CN102765198A - 复合材料真空辅助模压成型系统及成型方法 - Google Patents

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李仕通
杨明敏
肖加余
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本发明公开了一种复合材料真空辅助模压成型系统，包括一开放式成型模具，该模具包括上模和下模，下模上密封连接有真空袋压系统；模具外侧连接有模压加热系统。本发明还公开一种真空辅助模压成型复合材料制品的方法：先制备开放式成型模具，并将预浸料置于下模上，将隔离膜、脱模布、透气毡依次铺放，密封连接真空袋膜，使形成的真空袋压腔与真空泵相连通；上模和下模连接至模压加热系统；在保持真空袋压的条件下，将上模和下模进行合模，通过模压加热系统对预浸料进行合模加压，同时对上、下模进行加热，达到固化温度后进行固化处理，固化反应结束后成型得到复合材料制品。本发明的工艺成本低、通用性强、辅材消耗少，能改善产品的使用性能。

Description

复合材料真空辅助模压成型系统及成型方法
技术领域
本发明属于复合材料成型工艺技术领域，尤其涉及用于提高预浸料模压成型制品内部和表面质量的成型系统及其成型方法。
背景技术
真空辅助模压成型系统是一种利用真空负压和模压共同作用将预浸料制备成型的低成本制造技术。抽真空，使成型系统内部形成负压，是提高制品内部质量的关键因素；施加外部压力，是提高制品中增强体含量和树脂致密度的关键因素。因此，抽真空与模压相结合的工艺是提高复合材料制品使用性能的一种重要技术。
传统的利用真空负压制备成型的真空袋压工艺能够获得内部和表观质量较好的复合材料制品，但树脂含量偏高，力学性能偏低。传统模压工艺可以通过加压的途径获得力学性能相对较好的制品，但模压压力越大，复合材料内部结构受损的风险越高；压力较小，则内部空隙和缺陷越多。传统热压罐工艺能够成型内部质量和表观质量具佳的制品，但该方法设备成本与制造成本均较高，且成型压力偏低，安全风险较高。
针对通常SMC/BMC模压成型产品表面出现的由于空气集聚造成的砂眼，中国专利200720187263.3设计了一种模压成型用的真空辅助成型模具，改善了制品存在的表面缺陷问题，提高了模压产品的表面精度。但该模具不仅需要设计真空孔，而且需要设计精度较高的密封槽保证模具合模后的密封效果，模具通用性偏低，工艺成本偏高。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种结构简单、操作方便、成本低、产品质量高的复合材料真空辅助模压成型系统，还提供一种工艺成本低、通用性强、辅材消耗少、工艺门槛低、经济性好、能改善产品的使用性能的真空辅助模压成型复合材料制品的方法。
为实现上述目的，本发明提出的技术方案为一种复合材料真空辅助模压成型系统，所述系统包括一开放式成型模具，该开放式成型模具包括相对设置的上模和下模，所述下模上方密封连接有一对待成型预浸料实施真空袋压的真空袋压系统；所述开放式成型模具的外侧连接有对模具施压的模压加热系统。
上述的成型系统中，所述上模和下模均优选为单面模具，所述上模和下模合模后不接触、不闭合。
上述的成型系统中，所述上模的长、宽优选与拟成型制品的长、宽相同；所述下模各边缘优选超过其上放置的所述预浸料各边缘距离30mm以上。
上述的成型系统中，所述真空袋压系统优选包括依次铺放于所述预浸料表面的隔离膜、脱模布和透气毡；所述透气毡外围连接真空袋膜，所述真空袋膜的外围通过密封连接方式包覆在下模的上表面上并形成一真空袋压腔，所述真空袋压腔通过预埋真空管与外部的真空泵连接。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种基于上述系统的真空辅助模压成型复合材料制品的方法，包括以下步骤：
（1）材具准备：根据拟成型制品的工艺参数制备一包括上模和下模的开放式成型模具，并将用于成型制品的预浸料置于下模上，将隔离膜、脱模布、透气毡依次铺放在所述预浸料表面，密封连接真空袋膜形成一真空袋压腔，使真空袋压腔与外部的真空泵相连通；所述的上模和下模分别连接至一模压加热系统；
（2）合模加压：利用所述真空泵在保持真空袋压的条件下，将所述上模和下模进行合模，通过所述模压加热系统对所述预浸料进行合模机械加压，同时通过模压加热系统对上模和下模进行加热，直至达到为所述预浸料设定的后固化周期的初始固化温度，进行合模加压下的固化处理，直至预浸料固化反应结束，最后降温、卸压，完成复合材料制品的成型。
上述的方法中，在所述步骤（1）和步骤（2）之间优选增加一个真空袋压步骤，其具体操作方法包括：开启所述真空泵对真空袋压腔进行抽真空，达到设定的真空度后，开启所述模压加热系统加热下模，直至达到为所述预浸料设定的前固化周期的初始固化温度后，开始进行单独真空袋压下的缓慢固化，固化处理时间不超过6h。在优选的真空袋压步骤中，所述的前固化周期内可设定阶梯式固化温度，即采用逐步升温和保温的方法进行固化，但最高固化温度不超过原材料体系的固化反应最剧烈温度。所述阶梯式固化温度的范围优选为60℃～120℃。
