CN103358565A - 复合材料试件板材的制作模具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料试件板材的制作模具，包括上模、下模和真空灌注装置，所述上模为软模、下模为硬模，上模和下模配套设置、两者之间构成一个封闭的空腔，下模上表面铺设纤维，真空灌注装置包括进胶管和抽气管，且进胶管设置在空腔内纤维的一端、抽气管设置在空腔内纤维的另一端；所述空腔内部，沿树脂的流动方向、紧贴纤维两侧设置有一对相同高度的定厚度钢片，并在定厚度钢片上架放一块钢化玻璃。采用本发明模具及方法制作的复合材料试件板材，具有纤维体积含量可控、力学性能高、上表面平整等优点，还可以有效减少复合材料样板的制作次数。本发明结构简单、操作简易、实用可靠，利于大规模使用和推广。

Description

复合材料试件板材的制作模具及方法

技术领域

本发明属于复合材料成型工艺技术领域，主要提出一种定厚度的复合材料试件板材的制作模具及方法。 

背景技术

复合材料试件板材的成型工艺较多，但真空灌注工艺是一种新型的复合材料低成本、高性能成型技术。它是在真空密闭系统中，在真空压力下使树脂流动、渗透实现对纤维及其织物的浸渍，并在真空下固化的成型方法。真空灌注工艺较传统开模成型工艺相比，具有节约成本、加工过程环保清洁、制品力学性能优、产品质量易于控制等诸多优点。 

真空灌注工艺虽然是复合材料成型的一种较好的方法，但由于灌注过程中受灌注压力、环境温度和树脂温度等诸多因素的影响，往往制作的复合材料试件板材的纤维体积含量偏高或偏低，最终导致复合材料试件板材的力学性能产生较大的偏差。特别是许多行业对复合材料试件板材的厚度、纤维体积含量和力学性能都有明确的设计要求，为了达到设计要求值，往往会重复制作多次复合材料试件板材进行测试和验证。 

如图1所示，现有技术中，一般采用配套设置的下模1和上模5及真空灌注装置制得。其中，下模1是硬模、上模5是真空袋，在下模1和上模5之间设置有密封胶条3、使其内部构成封闭的空腔，下模1的上表面铺设纤维布2；真空灌注装置包括抽气管和进胶管，通过抽气管将空腔抽真空后、再使用进胶管注入树脂浸透纤维，从而制得复合材料试件板材。其结构简单，操作简易，但是厚度很难精确控制，难以达到对复合材料试件板材的定厚度要求。而且，在真空灌注制作复合材料样板的过程中，由于纤维布2具有编织纹路，特别是单轴向纤维布2的编织纹路比较明显。在真空灌注过程中，因为真空袋5向下施加压力时，使制作的复合材料试件板材的上表面往往会顺着纤维布2的纹路凸凹不平，导致复合材料试件板材的厚度难以测量准确而且误差偏大，最终导致测试性能偏低无法满足设计值的要求。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种复合材料试件板材的制作模具及方法，解决复合材料试件板材制作过程中纤维体积含量控制困难和上表面不平整的问题。 

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案： 

复合材料试件板材的制作模具，包括上模、下模和真空灌注装置，所述上模为软模、下模为硬模，上模和下模配套设置、两者之间构成一个封闭的空腔，下模上表面铺设纤维，真空灌注装置包括进胶管和抽气管，且进胶管设置在空腔内纤维的一端、抽气管设置在空腔内纤维的另一端；所述空腔内部，沿树脂的流动方向、紧贴纤维两侧设置有一对相同高度的定厚度钢片，并在定厚度钢片上架放一块钢化玻璃。

所述进胶管出口位置的纤维端部设置有一段中间具有开口的密封胶条，该密封胶条两侧分别抵住两块定厚度钢片的端部、开口位置对应进胶管的出口。 

所述模具上所有接触纤维的装置均擦有脱模剂。 

所述的复合材料试件板材的制作方法，包括以下步骤： 

（1）按试件板材的尺寸、将若干层纤维布铺设在下模的上表面上方；

（2）根据试件板材的高度、在纤维两侧设置一对与试件板材高度相同的定厚度钢片，并在定厚度钢片上架放一块钢化玻璃；

（3）使用抽气管将空腔内部抽真空、并且进行保压；

（4）使用进胶管利用空腔内的负压将树脂注入纤维布中；

（5）等待树脂逐渐浸透纤维布后并固化，固化成型后，对制得的复合材料试件板材进行脱模处理。

本发明所产生的有益效果是： 

采用本发明模具及方法制作的复合材料试件板材，具有纤维体积含量可控、力学性能高、上表面平整等优点，还可以有效减少复合材料样板的制作次数。由于模具上表面钢化玻璃的作用，使得复合材料试件板材的上表面控制均匀、与下表面一样平整，从而利于准确的测试出样板的厚度。本发明的复合材料试件板材的制作模具及方法，结构简单、操作简易、实用可靠，利于大规模使用和推广。

