CN103182784A - 一种碳纤维复合材料结构件真空灌注成型方法 - Google Patents

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薛忠民
贾智源
宋秋香
牟书香
陈淳
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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料结构件真空灌注成型方法,采用真空灌注成型技术制作大尺寸碳纤维复合材料风电叶片结构件;将导流网用透明双面胶带粘接固定在模具上,防止导流网变形使碳纤维织物变形,保证碳纤维布取向一致,以便获得具有较高力学性能的复合材料结构件;树脂混合液和碳纤维预成型体先进行预热,保证树脂混合液在低粘度状态下快速灌注;用单向透气膜密封碳纤维预成型体的上表面形成表面透气通道,在真空状态下,树脂混合液由下向上表面渗透,充填饱满,完成真空灌注成型;该方法适用于热熔线定形的不同面密度的碳纤维织物,与碳纤维预浸料成型工艺相比具有材料可用期长、工艺稳定性高和产品成本低的优势,利于推广应用。

Description

一种碳纤维复合材料结构件真空灌注成型方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种复合材料结构件的真空灌注成型方法,尤其是指大尺寸厚制件碳纤维复合材料结构件真空灌注成型方法;属复合材料成型技术领域。
背景技术
[0002] 碳纤维增强环氧树脂基复合材料具有比强度、比模量高,密度小,结构尺寸稳定,耐腐蚀,抗疲劳,耐热、耐低温以及材料性能可设计等优点,既可以作为结构材料承载重荷又可以作为功能材料发挥作用,已广泛应用于航空航天、交通运输、风电叶片制造、化工防腐、建筑工程和体育器材等领域。
[0003] 近年来风电叶片大型化的发展趋势,用轻质、高强的高性能复合材料制备大型风电叶片越来越受到行业的关注。
[0004] 现有技术中,大型风电叶片多采用真空灌注成型工艺;真空灌注成型工艺是一种低成本复合材料大型制件成型技术,是在真空状态下排除纤维增强体中的气体,通过树脂的流动、渗透,实现对纤维及其织物的浸溃,并在一定的加热条件下进行固化,形成一定纤维/树脂比例的复合材料的工艺方法。
[0005] 现有已成熟的真空灌注成型工艺通常是用玻璃纤维作增强材料,与树脂基材料复合制备复合材料结构件;该结构件在制造更大的风电叶片时,会发生叶尖易变形撞击塔架、转动频率与固有频率接近共振、摆振方向易疲劳、叶片自重过大等问题,影响了大型风电叶片的正常使用,充分暴露了玻璃纤维的质量重、模量低、疲劳性能差等缺陷。
[0006]为此,近年来已经开始用碳纤维替代玻璃纤维制备风电叶片复合材料结构件,其中,主要采用的方法为预浸料成型方法;用该方法,其树脂体系使用寿命短,材料的储存和运输均需要低温环境,需要特殊的冷冻设备,这使得碳纤维原料的储存和运输成本提高。另夕卜,相对于玻璃纤维复合材料的真空灌注成型工艺,碳纤维复合材料的真空灌注成型工艺对所用树脂、碳纤维织物以及工艺的可靠性和稳定性均提出了较高的要求,这是因为碳纤维比玻璃纤维更细,碳纤维单丝直径约是玻璃纤维单丝直径的1/3,其表面积更大,在真空压实后碳纤维预成型体内空隙远小于玻璃纤维体,碳纤维表面呈化学惰性,用常规树脂很难被有效浸溃,需要更长的灌注时间才能浸溃完全,且碳纤维复合材料的性能对工艺更加敏感;对于同样的碳纤维原纱,通常采用预浸料成型获得的材料力学性能要高于真空灌注成型,这是因为预浸料中的纤维经过预牵伸,纤维取向一致性高,而碳纤维织物通常结构松散易变形,这会导致同样刚度的制件使用真空灌注成型时需要更多的原材料,而丧失原有的工艺成本优势;因此,限制了低成本的碳纤维复合材料真空灌注成型技术在大型风电叶片制造中的应用。
