CN101287587A - 制造rtm复合材料部件的方法和通过该方法得到的复合材料连杆 - Google Patents

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Abstract

本发明主要涉及一种制造复合材料RTM部件(23)的方法，所述方法包括通过使由预浸料坯制成的复合材料部件(10、11)嵌入到干预成形件(8)中来制造干纤维预成形件(8)。部分聚合所述用第一树脂预浸渍的部件。将组件置于模具(16)中。将第二树脂注入该模具中并浸渍干纤维(7)。使两种树脂同时聚合。预浸渍部件(10、11)的部分聚合导致两种树脂之间良好的化学接合。预浸渍部件(10、11)的机械性能尤其是在压缩性能方面比RTM部件好。这尤其是因为纤维(12)在应力方向上较好的排列和较高的纤维体积比。用预浸渍部件增强的最终构件(23)的机械性能比没用预浸渍增强的相同RTM部件好，尤其是在压缩性能方面。本发明还涉及一种通过所述方法得到的连杆。

Description

制造RTM复合材料部件的方法和通过该方法得到的复合材料连杆
技术领域
本发明涉及一种制造RTM(树脂传递模塑)复合材料部件的方法和根据该方法得到的复合材料部件。本发明旨在改善所述部件在压缩下的机械性能。本发明尤其可非常有利地适用于管状部件例如复合材料连杆。这些部件尤其可用在机动车或航空领域中。
背景技术
有两种已知的用来制造管状复合材料部件的方法：RTM法和预浸渍法。
在RTM法中，一组纤维元件以特定方式位于支承物的周围。该组纤维元件形成RTM预成形件。每个纤维元件均含有通常彼此交错或平行的干纤维。然后将RTM预成形件和支承物放入模具中，向该模具中注入树脂。可在真空或在压力下注入树脂。然后通过施加能量使树脂聚合。然后该树脂的分子开始彼此键合并形成固体网。因此，得到由纤维和聚合的树脂形成的硬且轻的复合材料。
RTM法具有适应性大的优点，能够制造具有复杂几何形状的部件。实际上，由于纤维在开始时是干的，所以可以较容易地将它们放入特定位置以呈任何支承物的形状。在一个例子中，为制造管状部件，纤维元件具有放置在由例如泡沫材料制成的管状支承物(芯轴)周围的袜状物的形状。
实施时的RTM法还具有能够集成功能尤其是组合功能的优点。实际上，制造复杂形状部件的可能性避免了制造若干个形状不太复杂的部件并随后将其组合的需要。
然而，在RTM法中，纤维排列得不是非常好。实际上，由于预成形件的纤维是干的，所以由于纤维元件的呈现形式或在处理操作(例如用于制造预成形件并将该预成形件放入模具中的操作)期间或在注入树脂期间它们可以容易地改变方向。因此纤维可以处于与最初设计的方向(例如，压缩力方向)不同的方向。
在一个实施RTM法的模式中，尝试用交错的干纤维和彼此平行的干纤维制造纤维预成形件。交错的干纤维用于承受弯曲应力，而平行的纤维用于承受压缩应力。然而，事实上，通过弹性框保持的平行纤维表现出相对于主压缩应力方向的某些程度的乱取向。聚合后，所得部件的机械性能在硬度和压缩强度方面不是设计的那些。因此所得的部件无法承受所期望的压缩应力。当然，纤维由于相对于力的方向的排列和不很好的取向而承受局部弯曲应力。
此外，在RTM法中，纤维的体积比不是非常大。通常为45％～55％。该体积比相当于纤维体积和部件总体积之间的比。因此，通过RTM制造的部件的机械性能在压缩方面总体上一般。
还有使用预浸渍带或折叠物的预浸渍法。这些预浸渍带包含排列并彼此平行的由树脂制成的预浸渍树脂纤维。由此，这些纤维彼此结合并通过该树脂保持彼此平行。与在RTM法中使用的纤维不同，所述带的纤维在开始时不是干的，并且排列非常好和彼此具有非常高的平行性。
