CN103144309A

CN103144309A - 多墙体复合材料构件的vimp制备方法

Info

Publication number: CN103144309A
Application number: CN2013100653893A
Authority: CN
Inventors: 肖加余; 尹昌平; 蒋彩; 江大志; 邢素丽
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: CN103144309B

Abstract

本发明公开了一种多墙体复合材料构件的VIMP制备方法，包括以下步骤：（1）准备预成型体：设计并制备成型用模具件，在其侧面铺覆增强材料，得预成型体；（2）组装VIMP成型系统：在预成型体上包覆脱模布并构建真空导流介质系统，将其置放于刚性平面模上，在刚性平面模外围包覆真空袋膜形成模腔，设置好注胶系统和抽真空系统，得VIMP成型系统；（3）真空注胶：检查VIMP成型系统的气密性并向其模腔中注入树脂体系；（4）共固化成型：按预设的固化制度进行共固化成型；（5）后续处理：对成型后的固化体进行一次修整、脱模和二次修整，得多墙体复合材料构件。本发明的方法制备工序少、成本低、制品整体化程度和工艺效率都很高。

Description

多墙体复合材料构件的VIMP制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料构件的制备方法，尤其涉及一种多墙体复合材料结构件的制备方法。

背景技术

装备结构轻量化，可以提高装备的机动能力，降低动力所需能耗，增加有效载荷容量，提高其服役效率。装备结构轻量化的技术途径主要有三个：一是优化结构设计，以最小尺寸、最合理形状满足服役条件要求，达到减重目的；二是合理选用高性能材料，以使用最少量的材料，达到减重目的；三是采用整体制备工艺制备结构件，以减少零部件、连接件数量，同时提高结构件的整体性和可靠性，达到减重目的。

复合材料具有优异的综合性能，用来成型装备结构不仅能很好地满足结构的功能需求，还能有效达到轻量化目标。在交通运输装备中，已成功制备出了复合材料车头盖、车门、窗框等列车部件，并通过了应用性能考核，初步实现了轨道交通车辆车体的复合材料化，而作为主承力件的顶盖和牵引梁仍广泛使用铝合金等材料，不利于结构轻量化，因此有必要实现该类构件的复合材料化。

列车顶盖和牵引梁等诸如此类的装备结构件具有大尺寸、多墙体的结构特点（其结构可参见图1），此类构件不仅构型复杂，同时由于承载不同，多墙体复合材料构件中的各墙面长度、厚度一般不同。如果采用复合材料来进行制备，会导致多墙体构件各墙面的浸渍速度、时间和固化速度各不相同，且由于各墙面之间互有交错，传统浸渍方法难免会在墙角等处出现干斑、孔隙等浸渍不完全的现象，整体制备成型难度大。如果采用分型制备、整体胶结的方法来制备此类多墙体结构复合材料构件（如图2所示），由于复合材料中纤维的不连续性及胶结面的影响，不利于结构整体承载特点的发挥，力学性能较差。

VIMP工艺的工艺原理如图3所示，它是采用干法铺层把增强材料预成型体2先铺放到涂覆有脱模剂28的刚性平面模1上，然后在增强材料预成型体2上依次铺设脱模布27、导流布26和吸胶毡25，再用真空袋膜21和密封胶带29密封，设置好注胶系统和抽真空系统，利用真空泵23实施抽真空，树脂收集器24用于收集溢出的树脂胶液，树脂桶22中预先配制的树脂体系因真空负压而被灌注到刚性平面模1与真空袋膜21形成的模腔中成型制品。与手糊工艺等传统开模成型工艺制品相比，VIMP工艺模具制备简单，制品力学性能好、孔隙率低、纤维体积分数高，且为闭模成型，挥发分少，已成为先进复合材料低成本制造技术的主要发展方向之一。

