CN102179942A - 一种闭合模内置树脂流动分配器的复合材料液态成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种用于树脂基复合材料液态成型的新型模具技术，涉及一种闭合模内置树脂流动分配器的复合材料液态成型方法。本发明是在闭合模具中的全部或部分模腔内表面安置了可拆卸的多层金属纤维编织网树脂流动分配器，以及利用这种特殊的刚性闭合模具实现的复合材料树脂转移模塑成型的技术。本发明技术的特色是集成发挥了刚性闭合模具液态成型高尺寸和形状精度、高纤维体积分数与半刚性模具真空袋液态成型制件尺寸大，树脂快速流动与快速浸渍等各自的特点，提供了大尺寸、高形状和尺寸精度、高性能复合材料结构件一种更先进、更柔性、低成本的液态成型技术方案。

Description

一种闭合模内置树脂流动分配器的复合材料液态成型方法

技术领域

本发明属于树脂基复合材料液态成型技术，涉及一种闭合模内置树脂流动分配器的复合材料液态成型方法。

背景技术

树脂基复合材料的液态成型技术包括树脂转移模塑(简称RTM)及其多种衍生技术等，其中，闭合刚性模具(简称“闭模”)RTM成型是最经典的技术，其原理如图1所示：首先在压力3作用下对模具的上模5及下模6合膜，待合膜结束后把树脂7通过树脂注入口1注射到预成型体4中，并且出胶口2维持真空状态。

传统上，闭模RTM的模具均采用致密的金属材料制成，其内表面光滑，使得成型的产品具有很高的表面光亮视觉效果，但随着复合材料预制织物纤维体积分数的提高，树脂沿预制体横向的流动、即面内流动阻力增加，而高性能复合材料制件通常都要求较高的纤维体积分数，例如约60％，这时，特别是对于较高黏度的树脂基体以及长流程的大型复合材料制件，复合材料预制织物内部的树脂流动将变得困难，导致复合材料制品的缺陷(表面缺陷和内部缺陷)增加，加工周期延长，成型工艺复杂而控制困难等，这些都增加了液态成型复合材料技术的难度，提高了制造成本，影响了产品的性能。

由于闭合模具上述的缺点，又发展出了更方便成型的半刚性(或半开放式模具，简称“半模”)液态成型技术如真空辅助RTM(VARTM，Vacuum Assistant)、真空辅助树脂注射成型(VARI，Vacuum Assistant Resin Infusion)、溶液辅助RTM(SARTM，Solution Assistant)、树脂膜熔浸成型(RFI)、Seaman树脂浸渍成型(SCRIMP，Seaman’s Composite Resin Infusion Molding Process)、以及软模树脂浸渗成型(RIFT，Resin Infusion under Flexible Tooling)等。具体原理如图2所示，首先把预成型体12放置到模具15上，并把剥离布放在预成型体12上，然后用密封条9把真空袋11进行密封，最后在真空辅助14下把树脂8通过阀门16注射到增强体中10。在这些技术里，都在复合材料预制织物的表面铺设了一层柔性的流动分配介质或分配器(Resin Distribution Media或Fabric)，其作用是在与预制织物接触而平行的面内(X-Y方向)形成快速流动通道，促进树脂在预制织物厚度方向(Z向)的流动和浸渍。实践证明，这种流动促进措施对于提高流动和浸渍速度的效果非常明显。

采用流动分配器的半模RTM成型技术的缺点是难以获得与闭模RTM成型产品相等的制品尺寸与形状精度，制品的复杂程度相对降低，纤维体积分数也相对较低，因此，半模RTM成型的复合材料制品一般不作为航空航天飞行器里的主承力构件使用。

发明内容

本发明的目的是：提出一种能够获得与闭模RTM成型产品相等的制品尺寸与形状精度的一种闭合模内置流动分配器的复合材料液态成型方法。

本发明的技术方案是，

(1)树脂流动分配器的制备：选择与闭合模具材质的刚度及硬度相适应的金属纤维，分别编织树脂流动分配器的表面层和支撑层，并通过直接叠放或粘结或冷扎或热压烧结工艺将表面层和支撑层烧结在一起，制备成表面平整的树脂流动分配器；

(2)选择树脂流动分配器在闭合模具内的放置位，当纤维体积分数≥40％和≤80％时，在模具内腔面全部区域放置树脂流动分配器或按照模具内腔面区域的形状进行分区域放置树脂流动分配器；