通过预浸渍带的堆叠得到预浸渍部件并在压力下聚合。采用该方法得到的部件具有充分的超过55％的纤维体积比。因此，采用该方法得到的部件在预浸渍纤维的主取向方向上具有非常好的机械性能，尤其是在压缩下。
然而，预浸渍法具有缺点，尤其是不能用于容易地制造具有复杂几何形状的部件例如连杆端。实际上，因为预浸渍带呈扁平状并且非常难以使这些带具有若干曲率半径的形状，所以预浸渍带的使用不适于封闭末端的几何形状。对于具有复杂几何形状的部件(例如连杆的端部)，可能在聚合期间难以得到部件的高密实性。因此，预浸渍部件可能具有较差的材料价值，导致高的废弃率。
发明内容
本发明旨在消除RTM法和预浸渍法的缺点，同时受益于它们各自的优点。为此，本发明以特定方式结合这两种方法的实施过程。
更特别地，本发明涉及通过将已经部分预聚合的预浸渍部件引入RTM预成形件来得到复合材料部件。因此，本发明的方法能够利用通过RTM法制造的预成形件制造具有复杂几何形状的部件、并通过将预浸渍部件和预聚合部件引入到该预成形件中来改善这些复杂部件在压缩下的机械性能。
实际上，局部嵌入预浸渍部件有助于纤维的高度排列和纤维在通过RTM制造的部件内的高体积比。此外，使预浸渍部件的树脂部分聚合的事实能够固定纤维的排列，尤其是防止这些纤维在处理操作期间或在RTM树脂的聚合期间移动。
部分聚合还能在RTM树脂聚合期间在预浸渍部件的树脂分子和RTM树脂分子之间形成化学键。所述键的形成使最终的复合材料具有硬度并赋予该材料高的均匀性。
预浸渍且预聚合的部件具有通常简单的几何形状。用该简单的几何形状在其制造期间获得高的密实性并因此具有高的材料价值。为结构目的嵌入这些预浸渍且预聚合的部件。实际上，通常将这些部件置于待承受大压缩力的位置处和部件的几何形状简单的位置处。在一个特定的实施方案中，制造RTM纤维预成形件以呈复杂的连杆形状，同时将预浸渍部件置于预成形件中压缩力最大的位置。
优选地，在特定工具上成形一叠预浸渍带并在部分聚合这些带的树脂，以制造必需数目的预浸渍且预聚合的部件。作为变化方案，直接在用于制造RTM预成形件的支承物上制造预浸渍部件。在将这些预浸渍部件引入到RTM预成形件中之前，可以对这些预浸渍部件进行切割和机械加工。
在本发明中，将预浸渍且预聚合的部件直接置于能制造预成形件的支承物上或使其嵌在RTM预成形件的干纤维元件之间。
因此，本发明涉及一种制造RTM复合材料部件的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
-制造预浸渍部件，该部件包含基本上排列的纤维，这些纤维浸渍有第一树脂，
-使预浸渍部件的第一树脂独自经受第一部分聚合步骤，直到所述第一树脂的硬度足以将纤维固定于其在所述树脂内的位置中的阶段，
-将预聚合部件和干纤维预成形件置于支承物的周围，所述预成形件包括纤维元件，这些纤维元件包含干纤维，
-将第二树脂注入到纤维预成形件中，和
-在第二聚合步骤中，使第二树脂聚合，同时完成第一树脂的聚合。
本发明还涉及一种由复合材料制成的包括优选压缩轴的连杆，其特征在于所述连杆包括：
-至少两层纤维元件，在通过RTM法成形后所述纤维元件包含浸渍有树脂的交错的纤维，和
-由使用预浸渍树脂的纤维的复合材料制成的并位于纤维元件层之间的部件，所述部件包含彼此基本平行的纤维，这些纤维基本上沿优选的连杆压缩轴取向。
附图说明
由下面的描述和附图将更清楚地理解本发明。给出这些图仅用于举例说明，决不限制本发明的范围。在这些图中：
-图1～6是根据本发明方法的步骤的示意图；
-图7是得到预浸渍且预聚合的部件的步骤的示意图。
具体实施方式
