CN102958679B - 树脂基复合材料的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够更高精度地控制树脂基复合材料的板厚的制造方法。树脂基复合材料的制造方法具备：在规定形状的夹具(20)上，将预成型料(30)层叠至规定的厚度的工序；利用包装材料(35)将层叠后的预成型料(30)和夹具(20)覆盖，进行加压加热处理，形成第一半成形品(40a)和第二半成形品(40b)的工序；计测第一半成形品(40a)及第二半成形品(40b)的板厚的工序；基于计测出的板厚、树脂基复合材料的所期望的板厚、追加层(42)的物性，来确定追加层(42)的数目的工序；在设置于规定形状的夹具(41a、41b)上的第一半成形品(40a)与第二半成形品(40b)之间，形成层叠了规定张数的追加层(42)的层叠体(43)，利用包装材料(47)将层叠体(43)和夹具(41a、41b、44)覆盖，进行加压加热处理的工序。

Description

树脂基复合材料的制造方法
技术领域
本发明涉及树脂基复合材料的制造方法。
背景技术
纤维强化树脂等的树脂基复合材料为轻量且高强度，因此作为飞机、机动车、船舶等结构构件而被广泛使用。
树脂基复合材料通常将由通过纤维强化后的树脂构成的预成型料层叠多张，通过高压灭菌器等进行加热·加压处理而形成。
例如，在直升飞机的旋翼翼梁中适用树脂基复合材料时，要求树脂基复合材料具有足以支承离心力产生的拉伸载荷的强度和用于维持旋转中的叶片维持设计原样的固有振动频率(动特性)的刚性的精度。刚性已知与由树脂基复合材料构成的构件的板厚的立方成比例。因此，为了实现由树脂基复合材料构成的旋翼翼梁，需要尽量减小板厚的相对于设计值的变动(例如±2％以内)。
然而，在通过高压灭菌器形成的树脂基复合材料中，由于预成型料自身的板厚的变动、加热时的树脂的流动性的变动或与之相伴的树脂的损失、层叠工序的变动、残留在层间的空气层等，板厚的变动有时会大于上述变动的要求值。因此，要求一种能够严格控制树脂基复合材料的板厚的成形方法。
专利文献1中公开了一种在基体模制构件的成形面上依次接合(层叠)多个预成型料层而形成复合材料的方法。在专利文献1中，反复进行将规定张数的预成型料接合的工序、将预成型料在室温程度下进行高压灭菌压缩的工序、在高压灭菌后的层叠体上接合辅助层包来调整板厚的变动的工序，同时形成复合材料。
【在先技术文献】
【专利文献】 
【专利文献1】日本特表2000-507517号公报(权利要求1，14页13行至23页4行，图3)
【发明的概要】
【发明要解决的课题】
在专利文献1的形成方法中，按照规定张数进行的预成型料的压缩在室温下进行，因此在最终的加热·加压处理时，由于树脂流出，而存在板厚容易变动的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够更高精度地控制树脂基复合材料的板厚的制造方法。
【用于解决课题的机构】
为了解决上述课题，本发明提供一种树脂基复合材料的制造方法，包括：预成型料层叠工序，其中，在规定形状的夹具上，将由通过纤维强化后的树脂构成的预成型料层叠至规定的厚度；半成形品形成工序，其中，利用包装材料将所述层叠后的预成型料和所述夹具覆盖，对所述包装材料进行加压及加热处理，形成第一半成形品和第二半成形品；板厚计测工序，其中，计测所述第一半成形品及所述第二半成形品的板厚；追加层数确定工序，其中，基于所述计测出的板厚、树脂基复合材料的所期望的板厚、追加层的物性，来确定该追加层的数目；贴合工序，其中，在设置于所述规定形状的夹具上的所述第一半成形品与所述第二半成形品之间，形成层叠了所述确定出的数目的追加层的层叠体，利用包装材料将所述层叠体和所述夹具覆盖，对该包装材料进行加压及加热处理。