发明内容
[0007] 为了解决现有技术中存在的缺陷,本发明的目的是提供一种能够降低储存和运输成本、降低成型时间并可提高其材料力学性能的碳纤维复合材料结构件真空灌注成型方法。
[0008] 为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案;一种碳纤维复合材料结构件的真空灌注成型方法,包括预制模具的步骤,该模具的周边设有至少I个真空孔;它还包括步骤如下:
1)在所述模具表面上由下至上依次铺设透明双面胶带、底部导流网和下脱模布;所述底部导流网通过透明双面胶带与所述模具固定相接;
2)在步骤I)下脱模布的上表面铺设有多层碳纤维布,形成一厚度为2〜IOOmm的碳纤维预成型体;再在其上铺覆上脱膜布,上、下脱模布将整个碳纤维预成型体外周包严;
3)在步骤2)碳纤维预成型体的宽向两侧边紧贴有与该碳纤维预成型体侧边形状吻合的贴边;
4)在步骤3)碳纤维预成型体一侧边外侧的底部导流网上放置有与所述贴边长向平行的注胶管,用单向透气膜将所述碳纤维预成型体、两侧贴边和注胶管一起包住,再将该单向透气膜的周边与所述模具表面粘接密封,留出所述注胶管的进胶口端;其中,单向透气膜与模具粘接处位于所述模具真空口的内侧,在所述进胶口端装有阀门;
5)在步骤4)单向透气膜的上表面铺覆有顶部导流网;在顶部导流网外侧再铺设一真空袋膜;该真空袋膜将顶部导流网和所述单向透气膜包覆的物体包严,再将真空袋膜的袋口周边与所述模具表面粘接密封,留出所述进胶口端;其中,真空袋膜袋口周边与模具的粘接处位于所述模具真空口的外侧;所述顶部导流网与该模具真空口连通;
6)用管路将所述模具真空口与外设的真空泵相接;同时将所述灌注的树脂和相应的固化剂分别预热至40-80°C,达到预热温度后将树脂和固化剂胶液混合均匀形成树脂混合液;在开始铺放前即启动所述模具的加热装置,将模具加温至40〜80°C ;在铺放过程中,所述碳纤维预成型体随其模具预热,3〜5h小时后达到预热温度后保温,然后将所述真空袋膜内腔抽成真空状,达到负压状态;
7)打开步骤4)所述管口上的阀门,由其向该真空袋膜内腔灌注加热后的树脂混合液;树脂混合液在底部导流网上分散,并在负压作用下,由下至上浸透于所述碳纤维预成型体,直到碳纤维预成型体周边的单向透气膜表面色变均匀或真空袋膜内碳纤维预成型体的硬度下降后停止灌注并关闭所述阀门;成型为碳纤维复合材料结构胚体;
8)启动模具加热装置,将模具加温至85〜120°C,所述碳纤维复合材料结构胚体固化3-8h后停止加热;自然冷却至40°C后脱模,成型为所述碳纤维复合材料结构件。
[0009] 上述步骤I)中透明双面胶带的宽度窄于底部导流网的宽度,其厚度小于0.2mm。
[0010] 上述步骤2)中碳纤维布选用热熔线定形的碳纤维织物;下脱模布和上脱模布的大小均以盖住模具表面或盖住所述的碳纤维预成型体为准。
[0011] 上述步骤3)所用贴边的侧面形状与所述的碳纤维预成型体两侧面的形状吻合,其宽度为5mm〜40mm ;所述贴边的材质可以选用轻木、聚氯乙烯板材、异型材、玻璃钢方管、玻璃钢板材或金属块中任一种。
[0012] 上述底部导流网、顶部导流网的形状对应,均与上述的碳纤维预成型体形状配合设置;该底部导流网和顶部导流网的厚度相同,均为0.5_〜4_ ;其中的底部导流网或顶部导流网各至少铺设I层,也可以铺设2层。
[0013] 上述步骤4)所用的注胶管为尼龙管或聚氯乙烯异型管,其长度随形于所述贴边的长度;该注胶管的横截面为圆弧型、三角形或Q型中任一种。
[0014] 其中,所用的注胶管为整根或分段,分段至少分2段,段与段之间连接有三通,三通的垂直端为进胶口 ;所述注胶管留在所述单向透气膜外侧的进胶口至少设I个,每个进胶口上均安装有阀门。