图1是设计为将一定形状赋于成品复合材料部件的芯轴或支承物1的剖面图。实际上，该支承物1是用来制造RTM预成形件的工具。该支承物1是细长的管状，并且通常具有连杆的形状。
更具体地，如剖面图中所示的，该支承物1具有彼此面对的且相互平行的两个平坦的面2和3。该面2和3通过两个面4和5彼此连接，所述面4和5是环形的并且基本上具有圆弧形状。
在特定实施方案中，支承物1由金属、泡沫材料或弹性体制成。
图2显示根据本发明方法的第一步骤，其中靠着所述支承物1的外表面将第一纤维元件6平放在支承物1的周围。这些第一纤维元件6含有彼此相互交错的干纤维7。
可以使这些干纤维7交错，以便形成相对于部件的轴正或负45°的角。在一个实施方案中，元件6具有封闭的袜子形状。这些袜状物是可变形的并且精确地呈支承物1的形状。
由此在支承物1的周围形成包括纤维元件6的干预成形件8。在一个实施方案中，由数量大于或等于2的纤维元件形成该预成形件8。
为了使预成形件8略微硬化，可以以粉末形式或作为喷雾剂将树脂沉积到干纤维元件的层之间并使整个预成形件密实。
作为变化方案，干纤维7相互形成不同值的角，甚至可以基本上彼此平行。
图3显示本发明方法的第二步骤。在该第二步骤中，将两个具有基本上为平面形状的预浸渍且预聚合的部件10和11置于在支承物1的平面2和3上的干预成形件8上。
部件10和11含有在第一预聚合树脂之内的纤维12。这些纤维12在部件10和11内具有近乎很好的排列并且彼此平行。放置部件10和11，使得纤维12具有垂直于纸面朝向支承物1的长度方向(即，朝向将施加到成品部件的压缩力方向)的取向。图7a和7b提供了得到部件10和11的方式的详细说明。
作为变化方案，部件10和11在其端部具有稍微弯曲的形状，因此部分地呈面4、5的形状。
图4显示本发明方法的第三步骤，其中将第二纤维元件13置于第一纤维元件6以及部件10和11的周围。像第一元件6一样，这些第二元件13优选具有袜子形状。
于是干预成形件8具有已经将部件10和11引入到其间的纤维元件6和13的第一层和第二层。
在此，可以再次以粉末形式或作为喷雾剂沉积树脂，以便进一步使预成形件8变硬。
图5显示本发明方法的第四步骤，其中将包括支承物1、部件10和11以及干预成形件8的组合置于管状模具16中。该模具16具有两个平坦地贴靠预成形件8放置的部分17和18。因此，这些部分17和18夹着预成形件8的干纤维7以及预浸渍部件10和11的组合。
模具16的部分17和18各自包括孔19和20，通过该孔注射用于RTM法的第二树脂。孔19对应于第二树脂的入口孔，而孔20对应于第二树脂的出口孔。因此第二树脂均匀地分布在模具16的内部。更具体地，该第二树脂分布在预成形件8中填充干纤维7之间的空区域，浸渍这些干纤维。相反，因为第一树脂已经占据了预浸渍部件10和11的空间，所以该第二树脂不能分布在预浸渍部件10和11中。
注射第二树脂后，第一树脂和第二树脂同时聚合。更具体地说，第二树脂完全聚合，最终完成第一树脂的聚合。实际上，在该最终聚合步骤期间，第一树脂和第二树脂共同聚合确定的时间，第一树脂初始时处于比第二树脂进行得更多的聚合阶段。然后在这些树脂之间形成分子键，不再能够辨别融入到第一树脂中的预浸渍部件10和11的外形。
由于第一树脂是部分预聚合的，所以在该最终聚合步骤期间预浸渍部件10和11的纤维12不移动。该不移动确保纤维12在成品部件内部很好地排列。
优选地，第一树脂和第二树脂相同。如果这些树脂是不同的，则选择它们以便具有彼此相容的分子结构。此外，如果通过加热树脂进行聚合，则选择具有相同或相近聚合温度的树脂。可以在压力下或在真空下进行最终聚合。
图6显示本发明方法的第五步骤，其中打开模具16以得到成品复合材料部件23。该成品部件23具有支承物1的一般形状。
