CN101352925B - 一种船用高立面复合材料制件真空辅助成型工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种船用高立面复合材料制件真空辅助成型工艺方法，包括原料配制、成型工艺等工序，其特征在于：在成型工艺中，树脂流道方向与制件高度方向一致，在制件高度方向上设置多个平行于制件宽度方向的注胶/抽气管，通过注胶/抽气管在高度方向上将制件分为若干个成型单元，同时控制导流介质边缘与注胶/抽气管之间距离，形成每个单元包含导流、注胶、排气等浸渍系统，在成型时采用接力的方式，从下至上依次浸渍各个单元。本发明实现了对船用高立面复合材料制件的成型，提高树脂浸透程度及均匀性，使产品质量得到提高，可赋予制品优异的力学性能、耐海水性能，重量大大降低，从而提高水面及水下作战平台的装载量及稳性储备。

Description

一种船用高立面复合材料制件真空辅助成型工艺方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料成型工艺技术，特别是涉及一种真空辅助成型工艺技术，特别涉及高立面复合材料制件的成型技术。

背景技术

目前，国内外大型舰船制件采用钢或玻璃纤维复合材料制造，钢质材料存在重量大，影响舰船装载与航速以及声、雷达等目标特征显著等缺点，因此许多制件均在开展复合材料替代研究。当前我国船用玻璃纤维增强树脂基复合材料大型制件主要采用手糊成型工艺制作，但复合材料手糊成型工艺存在对操作者的依赖性大，生产效率低，产品质量稳定性差，劳动强度大，空气污染严重等缺点。采用真空辅助成型工艺成型纤维增强复合材料可弥补手糊成型工艺的缺点，真空辅助成型工艺是一种制造高性能纤维增强树脂基复合材料的先进技术，是在真空密封状态下排除增强材料中的气体，利用真空负压吸注树脂实现对增强材料的浸渍，并在室温下进行固化，具有成本低、成型速度快、产品质量稳定、环境污染小以及能够制造大型复杂结构制件的优点。

在成型船用高立面复合材料制件，增强材料是否被树脂完全浸渍是影响成型质量的关键因素。常用的真空辅助工艺方法是将注胶管放置在增强材料的一侧，抽气管在另一侧，利用真空负压实现树脂对增强材料的浸渍。例如：对于大尺寸复合材料制件，专利申请号为01120577.6的中国专利提出了一种真空渗透成型工艺，在与注胶嘴相对的方向并在复合材料预制件的上部增设排气通道，有效降低了大尺寸制件的孔隙率和干斑缺陷，改善了复合材料的内部及外观质量。对于大厚度复合材料制件，专利申请号为01120575.x的中国专利主要是通过注胶管向制件的底部注胶，注胶管设置在制件宽度方向的两端面的一侧，距离制件边缘约50cm的位置，在另一侧端面旁边位置处，设置一根沿制件长度方向并平行于该侧端面的真空管路，该方法解决了大厚度制件宽度方向上树脂的流动问题，有效改善了复合材料的内部及外观质量。上述专利述及的工艺方法，对于减轻成型制品内部及表面缺陷，改善成型质量具有一定的作用。但对于船用高立面复合材料制件，根据达西定律(关于树脂渗透率的一个计算方法)计算，在树脂浸渍时随着流动距离增加其受力呈梯度减少，这样加上重力的影响将可能导致在成型高立面制件时增强材料浸渍不完全，从而影响制件的质量，严重时会导致成型失败。

经检索，目前国内外均未有高立面复合材料制件真空辅助成型工艺方法的专利以及采用真空辅助工艺制造高立面复合材料制件的文献和相关出版物。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种船用高立面复合材料制件真空辅助成型工艺方法。

本发明是在真空辅助成型工艺基础上加以改进，即增设多个注胶/抽气管，将制品有机分为多个单元，并严格控制每个单元内导流介质上边缘距注胶/抽气管的距离，在成型时采用接力的方式可使船用高立面复合材料制件浸渍完全，以有效提高成型工艺的可靠性。