(3)预成型树脂流动分配器：按照所选择树脂流动分配器在闭合模具内的放置位置的形状，采用与模具内腔面相同的工装对树脂流动分配器施加压力，加压范围为0.20MPa～2.5MPa，保持时间为10min～8h；

(4)放置树脂流动分配器：在树脂流动分配器表面涂抹或刷涂与注射树脂匹配的脱模剂，按照所选定的位置，将预成型的树脂流动分配器与模具内腔面贴合，树脂流动分配器的表面层与模具贴合，支撑层与预成型体贴合，并用密封条把树脂流动分配器的周边密封；

(5)树脂传递模塑成型：将树脂注射口直接连通模具内置的树脂流动分配器，树脂出口设置在预成型体表面未铺放树脂流动分配器的区域；根据注射树脂的工艺特性进行树脂传递模塑成型，树脂注射压力范围为0.05MPa～3MPa；

(6)根据注射树脂的工艺特性进行固化；

(7)对闭合模具进行拆模，取出成型制件并对制件表面的树脂流动分配器进行剥离拆除。

所述的树脂流动分配器的金属纤维编织网的材质为金属丝或金属纤维。且树脂流动分配器内为两层以上的金属网复合结构，其中一层为表面层，其它层为支撑层，表面层的纤维直径为0.02mm～0.5mm，目数为20目～500目，厚度为0.02mm～1mm；每个支撑层的纤维直径为0.1mm～3mm，目数为10目～100目，厚度为0.02mm～1mm。

上述复合材料成型模具材质为金属材质或复合材料材质或陶瓷芯模或木质芯模。

上面所述的在树脂流动分配器和预成型体之间铺垫隔离布。隔离布材质为玻璃纤维或四氟或涤纶或尼龙或腈纶；厚度为0.01mm～0.50mm；其织造形式为平纹布或缎纹布或斜纹布。

本发明的优点是：

(1)集成发挥了闭合模具成型制件的高尺寸和形状精度、高纤维体积分数与半刚性半开放式模具成型制件的尺寸大，树脂快速流动与浸渍等各自优点和特点，提供了大尺寸、高形状和尺寸精度、高性能复合材料结构件一种更先进、更柔性、低成本的液态成型技术方案。

(2)由于在刚性闭合模具内置了与复合材料预成型体直接贴合的树脂流动分配器，将快速地形成X-和Y-向快速流动通道，并促进形成Z向流动，将传统液态成型工艺里的点浇口、线浇口和面浇口融合在一起，使得成型制造过程更加迅速而降低成本。

(3)金属纤维编织网流动分配器具备很高的结构刚度又不失三向多孔和一定的结构柔曲特性，所以，如果树脂黏度较高，可以在流动分配器面内和法向进行较高压力的树脂注射而不冲乱复合材料纤维预制织物。

(4)由于金属纤维编织网流动分配器很高的结构刚度和强度，它本身就可以作为模具的一部分，或作为模芯结构材料等。

(5)本成型技术特别适用于工艺窗口较窄的液态成型(如短树脂流动充模时间和/或短树脂流程)、长程流动的大型(大面积)树脂基复合材料的成型制备，典型的应用领域包括层间增韧如“离位”增韧的复合材料体系、高黏度的树脂体系，大面积或特大面积的复合材料制件如飞机蒙皮、舰船壳体等，以及高纤维体积分数的复合材料制件等。

(6)由于流动分配器是金属材质，且细网目的金属纤维编织网面向复合材料预制织物，可以在其表面直接进行脱模剂处理，这样，就可能省略铺放中间隔离布(Peel Ply)而直接脱模，进一步降低成本并得到相对不错的复合材料固化制件表面质量。

(7)金属材质的树脂流动分配器可以经受各种冷加工和热加工，可以成形为各种可能的形状，给予模具设计极大的自由度。

附图说明

图1经典的复合材料树脂转移模塑(RTM)技术示意图；

图2经典真空辅助RTM成型技术示意图；

图3空心工字梁型芯以及金属网流动分配器和纤维织物的布置示意图。

具体实施方式

一种闭合模内置树脂流动分配器的复合材料液态成方法，其特征是在刚性闭合模具的全部或部分模腔内表面安置了可拆卸的金属纤维编织网树脂流动分配器，以及利用这种特殊的模具结构实现复合材料树脂转移模塑成型的技术。