在该方法结束时，该支承物1可以进一步保持在成品部件23内，或可以从该部件23中移去该支撑物1。
该成品部件23包括具有第一区域24和25以及具有不同机械性能的明显不同的第二区域26的段。实际上，第一区域24和25具有超过55％的纤维体积比。这些第一区域24和25分别对应于部件10和11，因此包含基本上彼此平行的纤维。
第二区域26具有通常低于55％的纤维体积比。该第二区域26对应于RTM预成形件8，因此具有与部件的轴形成正或负45°角的交错纤维。
设计使这些沿垂直于纸的方向取向的平行纤维12承受压缩力，而设计使以正或负45°取向的纤维7承受沿除了垂直于纸的方向之外的方向施加的弯曲力。
在一个特定实施方案中，由碳、玻璃纤维、芳纶(Kevlar)或陶瓷制成预成形件8的这些干纤维7以及部件10和11的纤维12。在该实施方案中，第一树脂和第二树脂是基于环氧化物、氰酸酯、酚或聚酯的树脂。
图7显示本发明方法的用来制造预浸渍且预聚合的部件10和11的步骤。
在图7a中所示的第一步骤中，将两叠(或更多)预浸渍但未聚合的带29和30平坦贴靠地放置于适于制造预浸渍部件的特定工具31的一个面上。未聚合的带29和30由此呈基本上为扁平状的支承物1的形状。因此，得到未聚合的大的预浸渍板32。
更具体地，每个带29、30包含在垂直于纸面方向上基本上排列并且彼此平行的纤维12。用将这些纤维粘在一起的第一树脂预浸渍这些纤维。为了形成预浸渍部件，将带29、30平坦地彼此贴靠放置，使得所有带的纤维基本上彼此平行。作为变化方案，将带29、30平坦地彼此贴靠放置，使得指定带的纤维与另一带的纤维形成特定的角度，例如大于或小于10°的角。
在放置所述带之后，使板32的第一树脂部分聚合。更具体地，当树脂的硬度足以将预浸渍的纤维12固定于其在该树脂内的位置处时，停止聚合。因此，当实施本发明方法的后续步骤时，预浸渍纤维12将能够保持其排列。优选在真空密闭并加压的模具中进行部分聚合。
在一个实施方案中，以约10％的聚合率聚合板32的第一树脂。该聚合率对应于总的聚合进程和对应于树脂内部分子链的形成。在其它实施方案中，将能够以5～70％的聚合率部分聚合第一树脂。
一旦第一树脂已经部分聚合，则使板32脱模。因此，得到预浸渍且预聚合的板32。
于是，如图7b所示，切割预浸渍且预聚合的板32，以便得到若干个部件10、11、33。可以借助适于切割聚合树脂的切割工具在工具31上直接切割板32。
预先制造预浸渍预聚合材料的大板32是经济的，并且显著地节省时间。当然，通过仅实施一个部分聚合步骤能够得到许多预浸渍且预聚合的部件。
作为变化方案，可以在实施图2的步骤之前将预浸渍但未聚合的带29和30置于裸露的支承物1上。然后可以通过将支承物1和带置于加压的模具中进行第一树脂的部分聚合步骤。仅在该步骤之后可以将干纤维预成形件8置于支承物1的周围。
作为变化方案，通过将带29和30置于具有略微弯曲形状的模具内部而赋予板32波状的形状。因此，可以将所得部件贴靠于支承物1的弯曲侧放置。

Claims (17)

1.一种制造RTM复合材料部件的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
-制造预浸渍部件(10、11)，该部件(10、11)包含基本上排列的纤维(12)，这些纤维浸渍有第一树脂，
-仅对所述预浸渍部件的所述第一树脂进行第一部分聚合步骤，直到使所述第一树脂的硬度足以使所述纤维固定于其在所述树脂内的位置处的阶段，
-将所述预聚合部件(10、11)和干纤维预成形件(8)置于支承物(1)的周围，所述预成形件包含纤维元件(6、13)，这些纤维元件(6、13)包含干纤维(7)，