附图说明

图1为现有技术制作复合材料试件板材时的剖面示意图； 

图2为采用本发明方法制作复合材料试件板材时的剖面示意图；

图3为采用本发明方法制作复合材料试件板材时的俯视示意图；

图中标号表示：1-下模、2-纤维布、3-密封胶条、4-脱模布导流网、5-上模、6-定厚度钢片、7-钢化玻璃、8-抽气管、9-进胶管。

具体实施方式

如图2、3所示，本发明提供了一种复合材料试件板材的制作模具，包括上模5、下模1和真空灌注装置。上模5为软模、下模1为硬模，上模5和下模1配套设置、两者之间构成一个封闭的空腔，本具体实施方式中，上模5是真空袋，上模5也可以是采用软性材料制得的其他结构形式。上模5和下模1之间设置有一圈闭合的密封胶条3，使得密封胶条3内侧、上模5和下模1之间构成封闭的空腔。下模1上表面铺设纤维布2，且纤维布2设置在密封胶条3内侧、上模5和下模1之间的封闭空腔内部。 

真空灌注装置包括进胶管9和抽气管8，且进胶管9的出口设置在空腔内纤维布2的一端、抽气管8设置在空腔内纤维布2的另一端。在空腔内部，沿树脂的流动方向、紧贴纤维布2两侧设置有一对相同高度的定厚度钢片6-1和6-2，该定厚度钢片6-1和6-2具有控制成型后的复合材料厚度的作用，从而控制复合材料试件板材的纤维体积含量。然后，在定厚度钢片6-1和6-2的上方架放一块钢化玻璃7，该钢化玻璃7可有效控制复合材料试件板材上表面的平整度，另外还可以清晰观察到真空灌注过程中、树脂浸透纤维布2的过程。 

另外，进胶管9出口位置的纤维布2端部设置有一段中间具有开口的密封胶条3，该密封胶条3两侧分别抵住两块定厚度钢片6-1和6-2的端部、开口位置对应进胶管9的出口。在进胶管3出口位置的纤维布2端部设置此中间具有开口的密封胶条3，主要是避免树脂优先从纤维布2和定厚度钢片6之间流过。 

模具上所有接触纤维布2的装置均擦有脱模剂，具体的：上模5的内侧、下模1的上表面、定厚度钢片6的外表面和钢化玻璃7的外表面均擦有脱模剂。 

本发明的复合材料试件板材的制作方法，包括以下步骤： 

（1）按试件板材的尺寸、将若干层纤维布2铺设在下模1的上表面上方；具体的：是在擦过脱模剂的下模1的上表面，铺设符合复合材料试件板材要求的纤维布2。

（2）根据试件板材的高度、在纤维布2两侧设置一对与试件板材高度相同的定厚度钢片6-1和6-2，并在定厚度钢片6-1和6-2上架放一块钢化玻璃7；具体的：将一对擦过脱模剂的定厚度钢片6-1和6-2紧贴纤维布2两侧放置，在定厚度钢片6-1和6-2上放置擦过脱模剂的钢化玻璃7。 

（3）使用抽气管8将空腔内部抽真空、并且进行保压；具体的：使用抽气管8连接外部抽气设备、将密封胶条3内侧、上模5和下模1之间的封闭空腔抽真空，使得空腔内部保压。 

（4）使用进胶管9利用空腔内的负压将树脂注入纤维中；具体的：使用进胶管9连接外部灌注设备和储放树脂的容器、对密封胶条3内侧、上模5和下模1之间的封闭空腔内注入树脂，直至树脂完全浸透纤维布2后、停止灌注过程。此时，可以通过钢化玻璃7清晰观察树脂灌注的过程。 

（5）等待树脂逐渐浸透纤维并固化，固化成型后，对制得的复合材料试件板材进行脱模处理；具体的：通过钢化玻璃7观察到树脂完全浸透纤维布2，并固化完全后，将成型的复合材料试件板材进行脱模处理。 

本发明复合材料试件板材的制作模具及方法，将纤维布2和上模5之间的脱模布导流网4更换为钢化玻璃7，并在纤维布2的两侧边缘增加了定厚度钢片6，其它地方与现有技术的真空灌注工艺相当。 

上述方法在制作过程中控制复合材料试件板材的厚度，从而达到控制复合材料中纤维体积含量和复合材料试件板材上表面平整度，最终使复合材料试件板材的性能测试满足设计要求。因为，只要某种复合材料试件板材中的纤维布2的参数确定并得到有效控制，就可以清楚得到这种纤维布2的面密度和密度。要想得到相应纤维体积含量的复合材料样板，可以通过计算得到所需要的复合材料试件板材的厚度。一般复合材料样板单层纤维布2的厚度符合如下计算公式： 

单层纤维的厚度=纤维的面密度/纤维的密度/纤维的体积含量

 下面使用两个具体实施例来进一步说明本发明复合材料试件板材的制作模具及方法：

实施例一：

制作单轴纤维1200（即纤维的面密度为1.2g/cm²），密度为2.58g/cm³，纤维体积含量为54.3%，尺寸为400mm×400mm的复合材料试件板材。其具体制作步骤为：