本发明其结构设计原理、方法和模具装配方式如下所述：

(1)首先是树脂流动分配器的制备：

1)根据复合材料成型制件所需成型压力(0.05MPa～2.5MPa)和成型温度(室温～300℃)选择模具材质，一般可选择的模具材质为金属或非金属(例如复合材料、陶瓷芯模或木质芯模)闭合模具；

2)然后再选择与模具材质的刚度及硬度接近的树脂流动分配器。本专利技术方案中采用的树脂流动分配器是金属纤维编织网(见中国专利，申请号为201020597767.4，名称为“一种用于复合材料成型的金属编织网树脂流动分配器”)。其制备方法为根据树脂流动分配器刚度和强度以及复合材料成型温度的要求，选择金属纤维的材质，将不同规格、不同结构的金属纤维编织网组装成为一定柔度的多层、变密度复合结构。树脂流动分配器的具体结构为两层以上的金属网复合结构，其中一层为表面层(也称粗网面)，其它层为支撑层(也称细网面)，表面层的纤维直径为0.02mm～0.5mm，目数为20目～500目，厚度为0.02mm～1mm；其它层为支撑层，支撑层的纤维直径为0.1mm～3mm，目数为10目～100目，厚度为0.02mm～1mm。最后通过把多层金属纤维编织网采用直接叠放或粘结或冷扎或热压烧结技术，再经过高温轧制平整化处理，消除树脂流动分配器的面内弹性变形或局部不平，得到表面光整的多层多孔介质树脂流动分配器。

(2)选择树脂流动分配器放置位置：其在闭合模具内放置位置为如下之一，

1)在模具内腔面全部区域放置：纤维体积分数≥40％和≤80％时，特别是复合材料制件的曲度、倒角较小时，可以在模具这些区域内的全部腔面铺放整张树脂流动分配器，并按照所选模具腔面尺寸裁剪树脂流动分配器，然后把树脂流动分配器放置在模具腔面与预成型体之间，树脂流动分配器的粗网面贴合模具一侧，细网面贴合预成型体一侧；

2)在模具内腔面部分区域放置：纤维体积分数≥40％和≤80％时，特别是复杂结构、织物铺层局部加强位置，以及经常出现干斑等工艺缺陷的位置，并按照所选模具局部腔面尺寸裁剪树脂流动分配器，然后把树脂流动分配器放置在模具腔面与预成型体之间，树脂流动分配器的粗网面贴合模具一侧，细网面贴合预成型体一侧；

(3)树脂流动分配器的预成型：待放置树脂流动分配器后，采用与模具内腔面相同的工装对流动分配器施加压力，加压范围为0.20MPa～2.5MPa，保持时间为10min～8h，使树脂流动分配器的形状完全与模具内腔面及预成型体表面吻合；

(4)树脂流动分配器的放置：在已裁剪树脂流动分配器表面涂抹或刷涂与注射树脂匹配的脱模剂，以脱模剂融入但又不阻塞细目网眼为宜，然后把树脂流动分配器放置所选模具腔面区域，并与模具内腔面贴合，树脂流动分配器的粗网面与模具贴合，其反面(细网面)与预成型体贴合；在模具内全部腔面放置树脂流动分配器时，需要把其边缘部位周围密封；此外，树脂流动分配器和预成型件之间需要铺垫隔离布。隔离布材质为玻璃纤维或四氟或涤纶或尼龙或腈纶；厚度为0.01mm～0.50mm；其织造形式为平纹布或缎纹布或斜纹布。

(5)树脂传递模塑成型：将树脂注射口设置在能够直接连通模具内置的树脂流动分配器一侧(面内和/或法向)，以形成快速面内流通；并在树脂流动分配器对称的预成型体另一侧面设置出胶口，且树脂流动分配器不能同时连通树脂的出胶口和注射口；然后根据注射树脂的工艺特性进行树脂传递模塑成型，树脂注射压力范围为0.05MPa～2.5MPa；

(6)根据注射树脂的工艺特性进行固化工艺；

(7)对闭合模具进行拆模，取出复合材料制件并对制件表面的树脂流动分配器进行剥离拆除。

实施例1：层间“离位”增韧的大型RTM成型复合材料层合板结构

(1)设计双层结构的不锈钢纤维编织网树脂流动分配器，树脂流动分配器表面层为100目细网眼织物，支撑层为厚度为0.6mm的粗网眼织物。两层采用常规热压烧结技术组装，然后采用常规热轧技术平整化。参见实用新型专利“一种用于复合材料成型的金属编织网树脂流动分配器”(申请号为201020597767.4)。