-将第二树脂注入到所述纤维预成形件中，和
-在第二聚合步骤中，聚合所述第二树脂，同时完成所述第一树脂的聚合。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：
-通过彼此叠置的纤维带(29、30)形成所述预浸渍部件(10、11)，对于每个带，所述预浸渍部件的纤维基本上彼此平行。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：
-以5％到70％的聚合率部分聚合所述第一树脂。
4.根据权利要求1～3之一的方法，其特征在于：
-将所述预浸渍且预聚合的部件(10、11)置于所述预成形件(8)的所述纤维元件(6、13)之间。
5.根据权利要求1～4之一的方法，其特征在于：
-所述第一树脂和所述第二树脂具有彼此相容的分子结构。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于：
-所述第一树脂和所述第二树脂具有基本相同的化学组成。
7.根据权利要求1～6之一的方法，其特征在于为了注入所述第二树脂：
-将所述支承物(1)、所述预成形件(8)和所述部件(10、11)置于模具(16)内，和
-将所述第二树脂注入到所述模具(16)内，使得该第二树脂浸渍所述预成形件(8)的干纤维(7)。
8.根据权利要求1～7之一的方法，其特征在于，为了制造所述预浸渍且预聚合的部件(10、11)：
-在所述预聚合步骤之前使所述预浸渍带(29、30)的叠层成形，这些带(29、30)包含基本上排列并且彼此平行的纤维(12)，这些纤维(12)通过所述第一树脂彼此结合，和
-部分聚合如此成形的这些带的所述第一树脂。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于：
-在真空下和在压力下进行所述第一树脂的部分聚合。
10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于：
-在用于制造预浸渍部件的特定工具(31)上使所述带(29、30)成形。
11.根据权利要求8或9的方法，其特征在于：
-在所述支承物(1)上使所述带(29、30)成形。
12.根据权利要求8～11之一的方法，其特征在于：
-在所述成形且预聚合的带(29、30)上进行切割和/或机械加工操作。
13.根据权利要求1～12之一的方法，其特征在于：
-使用袜状的纤维元件(6、13)，这些纤维元件(6、13)包含交错的纤维(7)。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于：
-使用以正或负45°交错的纤维(7)。
15.根据权利要求1～14之一的方法，其特征在于：
-以平行于易于施加到所得成品部件(23)的压缩力的方向放置所述预浸渍且预聚合部件(10、11)的纤维。
16.一种由复合材料制成的包括优选的压缩轴的连杆，其特征在于所述连杆包括：
-至少两个纤维元件层(6、13)，在通过RTM法成形后所述纤维元件包含浸渍有树脂的交错的纤维(7)，和
-由使用预浸渍有树脂的纤维的复合材料制成的并位于所述纤维元件层(6、13)之间的部件(10、11)，所述部件(10、11)包含基本上彼此平行的纤维(12)，这些纤维(12)基本上沿所述连杆的优选压缩轴取向。
17.根据权利要求16的连杆，其特征在于所述连杆还包括：
-细长的管状支承物(1)，所述纤维元件层(6、13)置于所述管状支承物(1)上。
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