CN103862764A - 一种用液态成型工艺制备蜂窝夹层结构复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料制备技术，涉及一种用液态成型工艺制备蜂窝夹层结构复合材料的方法。采用蜂窝、预浸料、液态成型树脂作为原材料，先将与液态成型树脂相容的树脂体系制备的预浸料贴覆在蜂窝芯材的上下表面，并将完成贴覆预浸料的蜂窝芯材在热压罐中完成预固化或固化，完成预固化或固化后的玻璃化温度高于后续的注射温度50℃，将完成预固化或固化的蜂窝夹层结构用不高于0.3MPa的注射压力进行液态成型，获得液态成型工艺制备的蜂窝夹层结构复合材料。本发明提高了液态成型的适用范围，可用于航空航天应用的液态成型蜂窝夹芯结构复合材料，对于表面质量要求较高和尺寸精度要求较高的蜂窝夹芯结构复合材料提供了新的设计思路和制备方法。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术，涉及一种用液态成型工艺制备蜂窝夹层结构复合材料的方法。
背景技术
蜂窝夹层结构以其轻质高刚度的特点广泛应用于航空航天飞行器的结构中，而液态成型工艺因其具有的独特优点在航空航天结构中开始了较为广泛的应用。但由于液态成型工艺通常是将低黏度树脂注射入预先铺放增强体的模腔中后固化成型，树脂需要在模腔内流动，因此，对于夹芯结构制件的制备，通常需使用闭孔型泡沫作为芯材，而无法使用开孔型泡沫或蜂窝，否则由于树脂的流动，树脂将泡沫孔或蜂窝格子填满，从而无法制备出夹层结构。
国内外对液态成型制件的要求越来越高，制件从普通的层压板向夹芯结构发展。为适应不同的结构需求，同时满足结构的进一步减重要求，闭孔泡沫体密度一般都高于蜂窝和开孔泡沫，且采用液态成型使用泡沫制备夹芯结构时，由于泡沫表面对树脂的大量吸附（一般为100g/m2～800g/m2），将付出较大的重量代价。实际上，该吸附树脂的重量仅提供蒙皮和泡沫的粘结强度，对于刚度的贡献较小，尤其在制备薄蒙皮（1～3层）轻质芯材夹芯结构制件时往往得不偿失，因此，一般设计不采用液态成型方法。但该类制件由于蒙皮较薄，若采用普通的热压罐成型方法来制备，对于预浸料的预浸均匀性和树脂的流动性将提出很高的要求，而且往往使用板芯胶膜，也增加了结构重量，且成本较高；而液态成型工艺恰恰在传统热压罐成型的以上几点上具有独特的优势：由于采用闭合模具或半闭合模具，成型前树脂会充分流动，制件的表面质量很高，一般不出现表面树脂不均匀或缺胶的情况；不使用热压罐和仅需少量辅助材料，可大大降低成本。问题的关键在于如何解决蜂窝或开孔泡沫作为液态成型芯材的难点。
为将开孔芯材用于液态成型工艺，国内外都做过研究。如EP0722825A2采用胶膜、预浸料、干态织物作为组合体用于RTM工艺，可制备相应的蜂窝夹芯结构，但该工艺必须采用胶膜，带来重量增加，而且该封装由于胶膜未固化，可能在低粘度注射树脂长时间浸润和较高注射压力时可能出现树脂进入网格的情况，因此对胶膜要求较高，可供选择的材料种类或类型相对少；US20030082339为改进方法，采用的是先将胶膜固化封孔，而后进行RTM工艺，该方法也使用了胶膜，增加了制件重量，而且分为两步工艺，与EP0722825A2相比，增加了工艺成本，但降低了胶膜的要求，制造稳定性也提高。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题提出一种用液态成型工艺制备蜂窝夹层结构复合材料的方法，解决实际面临的制造难题。本发明的技术解决方案是，采用蜂窝、预浸料、液态成型树脂作为原材料，先将与液态成型树脂相容的树脂体系制备的预浸料贴覆在蜂窝芯材的上下表面，并将完成贴覆预浸料的蜂窝芯材在热压罐中完成预固化或固化，完成预固化或固化后的玻璃化温度高于后续的注射温度50℃，将完成预固化或固化的蜂窝夹层结构用不高于0.3MPa的注射压力进行液态成型，获得液态成型工艺制备的蜂窝夹层结构复合材料。
所述的液态成型工艺为树脂传递模塑、真空辅助树脂注射、真空浸渍、反应注射模塑工艺或以上成型工艺的变体。
