CN103909659B - 一种树脂膜渗透成型树脂基复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于树脂基复合材料液体成型技术，涉及一种树脂膜渗透成型树脂基复合材料的方法。在纤维增强预成型体每层织物的层间放置树脂膜。树脂膜的面密度依据零件纤维含量要求以及所采用的织物面密度等参数计算得出。本发明改变了传统树脂膜渗透成型过程中树脂膜的放置方式，缩短了渗透过程中树脂流动的距离，突破了传统树脂膜渗透工艺对加筋壁板结构加筋高度的限制，提高了树脂膜渗透成型工艺的结构适用性和工艺可靠性。

Description

一种树脂膜渗透成型树脂基复合材料的方法

技术领域

本发明属于复合材料制造技术领域，涉及一种树脂膜渗透(即ResinFilmInfusion简称RFI)成型树脂基复合材料的方法。

背景技术

树脂膜渗透即RFI成型复合材料技术是近年来发展起来的一种复合材料低成本制造技术，因其具有制造成本低、成型效率高、整体性好并适合大型构件整体成型等优点受到广泛关注。

目前，对于高性能复合材料的树脂膜渗透成型方法：通常是根据所成型零件的铺层面积及铺层层数等，计算出壁板蒙皮及加筋所需树脂的总量，将所需树脂制备成树脂膜置于模腔底层，然后将纤维预成型体放在树脂膜上，在温度、真空和压力作用下，使树脂由下至上渗透到预成型体内的纤维中去，最后按照树脂的工艺规范要求进行固化。

传统的树脂膜渗透成型方法，由于树脂膜全部放置在预成型体的底部，所成型的复合材料结构存在一定的局限性，突出的表现是：

⑴由于传统的RFI工艺树脂膜放置在预成型体底部，树脂的渗透由下至上逐渐渗透到预成型体的最高处纤维中去，对于加筋壁板类复合材料零件，树脂在加筋内是沿着路径相对较长的预成型体面内方向流动，加筋高度方向的尺寸越大，树脂从底部浸润整个加筋内纤维的时间就越长。因此传统RFI工艺成型加筋壁板类零件对加筋高度有一定的限制。

⑵由于传统的RFI工艺通常是根据所成型零件的铺层面积及厚度计算零件所需树脂的总量制备树脂膜，对于等厚零件的树脂含量均匀性控制容易实现，但对于变厚度零件的不同厚度区域的树脂含量均匀性控制较难实现。

⑶由于传统RFI工艺把全部树脂膜置于预成型体底部，即零件外型面，较厚的树脂膜熔融渗透过程中往往会引起预成型体外表面局部纤维弯曲或皱褶，从而影响壁板外型面质量。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能满足高加筋壁板结构、变厚度复合材料结构RFI成型要求，提高零件表面质量和厚度精度的复合材料树脂膜渗透成型方法。

本发明的技术解决方案是：根据零件纤维体积含量和全铺层层数要求、所采用的织物面密度、织物所采用的纤维密度及基体树脂密度计算树脂膜面密度，按计算所得树脂膜面密度将树脂制备成树脂膜；在预成型体铺叠过程中，将树脂膜逐层铺叠在织物的层间，与织物一起制成预成型体，然后与模具组装、封装后进行树脂膜转移及固化；其工艺步骤为：