然而，现有的VIMP工艺用于多墙体复合材料构件的成型还存在很多技术上的困难，在模具设计、纤维铺层、纤维浸渍、脱模上具有很大的技术难题，从而难以实现该类多墙体复合材料构件的一次整体成型。因此，如何将VIMP工艺更好地应用于多墙体复合材料构件的成型，这对于本领域技术人员而言将具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种制备工序少、成本低、制品整体化程度高、工艺效率高的多墙体复合材料构件的VIMP制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种多墙体复合材料构件的VIMP制备方法，包括以下步骤：

（1）准备预成型体：根据多墙体复合材料构件的形状设计并制备成型用模具件，然后按照铺层设计方案在所述成型用模具件的侧面铺覆增强材料，使所述成型用模具件的顶面和底面外露，得到预成型体；

（2）组装VIMP成型系统：将所述预成型体用一脱模布进行完全包覆，然后在所述脱模布上构建一真空导流介质系统，并置放于一刚性平面模上，再在所述刚性平面模外围包覆真空袋膜形成一模腔，使所述预成型体位于模腔中，设置好注胶口和抽气口，使所述注胶口、抽气口分别连接VIMP工艺用注胶系统和抽真空系统，得到VIMP成型系统；

（3）真空注胶：检查所述VIMP成型系统的气密性后，准备树脂体系，通过抽真空方式向VIMP成型系统的模腔中注入所述树脂体系，直至树脂充填完毕，停止注入；

（4）共固化成型：卸除所述注胶系统和抽真空系统，然后按照预设的固化制度进行共固化成型；

（5）后续处理：成型后先将所述真空袋膜、真空导流介质系统和刚性平面模全部卸除，对成型后的固化体进行一次修整使模具件的顶面和底面外露，再经过脱模和二次修整，得到多墙体复合材料构件。

上述的VIMP制备方法中，优选的，所述成型用模具件为三个直三棱柱状的模具件，所述模具件通过模具固定杆互相固定组装成长方体状的模具，所述模具内有一“V”形槽状模腔。所述“V”形槽状模腔包含有交棱端和外棱端，所述注胶口设于模具底面的交棱端处，所述抽气口设于模具顶面的外棱端处。

上述的VIMP制备方法中，优选的，所述步骤（5）中的脱模包括以下步骤：通过紧固件在所述模具件底面或顶面的预留孔处固接一模具连接板，然后在所述模具连接板的一侧连接一牵引杆，通过所述牵引杆将所述模具件取出。

上述的VIMP制备方法中，优选的，所述共固化成型时的固化制度为先在30℃～70℃下保温固化2h～4h，再在80℃～120℃下保温固化2h～4h。

本发明上述优选的技术方案中，对模具的形状及结构组成作了特别优化的设计，但模具件的数量、形状等并不局限于上述优选的技术方案。模具和模具件的形状可根据具体实践中多墙体复合材料构件的结构进行设计。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供了一种多墙体复合材料构件的VIMP制备方法，将模具设计与VIMP工艺结合起来，解决了此类复合材料构件的一次化整体成型问题，使得VIMP这种先进的复合材料成型工艺可以有效应用到多墙体复合材料构件的制备过程中。本发明的制备方法需要的模具数量少，具有制备工序少、成本低、制品整体化程度高、可靠性好等优点。另外，本发明可依据不同的服役条件要求对模具及预成型体进行差别化设计，产品可设计性好，有利于提高不同类型结构件的刚度及服役效率。

