘干,胶液喷洒量为100~500mL/m3,半烘干的温度为30~50℃,时间为10~30min;
(3)重复进行步骤(2)中胶液喷洒1~20次以及步骤(2)中铺覆0~20次得到预处理纤维增强体;
(4)将步骤(3)得到的预处理纤维增强体嵌入模具中,经过打磨和2~10h烘干且烘干的温度不超过溶剂的沸点后,通过RTM工艺注胶成型、固化脱模,脱模后利用夹具进行固定,再进行干燥防潮后得到构件。
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