(a).根据零件纤维体积含量、所采用的织物面密度、织物所采用的纤维密度及基体树脂密度计算单层织物对应树脂膜的面密度，精确到小数点后一位，

$W_{R0}=\frac{(1-V_f)\·{\mathrm{\ρ}}_R\·W_S}{V_f\·{\mathrm{\ρ}}_f}$ ………………………①

式中：

W_S—织物面密度，g/m²；

ρ_f—织物所采用的纤维密度，g/cm³；

ρ_R—基体树脂密度，g/cm³；

V_f—零件纤维体积含量，％

W_R0-单层织物对应树脂膜面密度，g/m²；

(b).根据零件全铺层织物层数，计算全铺层织物所需树脂膜层数，

即

N_R＝N_f-1………………………②

式中：

N_f—全铺层织物层数，层；

N_R—全铺层织物所需树脂膜层数，层；

(c).根据零件全铺层织物层数和全铺层织物所需树脂膜层数，计算调整系数K，精确到小数点后两位，

$K=\frac{N_f}{(N_f-1)}=\frac{N_f}{N_R}$ ………………………③

式中：

N_f—全铺层织物层数，层；

N_R—全铺层织物所需树脂膜层数，层；

(d).根据单层织物对应的树脂膜面密度和调整系数，计算零件实际需要的树脂膜面密度；

W_R＝K·W_R0………………………④

式中：

W_R0—单层织物对应树脂膜面密度，g/m²；

K—调整系数；

W_R—零件实际需要的树脂膜面密度，g/m²；

(e).采用零件要求的基体树脂按公式④计算所得零件实际需要的树脂膜面密度W_R制备树脂膜；

(f).将树脂膜按织物铺层尺寸和层数下料，

全铺层的树脂膜尺寸按全铺层织物尺寸，全铺层织物所需树脂膜层数N_R依据零件全铺层织物层数N_f按公式②计算；

(g).预成型体制备：

按要求的铺层方向和顺序铺叠预成型体，铺叠过程中将树脂膜逐层铺叠在织物的层间，与织物一起制成预成型体；

(h).将预成型体与模具组装，封装后按树脂工艺规范固化制备成树脂基复合材料。

所述的计算零件实际需要的树脂膜面密度精确到整数位。

所述的用计算所得零件实际需要的树脂膜面密度W_R制备树脂膜,其公差为±5g/m²。

当零件有插层要求时，插层的树脂膜尺寸与插层织物尺寸一致，插层树脂膜层数与插层织物数一致。

本发明的优点是：

⑴按所采用的织物面密度定制树脂膜，有利于规范树脂膜规格，更适合工程化生产；

⑵树脂膜不放置于壁板外表面与模具之间，有利于壁板外表面与模具的贴合保证外型面外型精度和表面质量；

⑶通过层间放置树脂膜的方式，可以突破RFI工艺对加筋高度的限制，实现任意高度复合材料加筋壁板结构的RFI整体成型；

⑷采用层间放置树脂膜的方法，使变厚度零件可以按层数控制树脂量，更有利于变厚度零件的RFI成型和不同厚度公差的精确控制。

⑸根据零件铺层层数和单层织物对应树脂膜面密度精确计算零件实际需要的树脂膜面密度，有利于零件树脂含量的精确控制。

附图说明

图1新型RFI工艺预成型体制备示意图；

图2是本发明实施例2变厚度壁板示意图；

图3是图2截面示意图；

图4是本发明实施例3“J”型加筋外壁板结构示意图。

图5是图4中“J”型加筋的截面示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。根据零件纤维体积含量和全铺层层数要求、所采用的织物面密度、织物所采用的纤维密度及基体树脂密度计算树脂膜面密度，按计算所得树脂膜面密度将树脂制备成树脂膜；在预成型体铺叠过程中，将树脂膜逐层铺叠在织物的层间，与织物一起制成预成型体，然后与模具组装、封装后进行树脂膜转移及固化；其工艺步骤为：

(a).根据零件纤维体积含量、所采用的织物面密度、织物所采用的纤维密度及基体树脂密度计算单层织物对应树脂膜的面密度，精确到小数点后一位。

$W_{R0}=\frac{(1-V_f)\·{\mathrm{\ρ}}_R\·W_S}{V_f\·{\mathrm{\ρ}}_f}$ ………………………①

式中：

W_S—织物面密度，g/m²；

ρ_f—织物所采用的纤维密度，g/cm³；

ρ_R—基体树脂密度，g/cm³；

V_f—零件纤维体积含量，％

W_R0-单层织物对应树脂膜面密度，g/m²；

公式推导过程如下：

$\frac{W_S}{{\mathrm{\ρ}}_f}$

——织物面密度除以纤维密度得出单位面积单层织物的体积

$\frac{(1-V_f)\·W_S}{V_f\·{\mathrm{\ρ}}_f}$

——单位面积单层织物的体积除以零件纤维体积含量再乘以树脂体积含量(1-V_f)计算得出单位面积单层织物所需树脂的体积

$\frac{(1-V_f)\·{\mathrm{\ρ}}_R\·W_S}{V_f\·{\mathrm{\ρ}}_f}$

——单位面积单层织物所需树脂的体积乘以树脂密度得出单层织物对应树脂膜面密度，因公式中ρ_R与ρ_f单位一致，V_f与(1-V_f)单位一致，所以单层织物对应树脂膜面密度W_R0的单位与W_S一致。

