CN101602271B

CN101602271B - 一种增强型导流介质

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Publication number: CN101602271B
Application number: CN2009100167846A
Authority: CN
Inventors: 郑威; 刘丽慧; 袁秀梅; 王炤亮; 王小兵; 高泉喜; 孔令美; 齐燕燕
Original assignee: No 53 Institute of China North Industries Group Corp
Current assignee: No 53 Institute of China North Industries Group Corp
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: CN101602271A

Abstract

本发明属于复合材料成型工艺技术领域，涉及一种增强型导流介质。该增强型导流介质采用奇数层非编织平行纱束，以一定角度铺叠，辅以编织用纱束低编织密度编织，形成编织点稀疏的三维织物，织物中保留大量的贯通缝隙或沟槽，为空气和树脂流动提供通道，使之具有良好的树脂导流特性。本发明涉及的增强型导流介质，可以有效提高树脂的流动速率，实现树脂对纤维织物的完好浸渍，显著提高灌注工艺的可靠性，改善制品的均匀性，使用时不需改变模具结构，直接得到表面光洁的制品，省时、省力、经济、高效。本发明涉及的增强型导流介质可设计性强，可以根据成型复合材料的特点，通过设计材质、纱束及角度等结构参数，得到需求结构的导流介质。

Description

一种增强型导流介质

一、技术领域

本发明属于复合材料成型工艺技术领域，涉及一种增强型导流介质的结构。

二、背景技术

复合材料真空辅助成型技术是一种低成本液体成型技术，利用真空负压实现树脂在纤维及其织物中的浸渍，并在真空压力载荷下固化成型。当前较为先进的真空辅助成型技术是Seemann复合材料树脂渗透模塑成型(SCRIMP)技术，该技术具有成型设备简单、制造成本低、产品空隙率低、成型产品性能与热压罐工艺相近的特点，适合制造大型结构，尤其适合制造大尺寸、大厚度、异型结构件，美、英等发达国家已采用该技术用于船舶、舰艇及飞机构件等大型构件的加工。

真空辅助成型技术已成为大型构件低成本制造的关键技术，但是该工艺存在树脂流动状态难以控制、成型的复合材料表面质量不佳的缺点，国内外研究发现，树脂导流结构的合理设计与应用有助于树脂流动状态的有效控制和产品表面质量的改善。

在真空辅助成型工艺中，树脂导流结构通常包括四种：①在模具表面加工导流槽及真空通路；②模具上的主导流槽和高渗透性介质配合使用；③使用打孔或制槽的金属板替代高渗透性介质作为树脂流动和真空通道；④在纤维铺层和管路布设时进行导流介质的结构设计及铺层设计。前三种方法需要在模具上加工沟槽，模具加工成本高，对于复杂结构制品或者大尺寸、大厚度制品，其成型风险性大，工艺可靠性不高。导流介质的结构设计是一种比较理想的树脂导流结构设计方法，它通过设计导流介质的结构形式及其铺层方式实现树脂在铺层材料中的有效流动与渗透。因此，导流介质的设计与使用是影响复合材料成型质量的关键因素。

传统的导流介质通常称为表面导流介质，一般为平纹编织物，材质主要包括聚乙烯、尼龙等工程塑料，与纤维织物的粘接性能较差，通常和脱模介质配合使用铺放在拟成型材料的上表面或者下表面，或者上下表面同时铺放，材料固化成型后剥离丢弃。采用传统导流介质成型的复合材料表面留有脱模织物和导流介质的压痕，影响制品外观质量。

US 7060156公开了一种用于闭模成型工艺的导流介质，采用三维空间结构的机织纤维编织物作为导流介质，由两个或多个平行的纤维织物面X、Y及Z向纤维组成，其中，具备一定刚度、直径和体积密度的Z向弹性纤维，通过编织或者缝纫的方式与X、Y面纤维连接在一起，起到良好的连接和支撑作用。该三维织物在抽真空状态时没有被完全压塌，仍能提供树脂流通通道。该导流介质用于闭模成型工艺，一定程度上改进了工艺，提高了产品的质量。但是，该三维织物不适于薄复合材料制品的制造与加工。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种具有三维空间结构的增强型导流介质，克服传统导流介质的惰性及浪费性，提高工艺可靠性，改善产品表面质量状态。