本发明的树脂基复合材料在所期望的形状的夹具内配置预成型料，在由夹具收纳的状态下对预成型料实施加压加热处理，由此制作第一半成形品和第二半成形品。因此，在半产品即半成形品的时刻，能够抑制相对于设计值的板厚的变动。而且，在第一半成形品与第二半成形品之间形成配置了追加层的层叠体，并实施加压化热处理，来制作产品即树脂基复合材料。此时，考虑第一半成形品及第二半成形品的板厚、树脂基复合材料的所期望的板厚、追加层的物性，来确定追加层数。由此，能够高精度地控 制树脂基复合材料的板厚。
另外，本发明的树脂基复合材料由于使用规定形状的夹具进行制造，因此具有不需要基于机械加工的部件宽度的调整等这样的优点。
在上述发明中，优选的是，所述夹具由底面夹具和侧面夹具构成，在所述底面夹具与所述侧面夹具的接触面上设有树脂泄漏防止材料。
在本发明中，为了得到所期望的形状的树脂基复合材料，而使用由底面夹具和侧面夹具构成的夹具。这种情况下，在对预成型料实施加压加热处理来制作半成形品时，树脂从夹具彼此的接触面流出而可能会对板厚变动造成影响。本发明在底面夹具与侧面夹具的接触面上设置树脂泄漏防止材料来防止树脂的流出，因此能够提高板厚控制精度。
在上述发明中，优选的是，在所述半成形品形成工序及所述贴合工序的至少一方中，将所述包装材料内部维持成减压气氛而进行加热处理。
通常，在对预成型料实施加压加热处理时，在对包装材料内部进行减压并从包装材料外部进行加压之后，在升温之前，将包装材料内部向大气敞开。然而，在本发明中由于使用夹具，因此残留于层间的空气在加压加热处理时未向外部排出，或空气在大气敞开时发生逆流，可能会残留在树脂基复合材料内部。残留于层间的空气积存处(微小空隙)成为树脂基复合材料的强度下降的原因。尤其是贴合工序是将硬化的半成形品彼此粘接的工序，由于大气敞开而在半成形品与追加层之间容易产生空气积存处。
本发明将包装材料内部设为减压气氛而进行加热处理，由此能够容易地将层间的空气排出。
这种情况下，优选在所述层叠后的预成型料或所述层叠体的截面上设有空气排出机构。
在本发明中使用夹具。因此，在预成型料、或半成形品与追加层的层叠体的侧面上设置空气排出机构，可以确保将层间的空气向外部排出的路径。
【发明效果】 
根据本发明，能够高精度地控制树脂基复合材料的板厚。而且，能够抑制层间的微小空隙产生而防止树脂基复合材料的强度下降。
在本发明中，由于使用规定的夹具来制作树脂基复合材料，可以省略 部件宽度的机械加工等的工序，因此有利。
附图说明
图1是直升飞机的旋翼翼梁的俯瞰图。
图2是说明本发明的树脂基复合材料的制造方法的简图。
图3是说明本发明的树脂基复合材料的制造方法的简图。
图4是说明半成形品形成工序中的温度条件及压力条件的坐标图。
图5是说明贴合工序中的温度条件及压力条件的坐标图。
具体实施方式
使用附图，说明本发明的树脂基复合材料的制造方法的一实施方式。
图1是使用树脂基复合材料制作的直升飞机的旋翼翼梁的俯瞰图。旋翼翼梁10由通过纤维强化后的树脂板构成。通过纤维强化后的树脂板例如为玻璃纤维强化树脂、碳纤维强化树脂等。
使用图2至图5，说明本实施方式的树脂基复合材料的制造方法。