这种船用高立面复合材料制件真空辅助成型工艺方法，包括：

—原料配制，即根据确定的配方，准备和配制复合材料所需要的树脂和必要的辅料成分，

—成型工艺，包括模具处理、增强材料裁切和铺设、导流介质的铺设和管路布置、密封处理、设置注射口与空气出口、封装检漏、树脂注入、固化与脱模等工序，

其特征是在导流介质的铺设和管路布置工序中，树脂流道方向与制件高度方向一致，在制件高度方向上设置多个平行于宽度方向的注胶/抽气管，通过注胶/抽气管在高度方向上将制件分为若干个成型单元，控制成型单元内导流介质边缘距注胶/抽气管距离(保证在树脂到达注胶/抽气管时，在制件厚度方向上下表面的流动速度达到一致)形成每个单元包含导流、注胶、排气等浸渍系统，在成型时采用接力的方式，从下至上依次浸渍各个单元，从而有效控制树脂对增强材料的浸渍时间，以达到树脂对增强材料的良好浸渍，实现船用制品强度、刚度及耐海水或耐海洋环境性能的要求。

本发明的工艺方法，对于截面厚度小于10mm复合材料，树脂流道沿着导流介质方向采取由下及上方式铺设，各个成型单元内注胶/抽气管间距不大于700mm，注胶/抽气管与导流介质间距在50mm～150mm之间。

本发明的工艺方法，对于截面厚度在10mm～20mm复合材料制件，导流介质方向沿着树脂流道采取由下及上方式铺设，注胶/抽气管间距应不大于500mm，注胶/抽气管与导流介质间距在50mm～80mm之间。

本发明的注胶/抽气管通过三通分别与树脂注入口、真空泵相连，注胶开始时注胶/抽气管与真空泵相连，当树脂胶液浸渍到注胶/抽气管时，旋转三通，关闭抽气管，打开注胶管开启注胶，如法依次进行，直至树脂完全浸满纤维，待树脂凝胶后关闭树脂注射设备与真空泵，最后固化和脱模。这样可以能使树脂快速充满模腔，也能保证树脂和增强材料的充分浸润。

树脂充满且凝胶后，可以封闭注胶口和抽气口，保持体系在设定的真空度下固化，也可以在普通条件下固化。

发明的效果：采用本发明制造高立面复合材料制件，成型的制件力学性能稳定、缺陷少，制造成本低，耐海洋环境性能、耐老化、蠕变性能好，外观色泽均匀美观。

附图说明

图1是管路铺敷正视图，其中，1是注胶管，2是导流介质，3是注胶/抽气管，4是排气管，5是注胶支管，6是排气支管，7是开关。

图2是管路铺敷侧视图，8是增强材料，9是模具。

图3是实施例1中的围壳艏部结构示意图，为某舰艇局部结构，其外形为半圆锥体型，长2m～3m，投影高度为1.5m～2.5m。

具体实施方式

本发明实现的的详细工序如下：

(1)配方

增强材料：采用经过表面处理的玻璃纤维无捻粗纱或织物也可采用碳纤维无捻粗纱或织物、玄武岩纤维无捻粗纱或织物等作为增强材料；

基体树脂(100份)：采用适合真空导入工艺的树脂，如：乙烯基酯树脂也可采用不饱和聚酯树脂、低粘度环氧树脂等；

引发剂(1.5～2.5份)：采用液态过氧化环己酮也可采用过氧化甲乙酮；

促进剂(0.5～2.0份)：采用环烷酸钴也可采用辛酸钴溶液；

脱模剂采用溶液型或油膏类脱模剂也可采用薄膜类脱模剂；

辅助材料包括脱模布、导流介质、塑料管、螺旋塑料管等。

(2)设备

本发明采用的设备为树脂传递模塑成型设备和真空辅助成型设备。

(3)成型工艺

①模具及模具处理：模具可采用金属模具，也可采用结构及气密性能良好的塑料、复合材料或木材模具；

脱模剂可采用固体或液体石蜡，聚乙烯醇等油膏类，也可采用聚酯薄膜等薄膜类脱模剂；采用油膏类脱模剂时要求模具要处理完全，不能漏涂，采用薄膜类脱模剂时，薄膜不能有撕裂、漏洞等缺陷。