上述的方法中，抽真空时可通过调整所述透气毡和真空袋膜，使所述透气毡和真空袋膜与上模拟接触的部分平整无褶皱。
上述的方法中，所述的后固化周期内也可设定阶梯式固化温度，温度设定范围从所述预浸料原材料体系开始反应到剧烈反应再到后固化阶段，宜采用逐步升温和保温的多步法使材料固化完全。此时，后固化周期内阶梯式固化温度的范围优选为60℃～200℃。
上述的方法中，所述真空袋压步骤和合模加压步骤中，抽真空管时的真空度均优选保持在-0.09Mpa以上。
上述的方法中，所述真空袋压系统的工作时间、开放式成型模具的合模时间以及模压加热系统的工作时间等均由可根据预浸料的固化时间进行优化和确定。根据我们反复的实验结果，所述真空袋压中的固化处理时间优选为所述合模加压中固化处理时间的0.1～0.5倍。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的复合材料真空辅助模压成型系统结构简单、操作方便、成本低；采用本发明的真空辅助模压成型系统及成型方法成型的复合材料制品，不仅质量显著提高，制品内部缺陷更少，性能更好；而与传统热压罐工艺相比，本发明的成型系统及成型方法能够大大降低设备成本与制造成本，并能够获得更高的成型压力，可制备力学性能更好的复合材料制品，同时降低了安全风险。
附图说明
图1为本发明中复合材料真空辅助模压成型系统的结构示意图。
图例说明：
1、上模；2、下模；3、液压机上；4、液压机下；5、预浸料；6、真空袋膜；7、透气毡；8、脱模布；9、隔离膜；10、密封胶；11、真空管；12、真空袋压腔。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。
实施例：
一种如图1所示的复合材料真空辅助模压成型系统，该系统包括一开放式成型模具，该开放式成型模具包括相对设置的上模1和下模2，下模2上方密封连接有一对待成型预浸料5实施真空袋压的真空袋压系统；开放式成型模具的外侧连接有对模具施压的模压加热系统（包括液压机上3和液压机下4）。本实施例中，上模1和下模2均为单面模具，上模1的长、宽与拟成型制品长、宽相同；下模2各边缘超过其上放置的预浸料5各边缘距离30mm以上。上模1和下模2合模后不接触、不闭合。
本实施例的真空袋压系统包括依次铺放于预浸料5表面的隔离膜9、脱模布8和透气毡7；透气毡7外围连接真空袋膜6，真空袋膜6的外围通过密封胶10包覆在下模2的上表面上并形成一真空袋压腔12，真空袋压腔12通过预埋的真空管11与外部的真空泵连接。
一种基于本实施例上述的真空辅助模压成型系统的真空辅助模压成型复合材料制品的方法，拟成型的复合材料制品为一块尺寸为250mm*250mm*2.5mm的单向碳纤维增强环氧树脂复合材料平板，其具体的成型过程包括以下步骤：
（1）材具准备：按以下规格和要求准备原材料：
增强体：T700SC碳纤维；
树脂体系：环氧树脂TDE-85、酸酐THPA、促进剂DMP-30按100∶100∶0.9配制而成；
预浸料：碳纤维与树脂体系经缠绕机缠绕制得；
隔离膜：耐高温聚乙烯薄膜；
脱模布：耐高温白色编织布；
透气毡：采用具有优良透气性能和耐压性能的聚酯透气毡；
真空袋膜：采用优良耐温性能的尼龙薄膜；
排气通道：采用60目的编织网格布；
密封胶：耐高温压敏密封胶带。
（2）材料铺放：如图1所示，裁剪250mm×250mm的预浸料5六块，0°铺层于下模2的上表面上；准备250mm×250mm的隔离膜9两块，铺设于预浸料5的表面；280mm×280mm脱模布8一块，铺设于隔离膜9上；280mm×360mm透气毡7一块，铺设于脱模布8上；400mm×450mm真空袋膜6一块，透气毡7的外围上方连接真空袋膜6，真空袋膜6的外围通过密封胶10包覆在下模2的上表面上并形成一真空袋压腔12，真空袋压腔12通过预埋真空管11与外部的真空泵连接。
（3）真空袋压：开启真空泵对真空袋压腔12进行抽真空，抽真空时调整透气毡7和真空袋膜6，使透气毡7和真空袋膜6与上模1拟接触的部分平整无褶皱；使真空度达到设定的-0.09MPa以上时，开启模压加热系统加热下模2，直至达到为预浸料设定的前固化周期的初始固化温度85℃后，开始进行单独真空袋压下的缓慢固化处理，处理时间为1小时。
（4）合模加压：上述步骤（3）完成后，利用模压加热系统的液压机上3和液压机下4将上模1和下模2进行合模，在保持真空袋压（-0.09MPa）的条件下通过模压加热系统对预浸料进行合模机械加压至0.5MPa，在该温度（85℃）及压力条件下继续固化3h，继续保持真空度（-0.09MPa）和外压（0.5MPa），再通过模压加热系统对上模1和下模2进行加热并升温，升温速率为3℃/min，直至达到为预浸料5设定的后固化周期的初始固化温度120℃，继续进行合模加压下的固化处理（真空负压-0.09MPa，模压压力0.5MPa，120℃），保温时间为4h，最后保压至成型系统自然冷却至室温、卸压，完成复合材料制品的成型。
经检验，本实施例制得的单向碳纤维增强环氧树脂复合材料平板纤维体积含量70%以上，孔隙率低于0.5%，厚度均匀，外观质量良好。