本实施方式的树脂基复合材料的制造方法包括预成型料层叠工序、半成形品形成工序、板厚计测工序、追加层数确定工序、及贴合工序。
(1)预成型料层叠工序(图2(a))
在夹具20的内侧，层叠由通过纤维强化后的树脂构成的预成型料30。夹具20由底面夹具21和侧面夹具22构成。侧面夹具22以围绕预成型料的周围的方式设置。夹具20与最终产品(例如图1的旋翼翼梁10)的表面形状相同。如图3所示，在底面夹具21与侧面夹具22的接触面上优选设置硅片23作为树脂泄漏防止材料。需要说明的是，树脂泄漏防止材料除了硅之外，也可以设为硬化性硅树脂、耐热油脂。
如图3所示，在侧面夹具22中的与预成型料30接触的面上可以设置剥离层24作为空气排出机构。需要说明的是，空气排出机构除了剥离层等织物之外，也可以是例如特氟纶(注册商标)涂层脱膜织物(coatedrelease fabric)、多孔状的膜等。
在底面夹具21的与预成型料30接触的面上，可以配置FEP(四氟化乙烯·六氟化丙烯共聚物树脂)膜作为脱模片25。此时，脱模片25可以 通过喷射浆糊等来固定。
预成型料30对应于夹具20的内侧的形状而适当切断，并配置·层叠在夹具20的内侧。
在本工序中，考虑在后工序中使用的追加层的数目及膜厚，以在半成形品形成工序中得到的半成形品的厚度t满足式(1)的方式确定各部位的预成型料的层叠张数。
t＝(T-d×n)/2…(1)
T：旋翼翼梁板厚设计值
d：追加层每一张的硬化后的膜厚
n：设定追加层数(n为1以上的整数)
对应于各部位要求的强度，以纤维成为规定的定向的方式将预成型料配置在夹具内。在图1的旋翼翼梁10的情况下，在位于两端部的安装部11中，在层叠有多张预成型料时，以相对于旋翼翼梁长度方向(图1的L方向)的各预成型料的纤维的定向方向成为0°、45°、90°的方式配置。各定向方向的预成型料的层叠顺序及层叠张数根据要求的强度而适当确定。在旋翼翼梁的轴部12中，以相对于长度方向L的纤维的定向方向主要成为0°的方式配置并层叠预成型料。
(2)半成形品形成工序(图2(b))
对层叠在夹具20内侧的预成型料30实施热压缩处理，对层间进行加热粘接。
在预成型料30上配置剥离层31及脱模片(FEP膜)32。脱模片32可以通过喷射浆糊等来固定。而且，在预成型料30上配置表面平滑的模具(压板)33。
如图2(b)所示，通过通气布34及薄膜袋(包装材料)35覆盖底面夹具21的上表面、侧面夹具22、及压板33。薄膜袋35通过密封胶带36而固定于底面夹具21。
图4表示说明半成形品形成工序中的热压缩处理时的温度条件及压力条件的坐标图。图4(a)表示预成型料的温度，图4(b)表示高压灭菌器内部的压力，图4(c)表示薄膜袋内部的压力。
通过设置在薄膜袋35与底面夹具21之间的脱气回路(未图示)，对 由薄膜袋35覆盖的区域内部进行排气。此时，薄膜袋内部的压力相对于大气压(101.325kPa)而成为-101.3kPa至-74.7kPa(即，0.025kPa至26.625kPa)左右的减压气氛(参照图4(c))。
将薄膜袋35内部被减压后的夹具20搬入高压灭菌器内。在薄膜袋35内部被减压的状态下，将高压灭菌器内部加压为588kPa至686kPa左右(参照图4(b))。
在高压灭菌器内部在上述压力下稳定之后，将高压灭菌器内部(预成型料)的温度从室温升温至树脂能够流动的温度区域(参照图4(a))。例如在作为树脂而使用了180℃硬化型环氧树脂的预成型料的情况下，升温为95℃至100℃。升温速度为3℃/分钟以下。通过将升温速度设为上述范围，能够确保预成型料整体的温度均匀性。需要说明的是，考虑到半成形品形成工序的所需时间时，升温速度优选设为1℃/分钟以上。
