CN102015260A - 热塑性复合材料的带材铺敷方法 - Google Patents
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Abstract
一种将热塑性复合材料铺敷在模具(1)中的方法，所述方法包括：提供具有模具表面(3)的模具，模具的至少一部分包含多孔材料；对多孔材料(5)施加负压以在模具表面处产生负压；将热塑性复合材料的初始层(8)铺敷在模具表面上，由此凭借模具表面处的负压使热塑性复合材料贴靠在模具表面上；和固化热塑性复合材料。
Description
背景技术
目前，复合材料在各种适用领域中通常被用作结构材料。这样的领域之一即航空业，在航空业中结构复合材料用于形成比例越来越高的航空器结构件。本说明书中，复合材料被认为是以纤维或网(最常见的是碳纤维，但也可以是其它材料的纤维或金属网)增强的聚合物基体。复合材料倾向于属于下述两类主要材料之一，所述两类主要材料为具有热塑性基体的复合材料和具有热固性基体的复合材料。热固性复合材料需要被固化，固化是通常通过加热和可选地加压而使聚合物基体的化学结构发生不可逆变化的工艺。一经固化，热固性复合材料就会具有其最终的刚性、硬度和强度性质，而不能回复至其未固化的可塑状态。相反，热塑性复合材料不需要固化，在冷却时具有其所需的结构性质，并在加热时软化。热塑性复合材料可以反复通过加热而软化和通过冷却而硬化，因为当被加热时它们基本进行物理变化而非化学变化。
热塑性和热固性复合材料都可以形成被称作带材的薄的柔性片材或条带。这使复合材料组件可以通过将复合材料带材铺敷在模具中而形成，组件的厚度可以根据所铺敷的复合材料带材的层数而局部有所不同，此外也可以控制一层或多层带材的方向，从而控制所形成的复合材料组件的最终结构性质。所铺敷的组件然后要被“固化”，固化是下述工艺：对于上述两种复合材料而言，都涉及加热复合材料结构件以使热固性或热塑性基体达到充分程度的软化，从而形成单一的成为一体的基体，和对软化的基体施加充分的压力以从基体中排出任何残存的空气。
对于最终结构性质而言，相对于热固性复合材料，热塑性复合材料具有更高的抗冲击性和抗损伤性，并且通常更坚韧和更耐化学侵蚀，所有这些都是航空应用中的优选性质。此外，由于热塑性复合材料可以反复再加热和再成型，因此本身是可再循环的，这是日益重要的一个考虑因素。
然而，热固性复合材料带材具有一个通常与铺敷工序相关的性质，所述性质使其成为用于航空复合材料组件中的可选择的材料。该性质为热固性带材本身是粘性的，或者说具有粘性。这种粘性使热固性带材可以粘附于航空业中复合材料组件通常所需的两个复杂形状的模具表面上，并且对于热固性带材的分离的层而言，一旦已将初始层铺敷于模具表面上，就可以相互粘附，由此使铺敷工序的物理操作较为容易和方便。
相反，热塑性复合材料不具有粘性。因此，在铺敷工序过程中，使热塑性复合材料带材粘附于复杂模具的表面是成问题的。现有的铺敷技术将局部固化和热塑性复合材料的熔融结合起来，以使初始层、基层能够叠合起来，只要基层牢牢地固定于模具的表面即可。以前提出的该问题的解决方法包括将单独的双面胶带作为初始层应用于模具表面，然后于其上粘附第一层热塑性复合材料带材。类似地，还提出过对模具的表面喷洒粘合剂。虽然所提出的这两种解决方案都可使第一层热塑性复合材料带材成功地贴附于复杂形状的模具表面，但是，它们带来了其自身的问题，即，当铺敷工序完成时如何随后从模具中取出所形成的复合材料组件的问题，因为此时组件已有效地连接于模具表面。因此，尽管热塑性复合材料可提供较好的物理性质，目前仍优选使用热固性复合材料。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种将热塑性复合材料铺敷在模具中的方法，所述方法包括：提供具有模具表面的模具，该模具的至少一部分包含多孔材料；对该多孔材料施加负压以在模具表面处产生负压；将热塑性复合材料的初始层铺敷在该模具表面上，由此凭借模具表面处的负压使热塑性复合材料贴靠在模具表面上；和固化该热塑性复合材料，所述固化步骤包括加热该热塑性复合材料。
优选的是，多孔材料包含微孔金属，例如可加工的微孔铝等。
作为补充或另外一种选择，固化热塑性复合材料的步骤可以包括局部加热该材料。优选的是，局部加热步骤包括激光熔接该热塑性复合材料。
作为补充或另外一种选择，所述方法还可以包括随后铺敷和固化该热塑性复合材料的后继的层。
作为补充或另外一种选择，所述方法还可以包括，在固化步骤之后，通过多孔材料对模具表面施加正压，以将该固化的热塑性复合材料从模具上剥离下来。
热塑性复合材料可以以带材形式提供，并可因此使用自动带材铺敷技术来铺敷。
对多孔材料施加负压的步骤可以包括对除了模具表面之外的多孔材料的一部分施加至少部分真空。
模具可以包含至少一个由非多孔材料形成的区域，所述区域形成模具表面的一部分。
附图说明
下面将参照以下附图，通过仅为非限制性的说明性实施例来描述本发明的实施方式：
图1示意性地说明了本发明的实施方式的微孔模具的使用。
具体实施方式
图1示意性地说明了本发明的实施方式的热塑性复合材料的改进的带材铺敷方法。模具1设置有模具表面3，所述模具表面3界定了拟形成的复合材料组件的所需外表面形状和构造。形成模具表面3的模具部分自身是由多孔材料形成的，所述多孔材料的一个实例为微孔铝。整个模具1可以由多孔材料形成，或者作为另外一种选择，多孔材料5可以仅用在模具表面3的紧邻区域，而模具1的其它部分由如软钢等其它适当的非多孔材料形成。多孔材料5具有形成于其中的空气通道7的迷宫，所述迷宫可以通过加入固体障碍物和控制阀来分区。