本发明的目的是这样实现的：采用奇数层非编织平行纱束，以一定角度铺叠，辅以编织用纱束低编织密度编织，形成编织点稀疏的三维织物，织物中保留大量的贯通缝隙和/或沟槽，为空气和树脂提供流动通道，使之具有良好的树脂导流特性。

本发明涉及的增强型导流介质，由2n+1层非编织平行纱束铺叠而成，纱束1为偶数层、纱束2为奇数层，奇偶层纱束成夹角θ，40°≤θ≤90°，以中心层对称，同向纱束冲齐；以宽度小于偶数层纱束间距的纱束3沿纱束1方向单向编织而成，n为正整数，奇偶层纱束体积比为0.25～4，平面结构如附图1所示，编织方式如附图2所示。

本发明涉及的增强型导流介质，奇偶层纱束体积比为0.25～4。

本发明涉及的增强型导流介质，总厚度不大于20mm。

本发明涉及的增强型导流介质，各层纱束厚度、材质彼此独立。

本发明涉及的增强型导流介质，所述纱束1的厚度为0.05mm～3mm、宽度为0.1mm～10m。

本发明涉及的增强型导流介质，所述纱束1的厚度为0.05mm～2mm、宽度为2mm～5mm。

本发明涉及的增强型导流介质，所述纱束2的厚度为0.05mm～3mm、宽度为0.1mm～10m。

本发明涉及的增强型导流介质，所述纱束2的厚度为0.05mm～2mm、宽度为2mm～5mm。

本发明涉及的增强型导流介质，所述纱束3的厚度为0.01mm～2mm、宽度为0.01mm～5mm。

本发明涉及的增强型导流介质，所述纱束3的厚度为0.02mm～0.1mm、宽度为0.05mm～2mm。

本发明涉及的增强型导流介质，所述纱束1和纱束2的间距为2mm～10mm。

本发明涉及的增强型导流介质，所述纱束1和纱束2的间距为2mm～5mm。

本发明涉及的增强型导流介质，所述70°≤θ≤90°。

本发明涉及的增强型导流介质，所述θ＝90°。

本发明涉及的增强型导流介质，所述纱束选自有机纤维、无机纤维、金属纤维中的一种或他们的混杂结构。

本发明涉及的增强型导流介质，所述有机纤维选自芳纶纤维、PBO纤维、涤纶纤维、尼龙纤维中的一种或它们的混杂结构。

本发明涉及的增强型导流介质，所述无机纤维为碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中的一种或它们的混杂结构。

本发明涉及的增强型导流介质，所述金属纤维为不锈钢纤维、铝合金纤维、铜纤维中的一种或它们的混杂结构。

本发明涉及的增强型导流介质，可以提高树脂在预制件内各方向的流动速率，树脂流动时间降低50％～80％，实现树脂对纤维织物的完好浸渍，显著提高灌注工艺的可靠性，改善制品的均匀性，使用时不需改变模具结构，直接得到表面光洁的制品，省时、省力、经济、高效。

本发明涉及的增强型导流介质既具有树脂导流特性，又具有纤维增强特性，有效克服传统导流介质粘接性能差及浪费性缺点，可以铺放在预成型材料的层间，直接成型于复合材料中赋予成型复合材料“两面光”的特性，在提高树脂灌注速度的同时，改善制品的表面质量。

本发明涉及的增强型导流介质可设计性强，可以根据成型复合材料的特点，通过设计材质、纱束及角度等结构参数，得到需求结构的导流介质。

四、附图说明

附图1本发明涉及的增强型导流介质的结构示意图

附图2本发明涉及的增强型导流介质的编织方式示意图

其中：1——偶数层纱束，2——奇数层纱束，3——编织用纱束

五、具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步说明。实施例仅对发明内容作进一步说明，不作为对发明内容的限制。