在达到了树脂的软化温度之后，将高压灭菌器内部以4小时以上且6小时以下的条件进行保持。在保持后，对高压灭菌器内部以降温速度3℃/分钟以下进行降温。需要说明的是，考虑到半成形品形成工序的所需时间时，降温速度优选设为1℃/分钟以上。在高压灭菌器内部达到60℃的时刻，将高压灭菌器内部敞开(即，形成为大气压)。在高压灭菌器内部的温度变得稳定或者成为50℃以下的时刻，将薄膜袋内部的压力设为大气压。
通过本工序，能得到利用加压·加热对预成型料进行了层间粘接的半成形品。
在本实施方式中，相对于1个树脂基复合材料产品，而制作出2个以上的半成形品。
在本实施方式中，通过在底面夹具与侧面夹具之间配置硅片，而在热压缩处理时，树脂不会向夹具外侧流出。通过在树脂能够流动的温度区域实施热压缩处理，而预成型料实现一体化且形状稳定。因此，在半成形品的时刻，能抑制相对于设计值的板厚的变动。
另外，在预成型料侧面设置剥离层，将薄膜袋内维持为真空而进行热压缩处理，因此将积存在层间的空气在处理时向外部排出，从而抑制层间的空气积存发生。
(3)板厚计测工序 
对半成形品的规定部位的板厚进行计测。板厚计测既可以使半成形品从夹具脱模后进行，也可以在设置于夹具内的状态下进行。
通过上述的预成型料层叠工序及半成形品形成工序而得到的半成形品的各部位的板厚相对于上式(1)而成为±5％左右的变动。
(4)追加层数确定工序
考虑在板厚计测工序中计测到的半成形品的各部位的板厚、树脂基复合材料产品的板厚设计值、及追加层的物性，确定追加层数(式(1)中的n)。即，在本工序中，必然选择1张以上的追加层数。
作为追加层的物性，存在有追加层的材质(例如，树脂的种类等)、在各种温度下硬化时的膜厚变动等。在本工序中，也可以预先对追加层的物性进行数据库化，对应于产品的规格而能够适当选择。
(5)贴合工序(图2(c)及图2(d))
如图2(c)所示，在与预成型料层叠工序中使用的夹具为相同形状的夹具41a内设置的1个半成形品40a的平坦面(半成形品形成工序中载置压片的面)上，层叠所确定的张数的追加层42。与预成型料层叠工序中使用的夹具为相同形状的夹具41b内设置的另一半成形品40b以平坦面进行接触的方式设置在追加层42上，从而形成层叠体43。
如图2(d)所示，在层叠体43的侧面上配置侧面夹具44。在层叠体43与侧面夹具44接触的面上优选设置剥离层45。
夹具41a的上表面、夹具41b、侧面夹具44由通气布46及薄膜袋47覆盖。薄膜袋47通过密封胶带48而固定于夹具41a。
图5是表示贴合工序中的加压加热处理的温度条件及压力条件的一例的坐标图。图5(a)表示层叠体的温度，图5(b)表示高压灭菌器内部的压力，图5(c)表示薄膜袋内部的压力。
通过设置在薄膜袋47与夹具41a之间的脱气回路(未图示)，对由薄膜袋47覆盖的区域内部进行排气。此时，薄膜袋内部的压力相对于大气压(101.325kPa)而成为-101.3kPa至-74.7kPa(即，0.025kPa至26.625kPa)左右的减压气氛(参照图5(c))。
将薄膜袋47内部被减压后的夹具搬入高压灭菌器内。在薄膜袋47 内部被减压的状态下，对高压灭菌器内部进行加压(参照图5(b))。