②增强材料裁切：按设计要求将增强纤维切割至规定的尺寸，裁切可采用机械式也可采用手工裁切。

③增强材料铺设：按设计及工艺要求在涂覆脱模剂的模具表面铺设增强材料，增强材料可以是无捻粗纱、单向织物或短切毡等。立面铺设需要采用定型胶对增强材料逐层定型；定型胶采用喷胶型，要求对树脂渗透无影响。

④导流介质的铺设和管路布置：按工艺要求铺设树脂流道与真空管路，对于截面厚度小于10mm复合材料，树脂流道(导流介质方向)采取由下及上方式铺设，各个成型单元内注胶/抽气管间距应不大于700mm，注胶/抽气管与导流介质间距在50mm～150mm之间；对于截面厚度在10mm～20mm复合材料制件，树脂流道(导流介质方向)采取由下及上方式铺设，注胶/抽气管间距应不大于500mm，注胶/抽气管与导流介质间距在50mm～80mm之间；对于截面厚度大于20mm复合材料制件，采用分步成型的办法制作，每次成型成型厚度控制在12mm以内。

⑤密封处理：待导流介质及管路布置完毕，采用密封胶条和真空袋膜进行封装。

⑥设置注射口与空气出口：注胶口与树脂注入口相连，排气口与真空泵连接，注胶/抽气管通过三通分别与树脂注入口、真空泵相连，并用钳子夹住注胶管路。

⑦封装检漏：开动真空泵抽真空，用检漏仪检验密封，确认真空袋膜无泄露后可进行树脂注入。

⑧树脂注入：达到真空度要求(不小于-0.09MPa)时，首先开启最底部的注胶管注入树脂，待树脂胶液达到注胶/抽气管时，关闭抽气，打开注胶，如法依次进行，直至树脂完全浸满纤维，待树脂凝胶后关闭树脂注射设备与真空泵。

⑨固化与脱模：固化过程分为凝胶、固化和后固化三个阶段，固化到脱模强度后即可脱模。

实施例1

配方：(质量份)

乙烯基酯树脂(430LV)             100份

过氧化甲乙酮(MEKP M-50)        2份

环烷酸钴(促进剂E)               0.8份

脱模剂：溶液类脱模剂(700NC)。

设备：采用RCD真空辅助成型设备。

模具处理：采用溶液型脱模剂(700NC)对模具进行表面处理，厚度控制在0.05～0.4mm。

增强材料：根据铺层设计、流道设计，裁剪合适尺寸的高强玻璃纤维纤维织物。

铺层：按正交铺层设计铺放高强玻璃纤维织物。

脱模布铺设：依据制品尺寸剪裁相应大小的脱模布铺在高强玻璃纤维织物表面，注意不要有鼓泡、打褶现象

管路及导流介质铺设：该制品从侧面看为“U”形结构，因此将注胶管设置在“U”形底部且平行于制件宽度方向，在“U”形顶部对称位置分别设置2个排气管，在“U”形结构每个侧面上按对称位置各设置3个注胶/抽气管、注胶管、注胶/抽气管、抽气管三者相互是平行的，这样就将“U”形结构共分为8个成型单元，每个成型单元铺设有相应的导流介质，流道方向由下向上。

其中每一侧面上注胶管，注胶/抽气管，抽气管之间的距离均为500mm；注胶管，注胶/抽气管，抽气管的长度与制件宽度一致；每个成型单元的导流介质在高度方向上距离注胶/抽气管或抽气管为60mm，导流介质长度也与制件宽度一致。

封装、检验密封状况：裁取合适大小的真空袋膜，用密封胶带将铺层密封在真空袋膜和模板之间，抽气口用塑料管分别和树脂容器、树脂收集容器连接起来，树脂收集容器的另一出口和真空泵连接。开动真空泵检验是否漏气，当真空表指针稳定时，旋转真空表的三通，使体系保持真空度，关闭真空泵，如真空表指针保持不动，用检漏仪检验是否漏气，如无漏气准备吸注树脂。如指针明显下降表明漏气，用检漏仪检查漏气的位置，采取补救措施，严重时重新封装。