[0015] 上述步骤7)中的树脂混合液,预热温度为40〜80°C ;树脂混合液的初始灌注粘度低于IOOMPa.s ;
上述的单向透气膜周边和真空袋膜的袋口周边与所述模具之间均用密封胶带粘接。
[0016] 该树脂混合液为树脂、固化剂与促进剂以100:20〜110:0〜2.0的质量配比均匀混合而成;其中树脂可选用环氧树脂或改性环氧树脂中任一种。
[0017] 真空袋膜中的负压根据平原和高原地区的不同,在-0.098〜-0.08 MPa范围之间设定。
[0018] 由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果如下:1)碳纤维复合材料结构件采用真空灌注成型,通过碳纤维预成型体所用碳纤维布材质的改进;同时对所用的树脂混合液和碳纤维预成型体预热,使其具有较低的粘度和良好的碳纤维浸润能力,因而灌注时间与同厚度玻璃纤维布灌注制件相当,不会增加额外的工艺时间;提高了纤维取向的一致性,其制备的碳纤维复合材料结构件的力学性能可达到用预浸料成型方法制备结构件的力学性能。2)采用透明双面胶将底部导流网固定粘接于模具上,使其底部导流网不会随意窜动,也使其上铺覆的多层碳纤维布的纤维取向固定,再在真空袋膜中负压的作用下,灌注的树脂混合液可通过底部导流网分散开,迅速由下至上浸透整个碳纤维预成型体;纤维取向的一致性提高后,提高了树脂混合液浸透速度,克服了用现有的常规真空灌注技术替换碳纤维预浸料成型方法制备等刚度制件时增加材料用量和占模时间长的弊端,降低了原料成本,制出的产品质地均匀,适应大规模连续化生产。3)采用真空灌注的方式,树脂混合液通过注胶管注入,不会出现多余浪费和污染,制作成本较低;另外真空灌注工艺不像预浸料工艺那样要求苛刻的工艺温度控制,相对宽的工艺窗口更容易获得质量稳定的低孔隙率制件,大大提高了产品的稳定性。4)在碳纤维预成型体的宽向两侧紧贴设有与之形状吻合的贴边,产品固化成型脱模后,该贴边处不用二次加工,省去了后加工工序,提高了加工效率。
5)采用本发明的真空灌注成型方法,能够实现大尺寸厚制件碳纤维风电叶片结构件的真空灌注成型,适用热熔线定形的不同面密度的碳纤维织物,灌注后纤维体积含量可以控制在65%以内,最大厚度可达100mm。与碳纤维预浸料成型工艺相比该成型方法具有材料可使用期长、工艺稳定性高和产品成本低的优势,有利于推广应用。
附图说明
[0019]图1为碳纤维复合材料结构件真空灌注成型工艺的导流示意图。
[0020] 图2为注胶管分段加设三通的结构连接示意图。
具体实施方式
[0021] 本发明为一种碳纤维复合材料结构件真空灌注成型方法。用于成型大尺寸风电叶片用的碳纤维复合材料结构件;包括用常规方式预制模具的步骤,该模具的周边设有至少I个真空孔;它还包括步骤如下: I)在预制模具的表面上,由下至上依次铺覆透明双面胶带、底部导流网和下脱膜布;其中,底部导流网的整个区域通过透明双面胶带与所述模具表面粘接固定;该透明双面胶带的览度小于底部导流网的览度,其厚度小于0.2mm。
[0022] 2)在步骤I)下脱模布的表面上,平铺叠放有多层碳纤维布,形成厚度为2〜IOOmm的碳纤维预成型体;再在其上铺覆上脱膜布,上、下脱模布将整个碳纤维预成型体外周包严;
3)在步骤2)形成的碳纤维预成型体的宽向两侧边紧贴有与该碳纤维预成型体侧边形状吻合的贴边;其贴边宽度为5mm〜40mm ;
4)在步骤3)碳纤维预成型体一侧的底部导流网上安放与贴边平行的注胶管;再用单向透气膜将所述碳纤维预成型体、两侧贴边和注胶管一起包覆,用密封胶带将该单向透气膜的周边与模具表面密封粘接,留出所述注胶管的进胶口,在该进胶口上装有阀门;该单向透气膜与模具粘接处位于模具真空口的内侧;