(2)模腔尺寸1500mm×1500mm×10mm的对开结构钢闭合模具，模内一侧面全面积铺放上述不锈钢纤维编织网树脂流动分配器，并在装有树脂流动分配器一侧法向设置中心浇口，在其对开模具的另一半设置多个树脂出口，例如“田字”格形式的4个中心出口。

(3)按照RTM成型常规工艺，在整个模具内腔面反复涂抹商用脱模剂，也在上述树脂流动分配器上反复涂抹脱模剂，直至脱模剂溶入网眼而又不阻塞网眼为止。

(4)按照RTM成型常规工艺，在模内铺放“离位”增韧的复合材料预制织物，增韧膜材料为聚芳醚酮(PAEK)，铺放结构和纤维体积分数等服从“离位”复合材料的设计，例如纤维体积分数V_f＝56％～60％。将树脂流动分配器细网眼面(表面层)与预制织物直接贴合，合模。

(5)按照常规RTM成型技术要求进行操作，在温度范围为100℃～120℃时把高温双马来酰亚胺树脂(牌号为6421，北京航空材料研究院产品)从注胶口注入，注射压力为0.05MPa～2.0MPa，且出胶口持续保持真空状态(＜0.09MPa)，待充模完成后升温，并按照180℃×2h+200℃×2h进行固化，然后冷却至室温，直接开模脱模，得到层间“离位”增韧的大型、高温双马来酰亚胺树脂基复合材料层合板。

(6)根据需要，该层间“离位”增韧的高温双马来酰亚胺树脂复合材料层合板结构可以具有一定的曲度或弯角。

实施例2：高黏度环氧树脂大型RTM成型复合材料层合板结构

(1)热塑性树脂PAEK增韧的高温环氧树脂(牌号5288，北京航空材料研究院产品)树脂具有复相树脂体系的特征，其树脂黏度较高，相当于预浸料级别的树脂黏度，因此RTM注射工艺窗口相对很窄(短树脂流动充模时间，短树脂流程)，为此，设计高刚度的5层结构的不锈钢纤维编织网树脂流动分配器，其表面层为100目细网眼织物，支撑层为厚度为0.5mm的5层粗网眼织物。如参考实用新型专利“一种用于复合材料成型的金属编织网树脂流动分配器”(申请号为201020597767.4)所述，整个树脂流动分配器采用热压烧结技术组装，然后采用热轧技术平整化。

(2)模腔尺寸1000mm×1000mm×10mm的对开结构钢闭合模具，模内全面积铺放上述不锈钢纤维编织网树脂流动分配器，并在装有流动分配器的一个侧面设置注浇口，在其对开模具的另一半设置多个树脂出胶口，例如“田字”格形式的4个中心出胶口。

(3)按照RTM成型常规工艺，在整个模具内反复涂抹商用脱模剂，也在上述树脂流动分配器上反复涂抹脱模剂，直至脱模剂溶入网眼而又不阻塞网眼为止。

(4)按照RTM成型常规工艺，在模内铺放复合材料预制织物，铺放结构和纤维体积分数等服从即定的复合材料的设计，纤维体积分数V_f～60％。将流动分配器细网眼面与预制织物直接贴合，合模。

(5)按照5288树脂的成型温度要求进行操作，在温度范围为100℃～120℃时，用计量泵以2MPa～3MPa的压力把高黏度的复相增韧树脂注入注胶口，出胶口保持真空状态(＜0.09MPa)，在充模完成后升温，并按照180℃×2h+200℃×2h进行固化，然后冷却至室温，直接开模脱模，得到复相增韧的高温增韧环氧树脂基复合材料层合板结构。

(6)根据需要，该复相增韧的复合材料层合板可以具有一定的曲度或弯角。

实施例3：“离位”增韧双马来酰亚胺(BMI)基RTM成型复合材料空心工字梁结构

(1)热塑性树脂PAEK“离位”增韧的双马来酰亚胺树脂(牌号为6421，北京航空材料研究院产品)，同实例1。

(2)设计金属网编织树脂流动分配器，表面层为100目细网眼织物，支撑层为厚度为0.5mm的粗网眼织物。分配器按照热压烧结并轧制平整化。参见实用新型专利“一种用于复合材料成型的金属编织网树脂流动分配器”(申请号为201020597767.4)。使用前，对所有树脂流动分配器反复进行脱模剂处理，直至脱模剂溶入网眼而又不阻塞网眼为止。