实施例一

用经淀粉基浸润剂和硅烷偶联剂混合浸润剂处理的1200tex的耐碱无捻玻璃纤维粗纱和KEVLAR 49芳纶纤维纱，按1∶1重量比混合，集束为厚度0.2mm、宽度3mm的纤维纱束作为偶数层用纱束；用经淀粉基浸润剂处理的T-1000玻璃纤维增强型氧化铝纤维纱和T300(6K)碳纤维纱，按2∶1重量比混合，集束为厚度0.4mm、宽度为1.5mm的纱束作为奇数层用纱束；用经硅烷偶联剂处理的1090dtex的高模PBO纤维纱集束得到0.02mm×0.05mm的纱束作为编织用纱束。

以奇、偶层纱束间距均为3mm铺放各层纱束，其中，奇数层3层、偶数层2层，奇、偶层纱束夹角为90°，奇、偶层纱束分别冲齐，用编织用纱束沿垂直于奇数层纱束方向缝编，得到1.64mm厚、奇偶层纱束体积之比为1.5、面密度为600g/m²的具有5层纱束层的三维导流介质。

采用真空辅助RTM工艺成型制备1500mm×1000mm×10mm的玻璃纤维织物增强复合材料平板。分别采用本例导流介质和聚乙烯导流介质两种导流介质以相同材料、相同工艺进行工艺对比，方案(1)为本例导流介质铺敷在玻璃纤维织物中间，铺敷方向同奇数层纱束方向；方案(2)为本例导流介质铺敷在玻璃纤维织物表面，铺敷方向同奇数层纱束方向；方案(3)为1.4mm厚12目的聚乙烯导流介质，铺敷在玻璃纤维织物表面，三种方案的树脂流动时间分别为15min、17min、45min，纤维体积含量分别为58％、56％、54％，空隙率分别为0.40％、0.40％、0.52％，压缩强度分别为490MPa、490MPa、480MPa。方案(1)、方案(2)制备的复合材料的两面光洁，无气泡、干斑等缺陷，表面质量良好，方案(3)制备的复合材料仅单面光洁，在铺敷导流介质的一面留有导流介质织物压痕。

实施例二

用经淀粉基浸润剂混合浸润剂处理的1000tex无碱无捻玻璃纤维粗纱和T300(3K)碳纤维纱，按2∶1重量比混合，集束为厚度0.05mm、宽度0.1mm的纤维纱束作为第一层用纱束；用硅烷偶联剂经处理的直径12μm、芯数1700f的铁铬铝合金纤维纱和KEVLAR 49芳纶纤维纱，按1∶2重量比混合，集束为厚度和宽度均为0.1mm的纱束作为第二层用纱束；用硅烷偶联剂经处理的KEVLAR 49芳纶纤维纱，集束为厚度0.08mm、宽度0.1mm的纱束作为第三层用纱束；用经硅烷偶联剂处理的45支涤纶纤维纱和150D尼龙纤维纱，按1∶1 重量比混合，集束得到0.01mm×0.01mm的纱束作为编织用纱束。

以奇、偶层纱束间距均为2mm铺放各层纱束，奇、偶层纱束夹角为40°，第一层纱束和第三层纱束分别冲齐，用编织用纱束沿平行于第二层纱束方向缝编，得到0.25mm厚、奇偶层纱束体积之比为1.3、面密度为500g/m²的具有3层纱束层的三维导流介质。

采用本例导流介质制备1500mm×1000mm×10mm的玻璃纤维增强复合材料平板，制备工艺及其它原材料同实施例一，制备方案为实施例一中的前两种方案。测试方案(1)、方案(2)的流动时间分别为20min和21min，空隙率分别为0.37％和0.38％。观察制备的复合材料的两面光洁，无气泡、干斑等缺陷，表面质量良好。

实施例三

用经淀粉基浸润剂混合浸润剂处理的2000tex的E-玻璃纤维纱，集束为厚度0.5mm、宽度3mm的纤维纱束作为偶数层用纱束；用硅烷偶联剂经处理的KEVLAR 49芳纶纤维纱和400D尼龙纤维纱，按3∶1重量比混合，集束为厚度1mm、宽度3mm的纱束作为奇数层用纱束；用经硅烷偶联剂处理的63S涤纶纤维纱集束得到0.1mm×0.5mm的纱束作为编织用纱束。