5)在步骤4)的单向透气膜的上表面铺覆有顶部导流网;在顶部导流网外侧铺设一真空袋膜;将单向透气膜和顶部导流网包严在内;用密封胶带将该真空袋膜的袋口周边与模具表面粘接密封,留出所述注胶管的进胶口 ;该真空袋膜袋口周边与模具相接处位于模具真空口的外侧,将模具真空口夹在单向透气膜与真空袋膜袋口之间的空隙处;顶部导流网与该模具一侧真空口连通;
6)将树脂和固化剂分别预热至40〜80°C,同时启动模具的加热装置,将模具加热至40〜80°C,碳纤维预成型体随其模具预热,3〜5h后碳纤维预成型体达到预热温度后保温;将预热好的树脂、固化剂和促进剂按照质量配比混合均匀后形成树脂混合液;
7)由步骤5)的模具真空孔通过管路与外设的真空泵连接,将真空袋膜内腔抽成真空状,达到负压状态后,打开步骤4)的进胶口上的阀门,由其向该真空袋膜内腔灌注步骤6)预热后的树脂混合液,树脂混合液迅速分布于底部导流网上,并在负压状态下由下至上浸透于所述碳纤维预成型体;直到碳纤维预成型体周边的单向透气膜表面色变均匀或真空袋膜内碳纤维预成型体的硬度全部下降后停止灌注并关闭所述注胶管阀门;成型为碳纤维预成型胚体,再将模具加温至85〜120°C,将碳纤维预成型胚件加热固化,3〜8h后停止加
执.8)碳纤维预成型胚体自然冷却至40°C后脱模,成型为所述碳纤维复合材料结构件。
[0023] 上述步骤2)中所用的碳纤维布为热熔线定形的碳纤维织物,铺设厚度为2mm〜IOOmm ;所用的下脱模布和上脱模布,其大小以盖住碳纤维预成型体为准;
上述步骤3)中的贴边为与模具一体预制的挡胶边,若模具没有挡胶边,可采用轻木,其形状随形于紧贴的碳纤维预成型体侧边形状,贴边宽度为5_〜40_ ;除此之外,还可以采用其它适用真空灌注的物体;如聚氯乙烯板或异形体、金属板材、玻璃钢板材等做挡胶用的贴边,要求所用贴边要紧靠碳纤维预成型体的长向两边,底部与模具的上脱模布充分接触,制件脱模后可免去成型后的切割环节,节约材料用量和人工成本。
[0024] 上述所用的底部导流网、顶部导流网的形状对应,与中部夹设的碳纤维预成型体形状配合设置;该底部导流网和顶部导流网铺设的厚度相同,形状对应;底部导流网和顶部导流网各至少铺设I层,也可各铺设2层,要求所用导流网的整体厚度范围为0.5mm〜4mm,可耐80〜140 °C高温不变形。[0025] 上述步骤4)中所用的注胶管为尼龙管或聚氯乙烯异型材,该注胶管的横截面为圆弧型、三角形、Q型,其长度随形于所述贴边的长度;该注胶管可用整根,也可分段,分段至少为2段,最佳分为3段;每2段之间通过一个三通相接,三通的垂直口与进胶口连接;3段中用2个三通相接,2个三通的垂直口各连接有I个进胶口,每个进胶口上都装有阀门。
[0026] 上述步骤7)中的树脂混合液的预热温度为40〜80°C,灌注粘度低于IOOMPa.s ;真空袋膜内腔的压力为负压;在单向透气膜周边和真空袋膜的袋口周边与模具粘接密封处均采用风电叶片专用密封胶带。
[0027] 上述的树脂混合液为树脂、固化剂和促进剂以质量配比100:20〜90:0〜2.0的比例均匀混合而成;其中树脂选用环氧树脂或改性环氧树脂。
[0028] 上述的负压范围在-0.098MPa〜-0.08 MPa之间,东部平原地区要求负压为-0.09MPa以下,西部高原山区负压为-0.08 MPa以下,分别为所在地区能达到的真空极限。
[0029] 本发明的制备原理为:
本发明所使用的碳纤维布,是指用特殊的热熔线定形的碳纤维织物。此碳纤维单轴向织物在垂直于纤维方向上不易变形,织物结构紧凑,抽真空时表面不易出现褶皱,无需借助压板即可获得平整表面。按照工艺要求铺放碳纤维织物时,为了提高织物的纤维取向一致性,要保证每一层碳纤维织物的平整度,不能出现人为褶皱。每层碳纤维织物均为等宽等厚的长方形,根据碳纤维复合材料制件的铺层要求将设定尺寸的多层此碳纤维织物堆积在一起形成碳纤维预成型体,该碳纤维预成型体的形状根据产品需要而定,可以是长方形、圆形、椭圆形、三角形、梯形以及异形等多种形状。