树脂配制：根据配方配制足够量的树脂。注意在树脂配制之前先进行树脂

吸注树脂：开启真空泵，封闭树脂口，调节阀门使真空度达到-0.095MPa，持续抽真空2～5分钟，使纤维体系处于压实状态，完全排除空气后打开底部的注胶管，开始注入树脂。待树脂达到最下部2个对称的成型单元的注胶/抽气管时，关闭抽气支管，打开注胶支管，这样依次进行，直至高强玻璃纤维织物浸润完全。注意观察树脂的流动状况，如有异常随时调整。

封口：当树脂逐渐流入树脂收集器后，观察树脂是否已完全浸润纤维，以及进入树脂收集器的树脂流动是否稳定，如是则认为体系已达平衡，树脂凝胶后，封闭注胶口和抽气口，保持体系在设定的真空度下固化。

脱模：树脂固化后，一般取测试制件巴氏硬度大于40后脱模。

后固化：脱模后室温放置1个月进行后固化，材料的力学性能一般随后固化时间增长而提高，直至制品完全固化后，材料的力学性能达到最佳。

固化后制件外观与手糊工艺对比情况：

制件面光顺，无明显的凸凹现象；制品无气泡等内部缺陷；制品厚度均一。

固化成型后材料的力学性能见表1。

表1 力学性能测试结果

固化后材料耐水老化性能：

复合材料弯曲强度湿强保留率为93.3％(试验条件：沸水中浸泡2小时)。

Claims (5)

1.一种船用高立面复合材料制件真空辅助成型工艺方法，包括：

-原料配制，即根据确定的配方，准备和配制复合材料所需要的树脂和必要的辅料成分；

-成型工艺，包括模具处理、增强材料裁切和铺设、导流介质的铺设和管路布置、密封处理、设置注射口与空气出口、封装检漏、树脂注入、固化与脱模工序；

其特征在于：在成型工艺的导流介质的铺设和管路布置工序中，树脂流道方向与制件高度方向一致，在制件高度方向上设置多个平行于宽度方向的注胶/抽气管，控制导流介质距注胶/抽气管边缘距离，通过注胶/抽气管在高度方向上将制件分为若干个成型单元，形成每个单元包含导流、注胶、排气浸渍系统，在成型时采用接力的方式，从下至上依次浸渍各个单元。

2.根据权利要求1所述一种船用高立面复合材料制件真空辅助成型工艺方法，其特征在于：对于截面厚度小于10mm复合材料，所述的树脂流道沿着导流介质方向采取由下及上方式铺设，各个成型单元内注胶/抽气管间距不大于700mm，注胶/抽气管与导流介质间距在50mm～150mm之间。

3.根据权利要求1所述一种船用高立面复合材料制件真空辅助成型工艺方法，其特征在于：对于截面厚度在10mm～20mm复合材料制件，所述的导流介质方向沿着树脂流道采取由下及上方式铺设，注胶/抽气管间距不大于500mm，注胶/抽气管与导流介质间距在50mm～80mm之间。

4.根据权利要求1、2或3中任一项所述一种船用高立面复合材料制件真空辅助成型工艺方法，其特征在于：所述的注胶/抽气管通过三通分别与树脂注入口、真空泵相连，注胶开始时注胶/抽气管与真空泵相连，当树脂胶液浸渍到注胶/抽气管时，旋转三通，关闭抽气管，打开注胶管开启注胶，如法依次进行，直至树脂完全浸满纤维，待树脂凝胶后关闭树脂注射设备与真空泵，最后固化和脱模。

5.根据权利要求1、2或3中任一项所述一种船用高立面复合材料制件真空辅助成型工艺方法，其特征在于：树脂充满且凝胶后，封闭注胶口和抽气口，保持体系在设定的真空度下固化后脱模。

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