以奇、偶层纱束间距均为5mm铺放各层纱束，其中，奇数层2层作为上下面层、偶数层1层作为中心层，奇、偶层纱束夹角为70°，两层奇数层纱束分别冲齐，用编织用纱束沿平行于偶数层纱束方向缝编，得到2.7mm厚、奇偶层纱束体积之比为4、面密度为1200g/m²的具有3层纱束层的三维导流介质。

采用本例导流介质制备1500mm×1000mm×10mm的玻璃纤维增强复合材料平板，制备工艺及其它原材料同实施例一，制备方案为实施例一中的前两种方案。测试方案(1)、方案(2)的流动时间分别为15min和16min，压缩强度分别为491MPa和490MPa。观察制备的复合材料的两面光洁，无气泡、干斑等缺陷，表面质量良好。

实施例四

用经硅烷偶联剂处理的直径为2μm的连续碳化硅纤维，集束为厚度1.875mm、宽度2mm的纤维纱束作为偶数层用纱束；用经淀粉基浸润剂处理的直径为8μm、芯数为2250f的AISI304L不锈钢纤维纱和300D铜纤维纱，按2∶1重量比混合，集束为厚度1.7mm、宽度2mm的纱束作为奇数层用纱束；用经硅烷偶联剂处理的3000tex的无碱无捻玻璃纤维粗纱集束得到2mm×2mm的纱束作为编织用纱束。

以奇、偶层纱束间距均为3mm铺放各层纱束，其中，奇数层5层、偶数层4层，奇、偶层纱束夹角为90°，奇、偶层纱束分别冲齐，用编织用纱束沿垂直于奇数层纱束方向缝编，得到20mm厚、奇偶层纱束体积之比为1.13、面密度为10kg/m²的具有9层纱束层的三维导流介质。

采用真空辅助RTM工艺成型制备1500mm×1000mm×30mm的玻璃纤维织物增强复合材料平板。分别采用本例导流介质和1.4mm厚12目的聚乙烯导流介质以三种方案进行工艺对比，对比方案(1)为本例导流介质铺敷在玻璃纤维织物中间，铺敷方向同奇数层纱束方向、(2)为本例导流介质铺敷在玻璃纤维织物表面，铺敷方向同奇数层纱束方向、(3)聚乙烯导流介质铺敷在玻璃纤维织物表面，三种方案以相同材料、相同工艺试验，树脂流动时间分别为13min、15min、70min。观察三种方案制备的表面质量状态，方案(1)、方案(2)制备的复合材料的两面光洁，无气泡、干斑等缺陷，表面质量良好，方案(3)制备的复合材料在铺敷导流介质的一面留有压痕，且制品局部明显有干斑、气泡缺陷。

实施例五

用经淀粉基浸润剂混合浸润剂处理的400D尼龙纤维纱，集束为厚度3mm、宽度5mm的纤维纱束作为偶数层用纱束；用硅烷偶联剂经处理的63S涤纶纤维纱，集束为厚度0.5mm、宽度3mm的纱束作为奇数层用纱束；用经硅烷偶联剂处理的KEVLAR29芳纶纤维纱集束得到0.05mm×5mm的纱束作为编织用纱束。

以奇数层纱束间距6mm、偶数层纱束间距10mm铺放各层纱束，其中，奇数层2层作为上下面层、偶数层1层作为中心层，奇、偶层纱束夹角为80°，两层奇数层纱束分别冲齐，用编织用纱束沿平行于偶数层纱束方向缝编，得到4.1mm厚、奇偶层纱束体积之比为0.25、面密度为4kg/m²的具有3层纱束层的三维导流介质。