[0030] 在底部导流网的长边边缘放置有注胶管,该注胶管可以选用市售的尼龙注胶管或聚氯乙烯异型材注胶管,该注胶管的横截面为圆弧型、三角形、Q型,用于输送灌注碳纤维预成型体的树脂混合液。
[0031] 树脂混合液由树脂、固化剂和促进剂混合而成,其中树脂可以选用环氧树脂或改性环氧树脂;对碳纤维预成型体的浸润能力显著影响灌注速率,研究表明温度升高有助于提高这一浸润能力,因此本发明采用将碳纤维预成型体和树脂、固化剂都预热到适宜灌注温度,以便获得较低的树脂粘度和良好的纤维浸润能力,提高灌注速率;预热的树脂混合液通过碳纤维铺层下面的导流网和脱模布,由下至上快速渗透;为了避免结构件成型后的切边程序,碳纤维预成型体的侧边排放与该碳纤维预成型侧边形状吻合的贴边一起灌注;由导流网和单向透气膜组成的均匀透气面布置于预成型的上表面,使得上表面任何区域都可以透气,避免包气,保证灌注的成功率和稳定性。
[0032] 上述的透明双面胶带宽度与底部导流网相比略小,以碳纤维预成型体中心线为中线,碳纤维预成型体长度根据产品的长度要求确定;底部导流网长度略短于碳纤维预成型体的长度,宽度则比碳纤维预成型体略宽,保证该导流网与透明双面胶带充分接触固定在模具上。
[0033] 在碳纤维预成型体的两个长边方向铺放等厚的贴边要求紧靠在碳纤维预成型体的两长向侧边,并与模具上的上脱模布充分接触,以便获得90度直角的规则侧边,免去成型后的切割环节,节约材料用量和人工成本;所述单向透气膜具有只透气不透树脂的特点,可以保证树脂不会进入模具中的真空口中,顶部导流网不与树脂接触仅仅将真空负压均匀的分布在单向透气膜上;最外层铺设真空袋膜,所述真空袋膜用于提供整个灌注体系的真空度;要求灌注时真空袋膜内的负压范围为-0.098MPa〜-0.08 MPa之间灌注,东部平原如东北三省及华北地区要求负压为-0.09 MPa以下,西部高原山区如甘肃西藏等地区负压为-0.08 MPa以下,灌注结束后开启模具加热系统设定加热温度为80°C _120°C,对整个碳纤维预成型体加热升温固化成型。
[0034] 以下通过附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明:
如图1、图2所示,本发明真空灌注成型工艺流道总体包括模具1、底部导流网2、下脱模布3、碳纤维预成型体4、单向透气膜5、顶部导流网6、贴边7、注胶管8、进胶口 9、三通91、真空袋膜10、透明双面胶带11、密封胶带12、上脱模布13。
[0035] 实施例:
本实施例是对长55米,宽0.5米,最大厚度在40mm的碳纤维复合材料结构件灌注成型实例,其工艺步骤如下:
1)用常规方法预制该碳纤维复合材料结构件的模具1,该模具I的周边设有至少I个真空口 ;至多可以是几十个;本实例中模具I的周边垂直开设有22个等间距的真空口 ;在模具I的表面上先铺设透明双面胶带11,其上铺覆底部导流网2,在底部导流网2上铺覆下脱模布3 ;底部导流网2通过透明双面胶带11与模具I表面固定相接;
所用的透明双面胶带11为市售的透明双面胶带,其厚度为0.1mm,铺贴宽度为460mm ;
底部导流网2的宽度宽于透明双面胶带50_,其长度与透明双面胶带的长度相同;
下脱模布3的宽度与透明双面胶带的宽度相同,其长度比底部导流网2的长度长出500mm,宽度比底部导流网2的宽度长80底部IOOmm ;
2)在步骤I)底部脱模布的上表面铺设有多层碳纤维布,形成一厚度为40mm的碳纤维预成型体4 ;再在其上铺覆上脱膜布13,上、下脱模布将整个碳纤维预成型体4外周包严;
3)在步骤2)碳纤维预成型体4的宽向两侧边分别紧贴有与该碳纤维预成型体4侧边形状吻合的贴边7 ;
该贴边7可以选用轻木,还可以选用聚氯乙烯板材、异型材、玻璃钢方管、玻璃钢板材或金属块等材质;贴边7的底部与下脱模布3表面紧贴,贴边7的宽度为40mm ;
