CN101890807B - 一种利用硅橡胶热膨胀加压成型复合材料零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种硅橡胶热膨胀加压成型复合材料零件的方法，该方法通过探索出来的产品厚度、工艺间隙、硅橡胶层厚度三者之间的关系，并将其应用于复合材料零件的成型模具中，通过热压罐、固化炉的升温，硅橡胶的膨胀加压实现复合材料产品的成型固化。与现有技术相比，该方法适用于不同的复合材料零件、不同的模具材料，同时满足复合材料零件的几何尺寸、层压件的孔隙率、硅胶膨胀压力等等技术要求，简化了数学运算，方便了各类复合材料层压件成型模具的设计，因而极具实用价值。

Description

一种利用硅橡胶热膨胀加压成型复合材料零件的方法

技术领域

本发明是一种硅橡胶热膨胀加压成型复合材料零件的方法，属于复合材料成型技术领域。

背景技术

复合材料零件成型温度、压力由工装、设备提供。对于外形准确度要求高、结构复杂、孔隙率要求高的复合材料结构件，在外形准确定位前提下，利用硅橡胶自身的高体膨胀特性，通过升温，使硅橡胶芯模热膨胀并对闭合刚性阴模中复合材料预浸料实施加压，使之在规定的温度、压力下固化成型。这种方法靠硅橡胶芯模热膨胀产生压力，无需外加压力，可克服真空袋加压难以均匀传递的缺点。用硅橡胶热膨胀加压成型复合材料零件，对于克服拐角处的积胶、保持纤维取向的效果比真空袋更好。硅橡胶热膨胀加压技术的核心是利用硅橡胶热膨胀原理、保证热膨胀压力的前提下，针对不同的复合材料产品零件、不同的成型模具材料，确定成型工艺间隙、硅橡胶厚度这两个加压参数。

成型模具内的硅橡胶的厚度与膨胀压力在一定范围内成正比、其膨胀量与产品厚度、工艺间隙存在着密切的关联。间隙过小、硅胶太厚：易产生膨胀压力过大而发生复合材料零件因贫胶；间隙过大、硅胶太薄：易产生膨胀压力因加压不足而造成复合材料零件而分层或孔隙率过低。硅橡胶热膨胀加压技术的核心就是：保证产品厚度、工艺间隙、硅橡胶厚度三者之间正确的比例关系。它的特点是：硅橡胶芯模能产生多方向的膨胀压力，广泛适用于外形准确度要求高、结构复杂、孔隙率要求高的复合材料结构件，尤其适用于空腔、薄壁、多腔体共固化层压结构件的成型。

国内外科研人员对此进行了大量研究，总结出硅橡胶加压参数的多种确定方法。但这些方法在进行了成型模具的设计时，计算十分繁杂、实用性差。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的缺点而设计提供了一种硅橡胶热膨胀加压成型复合材料零件的方法。该方法指在外形准确定位前提下，利用硅橡胶自身的高体膨胀特性，通过升温，使硅橡胶芯模热膨胀并对闭合刚性阴模中复合材料预浸料实施加压，使之在规定的温度、压力下固化成型。通过探索出来的最简洁、最经济的方式，确定产品厚度、工艺间隙、硅橡胶厚度三者之间的关系。并将其应用于复合材料零件的成型模具中，通过热压罐、固化炉的升温，硅橡胶的膨胀加压实现复合材料产品的成型固化。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种硅橡胶热膨胀加压成型复合材料零件的方法，其特征在于：

该方法的步骤是：

I、先将复合材料零件的预浸料敷设在成型模具内；

II、再将与复合材料零件内形相适应的硅橡胶芯模放置在成型模具和复合材料预浸料内，硅橡胶芯模与复合材料零件内形的间隙，按如下比例关系确定：

产品厚度∶工艺间隙∶硅橡胶层厚度＝4∶1∶C    ①

其中： $C=[1+({5a}_m^c-{4a}_{\mathrm{st}}^c)\mathrm{\ΔT}]/[(a_c^c-a_m^c)\mathrm{\ΔT}-P(1-a_c^c\mathrm{\ΔT})/K]$

硅橡胶体膨胀系数(单位：×10-6/℃)

成型模具材料的体膨胀系数(单位：×10-6/℃)

复合材料的体膨胀系数(单位：×10-6/℃)

k：硅橡胶体弹性模量(单位：Mpa)

ΔT：树脂凝胶温度和环境温度之间的温度差(单位：℃)

P：固化成型压力(单位：Mpa)