附图说明

图1为本发明实施例中多墙体复合材料构件的结构示意图（空间立体图）。

图2为多墙体复合材料构件采用分型制备、整体胶结方法的工艺原理图。

图3为现有VIMP工艺的工艺原理图。

图4为本发明实施例中VIMP制备方法的工艺流程图。

图5为本发明实施例中模具的结构示意图。

图6为本发明实施例中单个模具件在铺覆第一增强材料时的示意图。

图7为本发明实施例中单个模具件在铺覆第一增强材料时的示意图。

图8为本发明实施例中单个模具件在铺覆第一增强材料时的示意图。

图9为本发明实施例中的铺覆有第一增强材料的模具件固定后的示意图。

图10为本发明实施例中铺覆了第二增强材料后预成型体的结构示意图。

图11为本发明实施例中的VIMP封装示意图。

图12为图11中A-A处的剖视图。

图13为本发明实施例中准备脱除模具前的状态示意图。

图14为本发明实施例中脱除模具时的状态示意图。

图例说明：

1、刚性平面模；11、多墙体复合材料构件；12、内墙体；13、外墙体；2、增强材料预成型体；21、真空袋膜；22、树脂桶；23、真空泵；24、树脂收集器；25、吸胶毡；26、导流布；27、脱模布；28、脱模剂；29、密封胶带；3、模具；31、第一增强材料；32、第二增强材料；33、模具螺栓孔；34、模具件；35、模具固定杆；36、模具紧固螺栓；41、“V”形槽状模腔；42、交棱端；43、外棱端；44、注胶口；45、抽气口；51、底座；52、支撑框架；53、限位隔板；54、模具连接板；55、牵引杆。

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描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

一种本发明的多墙体复合材料构件的VIMP制备方法，其工艺流程如图4所示，本实施例采用该VIMP制备方法制备了一种如图1所示的多墙体复合材料构件11，该多墙体复合材料构件11主要用作某型号列车的牵引梁。

本实施例的多墙体复合材料构件的VIMP制备方法具体包括以下步骤：

（1）准备预成型体：

根据如图1所示的多墙体复合材料构件11的形状设计并制备成型用模具件，如图5～图9所示，本实施例中的成型用模具件包括三个的直三棱柱状的模具件34，各模具件34的底面（或顶面）设有模具螺栓孔33，三个模具件34可通过模具固定杆35互相固定组装成长方体状的模具3，各个模具件34之间留出间隔，模具3内有一“V”形槽状模腔41。该“V”形槽状模腔41设有交棱端42和外棱端43，交棱端42处的附近可设置注胶口44，外棱端43处的附近可设置抽气口45。

如图6～图8所示，按照铺层设计方案分别在各模具件34侧面铺覆第一增强材料31（本实施例为购自江苏丹阳中亚玻璃纤维有限公司的无碱玻璃纤维04平纹布），使各模具件34的顶面和底面外露，如图1、6、7、8所示，设无碱玻璃纤维04平纹布单层厚度为h₁，内墙体12的厚度为n（本实施例为8mm），外墙体13的厚度为m（本实施例为12mm），则在各模具件34上分别铺覆n/2h₁层（本实施例为10层）；然后将铺覆有第一增强材料31的各模具件34通过模具固定杆35互相固定组装成长方体状，如图9所示，并在长方体状的模具3的侧面外围继续铺覆第二增强材料32（本实施例为购自江苏丹阳中亚玻璃纤维有限公司的高强玻璃纤维04平纹布），仍然使各模具件34的顶面和底面外露，设高强玻璃纤维02平纹布单层厚度为h₂，第二增强材料32的铺覆层数为(m-n/2)/h₂层（本实施例为20层），铺覆完成后得到如图10所示的预成型体。本实施例中第二增强材料32与第一增强材料31的主要区别在于：①第一增强材料31是铺覆缠绕在单个模具件34外围，而第二增强材料32是铺覆缠绕在模具件34组合体的外围；②第二增强材料32是完全归属于外墙体13的增强材料，而第一增强材料31是同时归属于内墙体12和外墙体13的增强材料。