在将高压灭菌器内部加压成588kPa至686kPa左右而稳定之后，将高压灭菌器内部(层叠体)的温度从室温升温至树脂的硬化温度。例如在作为树脂而使用180℃硬化型环氧树脂的预成型料的情况下，升温成175℃至180℃。在图5(a)中，升温速度设定为2个阶段，在从室温到120℃为3℃/分钟以下，在从120℃到树脂硬化温度为0.5℃/分钟以下。通过设为这种升温条件，能够确保高效率的生产和产品的均质性。升温速度在到硬化温度之前可以恒定。在升温速度恒定时，可以设为0.5℃/分钟以下。需要说明的是，若考虑到贴合工序的所需时间，则升温速度优选设为0.25℃/分钟以上。
在到达了硬化温度之后，将高压灭菌器内部以2小时以上且2.5小时以下的条件进行保持。在保持之后，对高压灭菌器内部以降温速度3℃/分钟以下进行降温。需要说明的是，若考虑贴合工序的所需时间，则降温速度优选设为1℃/分钟以上。在高压灭菌器内部到达60℃的时刻，使高压灭菌器敞开而使内部成为大气压。而且，在高压灭菌器内部的温度变得稳定或成为50℃以下的时刻，将薄膜袋内部的压力设为大气压。
在将夹具从高压灭菌器搬出之后，将树脂基复合材料从夹具脱模。
在制造例如旋翼翼梁那样两端的安装部11相对于轴部12处于扭转关系的构件时，将硬化的半成形品与追加层层叠而进行高压灭菌处理，由于扭转部(例如旋翼翼梁的安装部)的半成形品与追加层的贴合面的形状的不一致，而在贴合面上容易生成空气积存处。而且，当扭转部存在时，在夹具与半成形品之间产生间隙，扭转部的加压可能变得不充分。由于这些原因，贴合面容易产生空气积存处，树脂基复合材料的强度会下降。在本工序中，如上述那样在层叠体的侧面配置剥离层而实施加压加热处理，因此贴合面的空气容易向外部排出。因此，能够抑制微小空隙的发生，从而提高树脂基复合材料的品质。
【符号说明】 
10旋翼翼梁
11安装部
12轴部
20、41a、41b 夹具
21 底面夹具
22、44 侧面夹具
23 硅片
24、31、45 剥离层
25、32 脱模片
30 预成型料
33 压板
34、46 通气布
35、47 薄膜袋(包装材料)
36、48 密封胶带
40a、40b 半成形品
42 追加层
43 层叠体

Claims (4)

1.一种树脂基复合材料的制造方法，包括：
预成型料层叠工序，其中，在规定形状的夹具上，将由通过纤维强化后的树脂构成的预成型料层叠至规定的厚度；
半成形品形成工序，其中，利用包装材料将所述层叠后的预成型料和所述夹具覆盖，对所述包装材料进行加压并以所述树脂能够流动的温度进行加热处理，形成第一半成形品和第二半成形品；
板厚计测工序，其中，计测所述第一半成形品及所述第二半成形品的板厚；
追加层数确定工序，其中，基于所述计测出的板厚、树脂基复合材料的所期望的板厚、追加层的物性，来确定该追加层的数目；
贴合工序，其中，在设置于所述规定形状的夹具上的所述第一半成形品与所述第二半成形品之间，形成层叠了所述确定出的数目的追加层的层叠体，利用包装材料将所述层叠体和所述夹具覆盖，对该包装材料进行加压并以所述树脂硬化的温度进行加热处理。
2.根据权利要求1所述的树脂基复合材料的制造方法，其中，
所述夹具由底面夹具和侧面夹具构成，在所述底面夹具与所述侧面夹具的接触面上设有树脂泄漏防止材料。
3.根据权利要求1或2所述的树脂基复合材料的制造方法，其中，
在所述半成形品形成工序及所述贴合工序的至少一方中，将所述包装材料内部维持成减压气氛而进行加热处理。
4.根据权利要求3所述的树脂基复合材料的制造方法，其中，
在所述层叠后的预成型料或所述层叠体的截面上设有空气排出机构。
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