III、安装用于固定硅橡胶芯模的芯模，最后用螺栓将整体模具紧固连接后入炉加温固化。

对于钢、铝材料的成型模具，硅橡胶芯模与复合材料零件内型的间隙按如下比例关系进行：

产品厚度∶工艺间隙∶硅橡胶层厚度＝4∶1∶20  ②

硅橡胶芯模的硅橡胶层优选膨胀系数为

的硅橡胶体，厚度最小值为8mm。

本发明技术方案的核心是通过大量工艺实践而得到的产品厚度、工艺间隙、硅橡胶厚度三者之间的关系。见①、②式。这一关系式适用于不同的复合材料零件、不同的模具材料的模具设计，可满足复合材料零件的几何尺寸、层压件的孔隙率、硅胶膨胀压力等等技术要求，对保证复合材料层压件的产品质量有关键性意义。极大地简化了数学运算，计算结果科学、准确、可信。方便了各类复合材料层压件成型模具的设计，因而具有极大的实用价值。有了这个结论，繁杂的硅橡胶热膨胀加压参数计算就化简为一个简单的比例式求解：只要根据产品理论厚度就可以确定符合固化工艺要求的工艺间隙和硅胶厚度。

为了确认这个关系式的可靠性，我们在多个机型、上千零件做了验证、修正。结果表明：根据产品厚度确定的工艺间隙、硅橡胶厚度是一条简洁、可靠的方法。用此方法设计的模具，及成型的复合材料零件质量稳定可靠。

附图说明

图1为某型机垂尾后梁成型模具局部结构示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施举例对本发明技术方案作进一步地详述：

参见附图1所示，该产品为复合材料高精度层压件，翼型、腹板部位为不同厚度的碳纤维预浸料。外形准确度、孔隙率要求较高，成型固化压力0.5Mpa，成型固化温度180℃。模具材料选Q235低碳钢，成型模具1采用产品外形定位，内部为模具活块2、金属芯模3和硅橡胶芯模4组合在一起，用螺栓5定紧固连接。通过升温，由硅橡胶热膨胀从内部提供成型压力。

其具体工艺步骤为：

I、先将复合材料零件的预浸料敷设在成型模具1内；

II、再将与复合材料零件内形相适应的硅橡胶芯模4放置在成型模具1和复合材料预浸料内，硅橡胶芯模4与复合材料零件内形的间隙，按如下比例关系确定：

产品厚度6∶工艺间隙7∶硅橡胶层厚度8＝4∶1∶C    ①

其中： $C=[1+({5a}_m^c-{4a}_{\mathrm{st}}^c)\mathrm{\ΔT}]/[(a_c^c-a_m^c)\mathrm{\ΔT}-P(1-a_c^c\mathrm{\ΔT})/K]$

硅橡胶体膨胀系数(单位：×10-6/℃)

成型模具材料的体膨胀系数(单位：×10-6/℃)

复合材料的体膨胀系数(单位：×10-6/℃)

k：硅橡胶体弹性模量(单位：Mpa)

ΔT：树脂凝胶温度和环境温度之间的温度差(单位：℃)

P：固化成型压力(单位：Mpa)

对于本例实施采用的钢、铝材料的成型模具1，硅橡胶芯模4与复合材料零件外形之间的间隙调整按如下比例关系进行：

产品厚度6∶工艺间隙7∶硅橡胶层厚度8＝4∶1∶20②

具体数据如表1所示

表1

硅橡胶芯模4的硅橡胶层优选膨胀系数为

的硅橡胶体；可实现硅橡胶对复合材料零件成型提供符合工艺要求的热膨胀压力0.3～0.5Mpa；

III、安装用于固定硅橡胶芯模4的金属芯模3，金属芯模3的外表与硅橡胶芯模4为共体模块，最后用螺栓5将整体模具紧固连接后入炉加温固化。

与现有技术相比，该方法适用于不同的复合材料零件、不同的模具材料，同时满足复合材料零件的几何尺寸、层压件的孔隙率、硅胶膨胀压力等等技术要求，简化了数学运算，方便了各类复合材料层压件成型模具的设计，因而极具实用价值。

Claims (3)

1.一种利用硅橡胶热膨胀加压成型复合材料零件的方法，其特征在于：

该方法的步骤是：

Ⅰ、先将复合材料零件的预浸料敷设在钢、铝材料的成型模具(1)内；

Ⅱ、再将与复合材料零件内形相适应的硅橡胶芯模(4)放置在成型模具(1)和复合材料预浸料内，硅橡胶芯模(4)与复合材料零件外形之间的工艺间隙按如下比例关系确定：

产品厚度(6)∶工艺间隙(7)∶硅橡胶层厚度(8)=4∶1∶20；

Ⅲ、安装用于固定硅橡胶芯模(4)的芯模(3),最后用螺栓(5)将整体模具紧固连接后入炉加温固化。

2.根据权利要求1所述的硅橡胶热膨胀加压成型复合材料零件的方法，其特征在于：硅橡胶芯模(4)的硅橡胶层的膨胀系数的取值范围为：

3.根据权利要求1所述的硅橡胶热膨胀加压成型复合材料零件的方法，其特征在于：硅橡胶芯模(4)的硅橡胶层厚度(8)最小值为8mm。

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