（2）组装VIMP成型系统：

在得到上述预成型体后，如图11、12所示，用一脱模布27完全包覆该预成型体，然后在脱模布27上依次铺设导流布26和吸胶毡25等导流介质材料以形成真空导流介质系统，并置放于表面涂覆有脱模剂28的刚性平面模1上，再在刚性平面模1外围包覆真空袋膜21形成一模腔，使预成型体位于模腔中，通过密封胶带29沿刚性平面模1的边缘对真空袋膜21进行固定，设置好注胶口44和抽气口45，使注胶口44、抽气口45分别连接VIMP工艺用注胶系统和抽真空系统，注胶系统包括通过吸胶管路连接于注胶口44处的树脂桶22，抽真空系统包括通过溢胶管路连接于抽气口处的树脂收集器24和与该树脂收集器24相连接的真空泵23，得到VIMP成型系统。

（3）真空注胶：

开启真空泵23抽真空，检测VIMP成型系统的气密性，准备Synolite 9001-I-1不饱和聚酯树脂（购自金陵帝斯曼公司）、Synolite 5002-M-2促进剂（购自金陵帝斯曼公司）和M50引发剂（购自金陵帝斯曼公司），调节注胶系统中的计量设备，使得注胶过程中Synolite 9001-I-1不饱和聚酯树脂、Synolite 5002-M-2促进剂和M50引发剂的质量比为100∶1.1∶1.3，混合均匀后得到树脂胶液；开启真空泵23对VIMP成型系统进行抽真空处理，并保持VIMP成型系统模腔的真空度达到0.095MPa以上；同时开启注胶系统，将配制的树脂胶液注射到VIMP成型系统中，当抽气口45处有树脂胶液溢出时，停止注射；关闭抽真空系统，停止抽真空。

（4）共固化成型：

卸除注胶系统和抽真空系统，将模具系统放入烘箱中，按照预设的固化制度进行共固化成型；本实施例共固化成型的固化制度是指：按照40℃的固化温度先保温固化2h，再按照80℃的固化温度保温固化2h。

（5）后续处理：

共固化成型完成后，先将真空袋膜21、真空导流介质系统和刚性平面模1全部卸除，然后对成型后的固化体进行一次修整，使各模具件34的顶面和底面外露；再进行脱模操作，包括以下步骤：如图13所示，将包含模具3的多墙体复合材料构件11置于底座51上，在底座51上固定一对三角形支撑框架52，在支撑框架52一侧设置一块限位隔板53，并使多墙体复合材料构件11位于限位隔板53的另一侧，限位隔板53中间开有可供模具3穿过的矩形孔；然后如图14所示，通过模具紧固螺栓36在模具3底面（或顶面）的模具螺栓孔33处固接一模具连接板54，模具连接板54小于限位隔板53中间开设的矩形孔，在模具连接板54的一侧连接一牵引杆55，通过牵引杆55将模具系统中的模具3取出；最后经二次修整得到多墙体复合材料构件11。

如图1所示，本实施例制备的多墙体复合材料构件11主要由内墙组件和外墙组件组成，外墙组件为一长方体管状结构，内墙组件为一“V”形槽状的肋形抗剪结构。内墙组件和外墙组件均为多层纤维布增强复合材料，多层纤维布增强复合材料的基体材料可以选用不饱和聚酯树脂体系或环氧树脂体系（本实施例选用9001不饱和聚酯树脂），纤维布可以选用碳纤维布或玻璃纤维布（本实施例选用无碱玻璃纤维04平纹布），纤维布的体积分数为45%；内墙组件的各内墙体12之间、外墙组件的各外墙体13之间以及内墙组件和外墙组件之间均未设置连接件，内墙组件的各内墙体12之间、外墙组件的各外墙体13之间以及内墙组件和外墙组件之间均未设置胶结面。内墙体12的厚度为8mm，外墙体13的厚度为12mm，内墙体12与外墙体13的厚度比为1∶1.5。

实施例2：

一种本发明的多墙体复合材料构件的VIMP制备方法，其工艺流程如图4所示，本实施例采用该VIMP制备方法制备了一种如图1所示的多墙体复合材料构件11，该多墙体复合材料构件11主要用作某型号的列车顶盖。