4)在步骤3)碳纤维预成型体4 一侧边外侧的底部导流网2上放置有与该侧贴边7长向平行的注胶管8,用单向透气膜5将底部导流网2、碳纤维预成型体4、下脱模布3、两侧贴边7、上脱模布13和注胶管8 一起包住,并用风电叶片专用密封胶带将单向透气膜5的周边与模具I的表面粘接密封,留出与注胶管8相接的进胶口 9,该进胶管管口 9上装有阀门;单向透气膜5与模具I粘接处位于该模具真空口的内侧;
其中,注胶管8可以是整根,也可以是分段设置;本实例中的注胶管将整根分为三段,进胶口 9,并在注胶管上安装三通91,设置进胶口 9 ;并在进胶口 9处装有阀门;
5)在步骤4)单向透气膜5的上表面铺覆有顶部导流网13 ;在顶部导流网13外侧再铺设一真空袋膜10 ;该真空袋膜10将顶部导流网6和单向透气膜5包覆的物体包严,再用风电叶片专用密封胶带将真空袋膜10的袋口周边与模具I的表面粘接密封,留出与注胶管8相接的进胶口 9 ;真空袋膜10的袋口周边与模具I的粘接处位于模具真空口的外侧;
其中,顶部导流网与该模具真空口连通;
6)将树脂和固化剂分别提前预热至40-80°C,铺放碳纤维预成型体时同时启动模具的加热装置,将模具加热至40-80°C,碳纤维预成型体随其模具预热,3-5h后碳纤维预成型体达到预热温度后保温;将预热好的树脂、固化剂和促进剂以100:20〜90:0〜2.0的质量配比均匀混合成树脂混合液;其中树脂为环氧树脂或改性环氧树脂中任一种;
用管路将模具底部的真空口端与外设的真空泵相接,真空泵将真空袋膜10的内腔抽成真空状,达到负压状态,其中,负压的要求平原和高原不同,平原为-0.09 MPa以下,高原为-0.08 MPa以下,一般地区根据所处环境的不同在-0.098〜-0.08 MPa的负压范围内选取;
7)打开裸露在真空袋膜外的进胶口 9上的阀门,由其向该真空袋膜10内腔灌注加热后的树脂混合液;树脂混合液迅速在底部导流网2上分散,并在负压作用下,由下至上浸透于碳纤维预成型体4,直到碳纤维预成型体4周边的单向透气膜5表面色变均匀或真空袋膜10内碳纤维预成型体4的硬度下降后停止灌注并关闭阀门;成型为碳纤维预成型胚体;
8)将模具温度调至85〜120°C,所述碳纤维复合材料结构胚体固化3-8h后停止加热;自然冷却至40°C后脱模,成型为所述碳纤维复合材料结构件。
[0036] 上述步骤2)所用碳纤维布为热熔线定形的碳纤维织物;所用的下脱模布3和上脱模布13均为长方形的尼龙6或尼龙66编织的尼龙化纤布,其大小以盖住碳纤维预成型体4为准。
[0037] 上述所用的底部导流网2、顶部导流网6的形状相同,均与碳纤维预成型体4形状配合设置;该底部导流网2和顶部导流网6至少铺设I层,也可以根据需要铺覆2层;单层的厚度为0.5mm〜2_。
[0038] 顶部导流网其长边一端距离碳纤维预制件边缘50〜80mm,其长边另一端直接连在模具的周边预留的真空口上;最外层用市售的风电叶片专用密封胶带12将真空袋膜10粘接固定在模具I上,将单向透气膜5和顶部导流网6均密封在真空袋膜10内,抽真空后要求真空袋膜10内的真空负压度达到_0.09MPa以下,使整个碳纤维预成型体4处在一定的压力下,保证碳纤维预成型体4处在压紧贴实的状态;真空负压度稳定后用树脂混合液对整个碳纤维预成型体4进行灌注,整个碳纤维预成型体4在灌注时树脂混合液由下至上渗入到上表面后,单向透气膜5将树脂混合液和顶部导流网6进行阻断,保证碳纤维预成型体的顺利灌注,灌注结束后,将模具温度设置到85〜120°C,加温3-8小时后碳纤维复合材料结构件胚体固化完全后,停止加热,自然冷却至40°C后脱模,成型为本发明的碳纤维复合材料结构件。
[0039] 步骤4)所用的注胶管可选用尼龙管或聚氯乙烯异型管,该注胶管的横截面为圆弧型、直角形、Q型等形状;本实施例中使用的是直角形状的注胶管,其长度随形于贴边的长度;该注胶管8上可设至少I个进胶口 9 ;本实例中设置有2个进胶口 9。