所述的蜂窝为对位或间位芳纶纸浸渍酚醛树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂及其改性树脂形成的蜂窝或铝合金蜂窝或钛合金蜂窝。
所述的液态成型树脂是指不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂或其改性树脂。
所述的液态成型树脂在注射温度下的黏度不低于200mPa.S。
所述的预浸料为与液态成型树脂相容的树脂作为基体的预浸料。
本发明具有的优点和有益效果，本发明基于液态成型与使用蜂窝或开孔泡沫存在的困难，先将与液态成型树脂相容的树脂体系制备的预浸料贴覆在蜂窝芯材的上下表面，并将完成贴覆预浸料的蜂窝芯材在热压罐中完成预固化或固化，将完成预固化或固化的蜂窝夹层结构进行液态成型，获得液态成型工艺制备的蜂窝夹层结构复合材料。使用本方法制备蜂窝夹芯结构，可有效解决蜂窝或开孔泡沫无法应用于液态成型的问题，解决制造面临的难题，适合各种液态成型工艺，具有较强的适应性。由于采用预浸料直接贴覆在蜂窝芯材上下表面，省却了胶膜，与其他方法相比，可制备更为轻质的液态成型夹芯结构，而且，还可在蜂窝夹层结构上的蜂窝或预浸料上采用功能性组分，实现结构/功能一体化，为结构设计提供新的设计思路。
具体实施方式
采用蜂窝、预浸料、液态成型树脂作为原材料，先将与液态成型树脂相容的树脂体系制备的预浸料贴覆在蜂窝芯材的上下表面，并将完成贴覆预浸料的蜂窝芯材在热压罐中完成预固化或固化，完成预固化或固化后的玻璃化温度高于后续的注射温度50℃，将完成预固化或固化的蜂窝夹层结构用不高于0.3MPa的注射压力进行液态成型，获得液态成型工艺制备的蜂窝夹层结构复合材料。
所述的液态成型工艺为树脂传递模塑、真空辅助树脂注射、真空浸渍、反应注射模塑工艺或以上成型工艺的变体。
所述的蜂窝为对位或间位芳纶纸浸渍酚醛树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂及其改性树脂形成的蜂窝或铝合金蜂窝或钛合金蜂窝。
所述的液态成型树脂是指不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂或其改性树脂。
所述的预浸料为与主体树脂相容的树脂浸渍各种增强纤维或织物，包括玻璃纤维及其织物、石英纤维及其织物、碳纤维及其织物、芳纶纤维及其织物等形成的预浸料。
所述的预浸料为与液态成型树脂相容的树脂作为基体的预浸料。
所述的相容是指预浸料的浸渍树脂中包含的组分不会引起液态成型主体树脂的化学反应特性发生较剧烈的变化，从而影响液态成型树脂的固化反应；或相反地，液态成型树脂的某些组分会引起预浸料中树脂的化学反应特性发生强烈变化，从而影响预浸料中树脂的固化反应降低复合材料的胶接质量或其他内部质量。
所述的液态成型树脂在注射温度下的黏度不低于200mPa.S。
所述的预固化或固化是指为避免液态成型树脂严重冲刷贴覆在蜂窝芯材上下表面的预浸料中的树脂基体，而导致液态成型树脂填充蜂窝孔格，应将完成贴覆预浸料的蜂窝芯材进行预固化或固化，且应保证预固化或固化后的玻璃化温度高于注射温度50℃，且保持在该注射温度下液态成型树脂的黏度不低于200mPa.S，同时保证注射过程中任何环节的注射压力都不高于0.3MPa，可保证液态成型树脂不填充蜂窝孔格，成功制备质量良好的蜂窝夹层结构复合材料。
在选择液态成型树脂时，除需考虑与预浸料中的树脂基体相容外，还与贴覆蜂窝的预浸料的层数和厚度有关。贴覆蜂窝的预浸料的厚度大，可选择黏度相对小的液态成型树脂，相反，需选择黏度较大的树脂，但其黏度须适应液态成型工艺。
实施例一：
原材料：间位芳纶（Nomex）纸浸渍酚醛树脂蜂窝（NH-1-2.75-31-25H），U-3160碳纤维织物、5284VARI高温环氧树脂、U-3160/5284预浸料；
1）首先使用U-3160/5284预浸料包裹切割完的蜂窝形成待处理芯材（上下表面各2层，名义厚度为0.35mm），将其进热压罐进行预固化，预固化工艺为：RT抽真空至－0.095MPa→60℃，加压至0.2MPa→150℃2h→随炉冷却至60℃以下出罐，并采用U-3160/5284预浸料制备随炉试样，测试玻璃化转变温度为164℃；