(3)空心工字梁的芯模(19，21)采用水溶性型芯制备，将相应的金属网编织流动分配器22变形包裹在芯模21上，金属网编织流动分配器22细目网眼面朝外(参见图3)。分配器用胶带简单固定。

(4)先用隔离膜25、然后再用复合材料织物布20包裹水溶性芯模(19，21)并预定型(参见图3)，其他所有空心工字梁结构的预制工作按照RTM成型常规工艺执行。

(5)将空心工字梁预制件装入RTM闭合模具，合模等。

(6)空心工字梁模具设计为端面24为注胶口(参见图3，注胶方向指向见箭头24)。按照实例1中的注射温度把6421树脂以较高压力(2MPa～3MPa)注入，而出口17保持真空状态(＜0.09MPa)。由于空心工字梁芯模21表面的流动分配器22，树脂将优先从芯模22四周流通，并分别向预制复合材料上面板18及预制复合材料下面板23输运树脂，最终完成充模。

(7)按照实例1的工序制度进行固化，冷却至室温，开模。根据水溶性型芯21的技术要求，用冷水溶解型芯，分离出金属纤维编织树脂流动分配器22，得到“离位”增韧的RTM成型高温BMI树脂基复合材料空心工字梁结构。

Claims (6)

1.一种闭合模内置树脂流动分配器的复合材料液态成方法，其特征是

(1)树脂流动分配器的制备：选择与闭合模具材质的刚度及硬度相适应的金属纤维，分别编织树脂流动分配器的表面层和支撑层，并通过直接叠放或粘结或冷扎或热压烧结工艺将表面层和支撑层烧结在一起，制备成表面平整的树脂流动分配器；

(2)选择树脂流动分配器在闭合模具内的放置位，当纤维体积分数≥40％和≤80％时，在模具内腔面全部区域放置树脂流动分配器或按照模具内腔面区域的形状进行分区域放置树脂流动分配器；

(3)预成型树脂流动分配器：按照所选择树脂流动分配器在闭合模具内的放置位置的形状，采用与模具内腔面相同的工装对树脂流动分配器施加压力，加压范围为0.20MPa～2.5MPa，保持时间为10min～8h；

(4)放置树脂流动分配器：在树脂流动分配器表面涂抹或刷涂与注射树脂匹配的脱模剂，按照所选定的位置，将预成型的树脂流动分配器与模具内腔面贴合，树脂流动分配器的表面层与模具贴合，支撑层与预成型体贴合，并用密封条把树脂流动分配器的周边密封；

(5)树脂传递模塑成型：将树脂注射口直接连通模具内置的树脂流动分配器，树脂出口设置在预成型体表面未铺放树脂流动分配器的区域；根据注射树脂的工艺特性进行树脂传递模塑成型，树脂注射压力范围为0.05MPa～3MPa；

(6)根据注射树脂的工艺特性进行固化；

(7)对闭合模具进行拆模，取出成型制件并对制件表面的树脂流动分配器进行剥离拆除。

2.根据权利要求1所述的闭合模内置树脂流动分配器的复合材料液态成方法，其特征在于，所述的树脂流动分配器的金属纤维编织网的材质为金属纤维。

3.根据权利要求1所述的闭合模内置树脂流动分配器的复合材料液态成方法，其特征在于，所述的树脂流动分配器内为两层以上的金属网复合结构，其中一层为表面层，其它层为支撑层，表面层的纤维直径为0.02mm～0.5mm，目数为20目～500目，厚度为0.02mm～1mm；每个支撑层的纤维直径为0.1mm～3mm，目数为10目～100目，厚度为0.02mm～1mm。

4.根据权利要求1所述的闭合模内置树脂流动分配器的复合材料液态成方法，其特征在于，复合材料成型模具材质为金属材质或复合材料材质或陶瓷芯模或木质芯模。

5.根据权利要求1所述的闭合模内置树脂流动分配器的复合材料液态成方法，其特征在于，所述的在树脂流动分配器和预成型体之间铺垫隔离布。

6.根据权利要求5所述的在树脂流动分配器和预成型件之间铺垫隔离布，其特征在于，所述的隔离布材质为玻璃纤维或四氟或涤纶或尼龙或腈纶；厚度为0.01mm～0.50mm；其织造形式为平纹布或缎纹布或斜纹布。

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