第一步，计算复合材料试件板材的理论厚度，根据单层纤维的厚度=纤维的面密度/纤维的密度/纤维的体积含量，计算该复合材料试件板材单层纤维布2的理论厚度为：

d = 1.2/2.58/0.543=0.857mm

根据ISO标准复合材料的试件板材的厚度要求是2层纤维布2，那么该复合材料试件板材的理论厚度为：

D= 4d =4×0.857mm=3.43mm

第二步，加工定厚度钢片6，根据第一步计算的复合材料试件板材的理论厚度3.43mm，加工厚度为3.43±0.02mm，长度为400±0.1mm，宽度为20±0.1mm的定厚度钢片6一对。

第三步，加工钢化玻璃7，根据复合材料试件板材的尺寸和定厚度钢片6的尺寸，钢化玻璃7的长和宽要求为440 mm和400mm，钢化玻璃7的厚度一般在8～10 mm较好，磨边并钝化棱角。 

第四步，铺层和布真空系统，在擦过脱模水的下模1表面铺设400mm×400mm的单轴1200的纤维布2，将擦过脱模水的厚度为3.43±0.02的定厚度钢片6紧贴纤维布2的两侧边放置，在定厚度钢片6上放置擦过脱模水的钢化玻璃7，钢化玻璃7边缘与定厚度钢片6和纤维布2的边缘对齐，铺设进胶管9和抽气管8，铺设密封胶条3和真空袋（上模5）。 

第五步，灌注，灌注过程与传统灌注过程相同，直到树脂凝胶固化后关闭真空泵（真空灌注设备）然后进行固化，脱模后即可得到所需要的复合材料试件板材。 

  

实施例二：

制作双轴纤维808（即纤维的面密度为0.808g/cm²），密度为2.58g/cm³，纤维体积含量为54.3%，尺寸为400mm×400mm的复合材料试件板材。其具体制作步骤为：

第一步，计算复合材料试件板材的理论厚度，根据单层纤维的厚度=纤维的面密度/纤维的密度/纤维的体积含量，计算该复合材料试件板材单层纤维布2的理论厚度为：

d = 0.808/2.58/0.543=0.577mm

根据ISO标准复合材料的试件板材的厚度要求是4层纤维布2，那么该复合材料试件板材的理论厚度为：

D= 4d =4×0.577mm=2.31mm

第二步，加工定厚度钢片6，根据第一步计算的复合材料试件板材的理论厚度2.31mm，加工厚度为2.31±0.02mm，长度为400±0.1mm，宽度为20±0.1mm的定厚度钢片6一对。

第三步，加工钢化玻璃7，根据复合材料试件板材的尺寸和定厚度钢片6的尺寸，钢化玻璃7的长和宽要求为440 mm和400mm，钢化玻璃7的厚度一般在8～10 mm较好，磨边并钝化棱角。 

第四步，铺层和布真空系统，在擦过脱模水的下模1表面铺设400mm×400mm的双轴808的纤维布2，将擦过脱模水的厚度为2.31±0.02的定厚度钢片6紧贴纤维布2的两侧边放置，在定厚度钢片6上放置擦过脱模水的钢化玻璃7，钢化玻璃7边缘与定厚度钢片6和纤维布2边缘对齐，铺设进胶管9和抽气管8，铺设密封胶条3和真空袋（上模5）。 

第五步，灌注，灌注过程与传统灌注过程相同，直到树脂凝胶固化后关闭真空泵（真空灌注设备）然后进行固化，脱模后即可得到所需要的复合材料试件板材。 

Claims (4)

1. 复合材料试件板材的制作模具，包括上模、下模和真空灌注装置，所述上模为软模、下模为硬模，上模和下模配套设置、两者之间构成一个封闭的空腔，下模上表面铺设纤维，真空灌注装置包括进胶管和抽气管，且进胶管设置在空腔内纤维的一端、抽气管设置在空腔内纤维的另一端；其特征在于，所述空腔内部，沿树脂的流动方向、紧贴纤维两侧设置有一对相同高度的定厚度钢片，并在定厚度钢片上架放一块钢化玻璃。

2.根据权利要求1所述的复合材料试件板材的制作模具，其特征在于，所述进胶管出口位置的纤维端部设置有一段中间具有开口的密封胶条，该密封胶条两侧分别抵住两块定厚度钢片的端部、开口位置对应进胶管的出口。

3.根据权利要求1所述的复合材料试件板材的制作模具，其特征在于，所述模具上所有接触纤维的装置均擦有脱模剂。

4.根据权利要求1所述的复合材料试件板材的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）按试件板材的尺寸、将若干层纤维布铺设在下模的上表面上方；

（2）根据试件板材的高度、在纤维两侧设置一对与试件板材高度相同的定厚度钢片，并在定厚度钢片上架放一块钢化玻璃；

（3）使用抽气管将空腔内部抽真空、并且进行保压；

（4）使用进胶管利用空腔内的负压将树脂注入纤维布中；

（5）等待树脂逐渐浸透纤维布后并固化，固化成型后，对制得的复合材料试件板材进行脱模处理。

Images