2）将处理完的芯材放置在合适的位置和两层U-3160织物放入VARI成型模具中，采用5284VARI树脂注射，注射温度为60℃，树脂最小黏度为260mPa.S，真空度为－0.09Mpa，模具升温至180℃固化2h后随炉冷却至室温脱模，制成蜂窝夹层壁板。
制件表面平整，采用超声无损检测蜂窝与蒙皮粘接完好；X射线检测蜂窝芯孔格完好，树脂未填充孔格。
实施例二：
原材料：铝合金蜂窝，CF3031碳纤维织物，HT-330聚酰亚胺树脂、CCF300/LP-15预浸料；
1）首先将CCF300/LP-15预浸料将铝合金蜂窝包裹（上下表面各5层，名义厚度为0.625mm），将其进热压罐进行完全固化，固化工艺为：RT抽真空至－0.095MPa→180℃，加压至0.3MPa→300℃2h→随炉冷却至60℃以下出罐，随炉试样的玻璃化温度为354℃；
2）将处理完的芯材放置在合适的位置和上下各3层CF3031碳纤维织物放入RTM成型模具中，采用HT-330树脂注射，注射温度为280℃，最高注射压力到0.25MPa，最小黏度为750mPa.S，模具升温至330℃固化2h后随炉冷却至室温脱模，制成蜂窝夹层制件。
无损检测制件蜂窝芯孔格质量良好，蒙皮与蜂窝粘结完好。
实施例三：
原材料：对位芳纶浸渍双马树脂蜂窝，U-9172/5228A预浸料，ET-6421/EW220玻璃纤维预定型织物，6421RTM双马树脂；
1）首先将U-9172/5228A预浸料将芳纶纸蜂窝包裹（上下表面各1层，名义厚度为0.165mm），使用热压罐对其进行完全固化，固化工艺为：RT抽真空至－0.095MPa→60℃，加压至0.3MPa→180℃2h→随炉冷却至60℃以下出罐，随炉试样的玻璃化温度为225℃；
2）将处理好的芯材和上下各10层ET-6421/EW220玻璃纤维预定型织物在预定型模具上完成预成型体的制备，而后转移至RTM成型模具，使用6421RTM注射，注射温度为100℃，注射温度下黏度为550mPa.S，最高注射压力到0.15MPa，模具升温至200℃固化5h后随炉冷却至室温脱模。
制件表面平整，采用超声无损检测蜂窝与蒙皮粘接完好；X射线检测蜂窝芯孔格完好，树脂未填充孔格。
Claims (6)
1.一种用液态成型工艺制备蜂窝夹层结构复合材料的方法，其特征是，采用蜂窝、预浸料、液态成型树脂作为原材料，先将与液态成型树脂相容的树脂体系制备的预浸料贴覆在蜂窝芯材的上下表面，并将完成贴覆预浸料的蜂窝芯材在热压罐中完成预固化或固化，完成预固化或固化后的玻璃化温度高于后续的注射温度50℃，将完成预固化或固化的蜂窝夹层结构用不高于0.3MPa的注射压力进行液态成型，获得液态成型工艺制备的蜂窝夹层结构复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种用液态成型工艺制备蜂窝夹层结构复合材料的方法，其特征是，所述的液态成型工艺为树脂传递模塑、真空辅助树脂注射、真空浸渍、反应注射模塑工艺或以上成型工艺的变体。
3.根据权利要求1所述的一种用液态成型工艺制备蜂窝夹层结构复合材料的方法，其特征是，所述的蜂窝为对位或间位芳纶纸浸渍酚醛树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂及其改性树脂形成的蜂窝或铝合金蜂窝或钛合金蜂窝。
4.根据权利要求1所述的一种用液态成型工艺制备蜂窝夹层结构复合材料的方法，其特征是，所述的液态成型树脂是指不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂或其改性树脂。
5.根据权利要求1所述的一种用液态成型工艺制备蜂窝夹层结构复合材料的方法，其特征是，所述的液态成型树脂在注射温度下的黏度不低于200mPa.S。
6.根据权利要求1所述的一种用液态成型工艺制备蜂窝夹层结构复合材料的方法，其特征是，所述的预浸料为与液态成型树脂相容的树脂作为基体的预浸料。
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