本实施例的多墙体复合材料构件的VIMP制备方法包括以下步骤：

1. 本实施例的步骤（1）与实施例1的步骤（1）基本相同，其区别主要在于：选用的第一增强材料为购自江苏丹阳中亚玻璃纤维有限公司的无碱玻璃纤维04斜纹布，选用的第二增强材料为购自江苏丹阳中亚玻璃纤维有限公司的无碱玻璃纤维02平纹布，且第二增强材料32的铺覆层数为10层；

2. 本实施例的步骤（2）与实施例1的步骤（2）相同；

3. 本实施例的步骤（3）与实施例1的步骤（3）基本相同，其区别主要在于：选用的树脂体系为LT-5089A环氧树脂（购自惠利树脂有限公司）和LT-5089B固化剂（购自惠利树脂有限公司），注胶过程中LT-5089A环氧树脂和LT-5089B固化剂的质量比为100∶30；

4. 本实施例的步骤（4）与实施例1的步骤（4）基本相同，其区别主要在于：本实施例的固化制度是指先在60℃下保温固化2h，再在100℃温度下保温固化2h；

5. 本实施例的步骤（5）与实施例1的步骤（5）相同。

如图1所示，本实施例制备的多墙体复合材料构件11，该多墙体复合材料构件11主要用作某型号的列车顶盖，多墙体复合材料构件11主要由内墙组件和外墙组件组成，外墙组件为一长方体管状结构，内墙组件为一“V”形槽状的肋形抗剪结构。内墙组件和外墙组件均为多层纤维布增强复合材料，多层纤维布增强复合材料的基体材料可以为不饱和聚酯树脂体系或环氧树脂体系（本实施例选用LT-5089A环氧树脂），纤维布可以选用碳纤维布或玻璃纤维布（本实施例选用无碱玻璃纤维04斜纹布和无碱玻璃纤维02平纹布），纤维布的体积分数为45%；内墙组件的各内墙体12之间、外墙组件的各外墙体13之间以及内墙组件和外墙组件之间均未设置连接件，内墙组件的各内墙体12之间、外墙组件的各外墙体13之间以及内墙组件和外墙组件之间均未设置胶结面。内墙体12的厚度为8mm，外墙体13的厚度为8mm，内墙体12与外墙体13的厚度比为1∶1。

本发明的产品和制备工艺完全适合于列车车顶盖和牵引梁等各种复杂截面结构件的整体成型。在具体应用中，可根据实践需要调整模具形状、预成型体构型、增强材料和树脂体系。以上实施例制备的多墙体复合材料构件整体性好，结构刚度高，可广泛应用于诸如轨道交通车辆顶盖、牵引梁以及飞机翼盒等大型减重装备中，实现多墙体复合材料构件的高效率、高质量和低成本成型。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种多墙体复合材料构件的VIMP制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多墙体复合材料构件的VIMP制备方法，其特征在于，所述成型用模具件为三个直三棱柱状的模具件，所述模具件通过模具固定杆互相固定组装成长方体状的模具，所述模具内有一“V”形槽状模腔。

3.根据权利要求2所述的多墙体复合材料构件的VIMP制备方法，其特征在于，所述“V”形槽状模腔包含有交棱端和外棱端，所述注胶口设于模具底面的交棱端处，所述抽气口设于模具顶面的外棱端处。

4.根据权利要求1所述的多墙体复合材料构件的VIMP制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中的脱模包括以下步骤：通过紧固件在所述模具件底面或顶面的预留孔处固接一模具连接板，然后在所述模具连接板的一侧连接一牵引杆，通过所述牵引杆将所述模具件取出。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的多墙体复合材料构件的VIMP制备方法，其特征在于，所述共固化成型时的固化制度为先在30℃～70℃下保温固化2h～4h，再在80℃～120℃下保温固化2h～4h。