[0040] 上述步骤7)所用的树脂混合液的初始灌注粘度低于IOOMPa.s ;所用的树脂混合液为树脂、固化剂与促进剂以100:20〜90:0〜2.0的质量配比均匀混合而成;其中树脂为环氧树脂或改性环氧树脂中任一种。
[0041] 本发明的采用市售的透明双面胶带,其厚度小于0.2mm,铺贴宽度为460mm,可保证底部导流网2在真空负压的挤压下不变形;
底部导流网和顶部导流网材质相同,均选用上海越科复合材料有限公司生产,规格为幅宽1.8米,长100米的菱形网孔、立体结构、绿色的聚乙烯导流网;该导流网的厚度为
0.耐80-140°C高温不变形,材质可以是聚乙烯或聚丙烯等。[0042] 脱模布选用由浙江嘉兴恒亿达纺织有限公司生产的尼龙66脱模布。
[0043] 单透气膜选用由萨泰克斯增强材料有限公司生产、规格为:幅宽1500mm,卷长100m,每卷面积150m2的市售产品;
单向透气膜形成透气面,单向透气膜具有透气不透树脂的特点,树脂充填满单向透气膜包覆的碳纤维预成型体后将不会进入顶部导流网和模具上的真空口中,升温固化后最终完成整个碳纤维复合材料结构件的成型。
[0044] 碳纤维织物用由山东东营萨泰克斯增强材料有限公司生产的T620 24K碳纤维单向织物;该碳纤维织物是用热熔线将碳纤维丝束编织在一起形成的,其中的碳纤维丝束用热熔线捆绑强化,其结构紧凑,可承受垂直纤维轴向的受力,不会像普通织物那样在真空挤压下出现褶皱;由于碳纤维的取向一致性对最终碳纤维复合材料结构件的力学性能有较大的影响,本发明在碳纤维织物的铺放前,配合使用透明双面胶带粘接底部导流网,将底部导流网固定在模具上的方法防止底部导流网变形引起碳纤维织物变形,以便获得较高的纤维取向一致性。
[0045] 真空袋膜10用于提供整个灌注体系的真空度,其内腔为一封闭腔体,整个腔体内的真空负压由模具真空孔连接的真空泵提供。
[0046] 贴边7的作用是为了减化碳纤维预成型体4成型为本发明碳纤维复合材料结构件后一次脱模完成,不用再切割,即省去了后加工工序,同时还便于铺放过程中的定位。
贴边7可以是长方体、正方体、梯形、柱体、三角体,也可以是异形体;其形状以碳纤维复合材料结构件的外形决定。若所用模具已预置有挡胶边,直接采用模具挡胶边即可;本发明所用模具没有挡胶边,因此需要单独设置贴边,该贴边7所用的材质一般为轻木;也可以采用其他不影响树脂灌注和固化的物体,如金属块、聚氯乙烯板材或异型材、玻璃钢方管或板材等材质作贴边。
[0047] 碳纤维预成型体4可直接利用模具本身的加热系统预热,在碳纤维预成型体4预热时,要求模具的表面温差小于10°c ;灌注用树脂和固化剂的预热可以用定温加热的工业电热毯,将其直接绑在树脂桶或固化剂胶液桶的外围,开启工业电热毯上的开关,直接对胶液桶加热,使其内装的树脂达到预热温度;也可用具有预热功能的市售混胶机直接将树脂预热。
[0048] 本发明风电叶片结构件是在常规真空灌注成型工艺的基础上进行的改进,目的是提高织物铺放定位的精度,采用预热处理原材料而非常温灌注,借助单向透气膜的优点形成均匀透气面避免灌注过程中出现包气,提高工艺的稳定性和成功率。