为铺敷本发明的实施方式的热塑性带材8的初始层，对模具1中的空气通道7施加负压，以使空气随之通过多孔材料5抽离，由此在模具表面3处形成负压区域。然后，将热塑性复合材料带材或宽幅织物表面稀布(scrim)以所需构造铺敷于模具表面上，并借助于通过多孔材料5中的孔和模具1中所形成的空气通道7而对模具表面施加的负压，使热塑性复合材料带材贴靠在模具表面3上。在优选实施方式中，热塑性复合材料带材8的各部分在固化工序中相互热熔接。可以通过使用将局部加热装置并入带材铺敷头中的已知自动带材铺敷机来同时实现熔接操作和带材铺敷工序。例如，带材铺敷头可以包含红外激光器，以实现局部加热和熔接工序。热塑性复合材料带材8的后继的层也被热固化至之前铺敷的复合材料带材上。当整个复合材料组件都已铺敷在模具中并被同时固化时，可以通过下述方式从模具1中剥离组件：仅仅是机械地从模具中取出整个组件(即，仅仅是提升操作)，或者通过对空气通道7施加正压，以通过微孔材料5中的孔在模具表面3处施加正压，有效地“吹动”模具1中的完成的复合材料组件，由此促进其从模具中剥离。
适用于本发明的实施方式的多孔材料5通常具有经测量为数十微米的平均孔径。例如，微孔铝通常具有约15微米的平均孔径，提供的材料的总孔隙率为约15％。较小孔径的所述多孔材料连同具有较高粘度特性的热塑性基体即使被加热至足以进行固化时，也会阻止热塑性材料被吸入孔中，由此确保了所形成的复合材料组件的高品质的表面光洁度，并防止了带材铺敷工序过程中发生孔堵塞。
如前文所述，热塑性材料必须被加热，以将分离的片固化为一体的热塑性基体。所述固化开始发生时的温度通常被称为玻璃化转变(Tg)温度，其随具体的热塑性基体材料而不同。例如，PEEK的Tg为143℃，PEKK的Tg为156℃，PPS的Tg为89℃。取决于所采用的固化工艺，使用Tg高于针对所选多孔材料所规定的最高许用模具温度的热塑性基体材料是可能的，因为例如若采用激光熔接固化，则加热将高度局部化并且较为短暂，这使传递至多孔材料的热量不足以将模具材料的温度升至超过其许用最高温度。多孔材料的导热性也是一个有益因素，因为具有较高导热性的多孔材料倾向于从局部化的热源(即，带材铺敷和熔接头)导出过多的热量，由此减轻热量在多孔材料内的迅速局部累积。同样的是，如果多孔模具材料的最高许用温度高于所选热塑性基体材料的玻璃化转变温度，则可以且优选通过铺敷层的全体加热(例如通过在常规加热炉中进行铺敷操作)来进行热塑性材料的固化，尽管这么做仍需要至少局部熔接上覆层以使铺敷的叠层结合在一起。
通过对多孔材料5的模具表面3施加负压(例如通过将空气通道7连接于真空泵)，热塑性带材牢固贴靠在多孔材料的模具表面，其中，所述模具表面具有复杂的形状，或者若非如此则热塑性带材将因重力而从模具表面坠落。对于即使不对多孔模具材料施加负压热塑性带材也不容易移动的模具区域(如水平模具表面区域)，这些区域可以使用非多孔级的模具材料形成(优选使用同样的模具材料，以避免因不同材料的不同热膨胀和收缩速率引起的任何问题)。另外，在本发明的某些实施方式中，多孔材料5可以通过在其它非多孔材料中钻许多独立的孔而形成。不过，这不是优选实施方式，因为钻孔加工本身是耗时的，并且所获得的孔相对于所选热塑性基体材料仍必须足够小，以避免当热塑性带材在固化过程中被加热时流入孔中并将孔堵塞。
Claims (9)
1.一种将热塑性复合材料铺敷在模具中的方法，所述方法包括：
提供具有模具表面的模具，所述模具的至少一部分包含多孔材料；
对所述多孔材料施加负压以在所述模具表面处产生负压；
将热塑性复合材料的初始层铺敷在所述模具表面上，由此借助所述模具表面处的负压使所述热塑性复合材料贴靠在模具表面上；和
固化所述热塑性复合材料，所述固化步骤包括加热所述热塑性复合材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述多孔材料包括微孔金属。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述固化所述热塑性复合材料的步骤包括局部加热所述材料。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述局部加热步骤包括激光熔接所述热塑性复合材料。
5.如前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括随后铺敷和固化热塑性复合材料的后继的层。
6.如前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括，在所述固化步骤之后，通过所述多孔材料对所述模具表面施加正压，以将固化的所述热塑性复合材料从所述模具上剥离下来。
7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述热塑性复合材料以带材形式提供，并使用自动带材铺敷技术铺敷。
8.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述对所述多孔材料施加负压的步骤包括，对除了所述模具表面之外的所述多孔材料的一部分施加至少部分真空。
9.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述模具包含至少一个由非多孔材料形成的区域，所述区域形成所述模具表面的一部分。
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