采用本例导流介质制备1500mm×1000mm×10mm的玻璃纤维增强复合材料平板，制备工艺及其它原材料同实施例一，制备方案为实施例一中的前两种方案。测试方案(1)、方案(2)的流动时间分别为8min和8.5min，均明显快于聚乙烯导流介质方案，观察制备的复合材料的两面光洁，表面质量良好。

实施例六

用经淀粉基浸润剂混合浸润剂处理的KEVLAR49芳纶纤维纱，集束为厚度2mm、宽度8mm的纤维纱束作为偶数层用纱束；用硅烷偶联剂经处理的2400tex的玻璃纤维粗纱和直径为12μm、芯数为2000f的AISI316L不锈钢纤维纱，按3∶1重量比混合，集束为厚度1.5mm、宽度10mm的纱束作为奇数层用纱束；用经硅烷偶联剂处理的KEVLAR29芳纶纤维纱集束得到0.05mm×1mm的纱束作为编织用纱束。

以奇数层纱束间距3mm、偶数层纱束间距4mm铺放各层纱束，其中，奇数层2层作为上下面层、偶数层1层作为中心层，奇、偶层纱束夹角为40°，两层奇数层纱束分别冲齐，用编织用纱束沿平行于偶数层纱束方向缝编，得到5.1mm厚、奇偶层纱束体积之比为2.5、面密度为6kg/m²的具有3层纱束层的三维导流介质。

采用真空辅助RTM工艺成型制备1500mm×1000mm×30mm的玻璃纤维织物增强复合材料平板。对比方案同实施例四。测试三种方案的树脂流动时间分别为25min、27min、70min，观察采用本例导流介质制备的复合材料的表面质量良好，无气泡、干斑等缺陷，明显优于采用聚乙烯导流介质制备的复合材料。

Claims

1.一种增强型导流介质，由2n+1层非编织平行纱束铺叠而成，纱束(1)为偶数层、纱束(2)为奇数层，奇偶层纱束成夹角θ，40°≤θ≤90°，以中心层对称，同向纱束冲齐；以宽度小于偶数层纱束间距的纱束(3)沿纱束(1)方向单向编织而成，n为正整数，奇偶层纱束体积比为0.25～4。

2.权利要求1涉及的增强型导流介质，总厚度不大于20mm。

3.权利要求1涉及的增强型导流介质，各层纱束厚度、材质彼此独立。

4.权利要求1涉及的增强型导流介质，所述纱束(1)的厚度为0.05mm～3mm、宽度为0.1mm～10m。

5.权利要求4涉及的增强型导流介质，所述纱束(1)的厚度为0.05mm～2mm、宽度为2mm～5mm。

6.权利要求1涉及的增强型导流介质，所述纱束(2)的厚度为0.05mm～3mm、宽度为0.1mm～10m。

7.权利要求6涉及的增强型导流介质，所述纱束(2)的厚度为0.05mm～2mm、宽度为2mm～5mm。

8.权利要求1涉及的增强型导流介质，所述纱束(3)的厚度为0.01mm～2mm、宽度为0.01mm～5mm。

9.权利要求8涉及的增强型导流介质，所述纱束(3)的厚度为0.02mm～0.1mm、宽度为0.05mm～2mm。

10.权利要求1涉及的增强型导流介质，所述纱束(1)和纱束(2)的间距为2mm～10mm。

11.权利要求10涉及的增强型导流介质，所述纱束(1)和纱束(2)的间距为2mm～5mm。

12.权利要求1涉及的增强型导流介质，所述70°≤θ≤90°。

13.权利要求12涉及的增强型导流介质，所述θ＝90°。

14.权利要求1涉及的增强型导流介质，所述纱束选自有机纤维、无机纤维、金属纤维中的一种或他们的混杂结构。

15.权利要求14涉及的增强型导流介质，所述有机纤维选自芳纶纤维、PBO纤维、涤纶纤维、尼龙纤维中的一种或它们的混杂结构。

16.权利要求14涉及的增强型导流介质，所述无机纤维为碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中的一种或它们的混杂结构。

17.权利要求14涉及的增强型导流介质，所述金属纤维为不锈钢纤维、铝合金纤维、铜纤维中的一种或它们的混杂结构。