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料结构件的真空灌注成型方法,包括预制模具的步骤,该模具的周边设有至少I个真空口 ;它还包括步骤如下: 1)在所述模具表面上由下至上依次铺设透明双面胶带、底部导流网和下脱模布;所述底部导流网通过透明双面胶带与所述模具固定相接; 2)在步骤1)下脱模布的上表面铺设有多层碳纤维布,形成一厚度为2〜IOOmm的碳纤维预成型体;再在其上铺覆上脱膜布,上、下脱模布将整个碳纤维预成型体外周包严; 3)在步骤2)碳纤维预成型体的宽向两侧边紧贴有与该碳纤维预成型体侧边形状吻合的贴边; 4)在步骤3)碳纤维预成型体一侧边外侧的底部导流网上放置有与所述贴边长向平行的注胶管,用单向透气膜将所述碳纤维预成型体、两侧贴边和注胶管一起包住,再将该单向透气膜的周边与所述模具表面粘接密封,留出所述注胶管的进胶口端;其中,单向透气膜与模具粘接处位于所述模具真空口的内侧,注胶管的进胶口端装有阀门; 5)在步骤4)单向透气膜的上表面铺覆有顶部导流网;在顶部导流网外侧再铺设一真空袋膜;该真空袋膜将顶部导流网和所述单向透气膜包覆的物体包严,再将真空袋膜的袋口周边与所述模具表面粘接密封;留出所述注胶管的进胶口端;其中,真空袋膜袋口周边与模具的粘接处位于所述模具真空口的外侧;所述顶部导流网与该模具真空口连通; 6)用管路将所述模具真空口与外设的真空泵相接;同时将所述灌注的树脂和相应的固化剂分别预热至40-80°C,达到预热温度后将树脂和固化剂胶液混合均匀形成树脂混合液;在开始铺放前即启动所述模具的加热装置,将模具加温至40〜80°C ;在铺放过程中,所述碳纤维预成型体随其模具预热,3〜5h小时后达到预热温度后保温,然后将所述真空袋膜内腔抽成真空状,达到负压状态; 7)打开步骤4)所述管口上的阀门,由其向该真空袋膜内腔灌注加热后的树脂混合液;树脂混合液在底部导流网上分散,并在负压作用下,由下至上浸透于所述碳纤维预成型体;完全浸透后,直到碳纤维预成型体周边的单向透气膜表面色变均匀或真空袋膜内碳纤维预成型体的硬度下降后停止灌注并关闭所述阀门;成型为碳纤维复合材料结构胚体; 8)启动模具加热装置,将模具加温至85〜120°C,所述碳纤维复合材料结构胚体固化3-8h后停止加热;自然冷却至40°C后脱模,成型为所述碳纤维复合材料结构件。
2.如权利要求1所述的真空灌注成型方法,其特征在于,步骤I)所述透明双面胶带的宽度窄于所述底部导流网的宽度,其厚度小于0.2_。
3.如权利要求2所述的真空灌注成型方法,其特征在于:步骤2)所述碳纤维布为热熔线定形的碳纤维织物;所述下脱模布和上脱模布,其大小以盖住所述碳纤维预成型体为准。
4.如权利要求1所述的真空灌注成型方法,其特征在于:步骤3)所述贴边的侧面形状与所述碳纤维预成型体侧边侧面的形状吻合,其宽度为5mm〜40mm ;所述贴边的材质为轻木、聚氯乙烯板材、异型材、玻璃钢方管、玻璃钢板材或金属块中任一种。
5.如权利要求4所述的真空灌注成型方法,其特征在于:步骤4)所述注胶管为尼龙管或聚氯乙烯异型管,其长度随形于所述贴边的长度,该注胶管的横截面为圆弧型、三角形或Q型中任一种。
6.如权利要求5所述的真空灌注成型方法,其特征在于:所述注胶管为整根或分段,分段至少分2段,段与段之间连接有三通,三通的垂直端连接所述进胶口 ;所述进胶口至少设I个,每个进胶口上均安装有阀门。
7.如权利要求6所述的真空灌注成型方法,其特征在于:所述底部导流网和顶部导流网的形状对应,均与所述碳纤维预成型体形状配合设置;该底部导流网和顶部导流网的厚度相同,均为0.5mm〜4mm。
8.如权利要求1〜7任一项所述的真空灌注成型方法,其特征在于:步骤7)所述树脂混合液的预热温度为40〜80°C;所述树脂混合液的初始灌注粘度低于IOOMPa.s ;所述单向透气膜周边和真空袋膜的袋口周边与所述模具之间的粘接均为密封胶带粘接。
9.如权利要求8所述的真空灌注成型方法,其特征在于:所述树脂混合液由树脂、固化剂与促进剂以100:20〜110:0〜2.0的质量配比均匀混合而成;其中树脂为环氧树脂或改性环氧树脂中任一种。
10.如权利要求9所述的真空灌注 成型方法,其特征在于:所述负压为-0.098〜-0.08MPa。
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