Claims (10)

1.一种复合材料真空辅助模压成型系统，其特征在于：所述成型系统包括一开放式成型模具，该开放式成型模具包括相对设置的上模和下模，所述下模上方密封连接有一对待成型预浸料实施真空袋压的真空袋压系统；所述开放式成型模具的外侧连接有对模具施压的模压加热系统。
2.根据权利要求1所述的成型系统，其特征在于：所述上模和下模均为单面模具，所述上模和下模合模后不接触、不闭合。
3.根据权利要求2所述的成型系统，其特征在于：所述上模的长、宽与拟成型制品的长、宽相同；所述下模各边缘超过其上放置的所述预浸料各边缘距离30mm以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的成型系统，其特征在于：所述真空袋压系统包括依次铺放于所述预浸料表面的隔离膜、脱模布和透气毡；所述透气毡外围连接真空袋膜，所述真空袋膜的外围通过密封连接方式包覆在下模的上表面上并形成一真空袋压腔，所述真空袋压腔通过预埋真空管与外部的真空泵连接。
5.一种如权利要求1～4中任一所述成型系统真空辅助模压成型复合材料制品的方法，包括以下步骤：
（1）材具准备：根据拟成型制品的工艺参数制备一包括上模和下模的开放式成型模具，并将用于成型制品的预浸料置于下模上，将隔离膜、脱模布、透气毡依次铺放在所述预浸料表面，密封连接真空袋膜形成一真空袋压腔，使真空袋压腔与外部的真空泵相连通；所述的上模和下模分别连接至一模压加热系统；
（2）合模加压：利用所述真空泵在保持真空袋压的条件下，将所述上模和下模进行合模，通过所述模压加热系统对所述预浸料进行合模机械加压，同时通过模压加热系统对上模和下模进行加热，直至达到为所述预浸料设定的后固化周期的初始固化温度，进行合模加压下的固化处理，直至预浸料固化反应结束，最后降温、卸压，完成复合材料制品的成型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤（1）和步骤（2）之间增加一个真空袋压步骤，其具体操作方法包括：开启所述真空泵对真空袋压腔进行抽真空，真空袋压达到设定的真空度后，开启所述模压加热系统加热下模，直至达到为所述预浸料设定的前固化周期的初始固化温度后，开始进行单独真空袋压下的缓慢固化，固化处理时间不超过6h。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的前固化周期内设定阶梯式固化温度，即采用逐步升温和保温的方法进行固化，但最高固化温度不超过所述预浸料原材料体系的固化反应最剧烈温度，所述阶梯式固化温度的范围为60℃～120℃。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述真空袋压中的固化处理时间为所述合模加压中固化处理时间的0.1～0.5倍。
9.根据权利要求5～8中任一项所述的方法，其特征在于：所述的后固化周期内设定阶梯式固化温度，即采用逐步升温和保温的方法进行固化，所述后固化周期内阶梯式固化温度的范围为60℃～200℃。
10.根据权利要求5～8中任一项所述的方法，其特征在于：所述真空袋压时的真空度保持在-0.09Mpa以上。
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