(b).根据零件全铺层织物层数，计算全铺层织物所需树脂膜层数。

因为预成型体铺叠时，零件最外层织物不需要铺叠树脂膜，因此树脂膜层数N_R比织物层数N_f少一层，即

N_R＝N_f-1………………………②

(c).根据零件全铺层织物层数和全铺层织物所需树脂膜层数，计算调整系数K，精确到小数点后两位。

$K=\frac{N_f}{(N_f-1)}=\frac{N_f}{N_R}$ ………………………③

式中：

N_f—零件全铺层织物层数；

N_R—零件全铺层织物所需树脂膜层数；

由于在预成型体铺叠时，零件最外层织物不需要铺叠树脂膜，因此，树脂膜层数比织物层数少一层，造成零件实际所需树脂膜面密度与单层织物对应树脂膜面密度不同，织物层数越少与按单层织物计算所得的树脂膜面密度差距也就越大，因此，为了精确计算零件所需树脂膜面密度，需要根据零件全铺层层数计算调整系数，以便按调整系数及单层织物对应树脂膜面密度计算零件实际需要的树脂膜面密度。

(d).将单层织物对应的树脂膜面密度乘以调整系数计算零件实际需要的树脂膜面密度，精确到整数位。

W_R＝K·W_R0………………………④

式中：

W_R0—单层织物对应树脂膜面密度，g/m²；

K—调整系数；

W_R—零件实际需要的树脂膜面密度，g/m²；

(e).采用零件要求的基体树脂按公式④计算所得零件实际需要的树脂膜面密度W_R制备树脂膜，树脂膜面密度公差为±5g/m²。

(f).将树脂膜按织物铺层尺寸和层数下料，

全铺层的树脂膜尺寸按全铺层织物尺寸，全铺层树脂膜层数N_R依据零件全铺层织物层数N_f按公式②计算。

当零件有插层要求时，插层的树脂膜尺寸与插层织物尺寸一致，插层树脂膜层数与插层织物数一致。

g.预成型体制备：

按要求的铺层方向和顺序铺叠板件预成型体，铺叠过程中将树脂膜1逐层铺叠在织物2的层间，如图1，与织物一起制成预成型体。

(h).将预成型体与模具组装，封装后按树脂工艺规范固化制备成树脂基复合材料。

实施例1：尺寸为850mm×670mm的板件，该板件材料采用U7192/QY9512，共有24层U7192碳纤维织物，要求成型后板件纤维体积含量60％。U7192碳纤维织物面密度为195g/m²，U7192碳纤维织物采用T700纤维密度1.81g/cm³，QY9512树脂密度1.24g/cm³。我们采用本发明的RFI成型技术，具体工艺步骤如下：

a.根据零件纤维体积含量、所采用的织物面密度、织物所采用的纤维密度及基体树脂密度计算单层织物对应树脂膜的面密度，精确到小数点后一位。

$W_{R0}=\frac{(1-V_f)\·{\mathrm{\ρ}}_R\·W_S}{V_f\·{\mathrm{\ρ}}_f}$ ………………………①

计算得

$W_{R0}=\frac{(1-60\%)\×1.24\×195}{60\%\×1.81}=89.1g/m^2$

b.根据零件全铺层织物层数，计算全铺层织物所需树脂膜层数。

N_R＝N_f-1………………………②

式中，N_f—板件织物层数24，因此全铺层织物所需树脂膜层数N_R＝24-1＝23层

c.根据零件全铺层织物层数和全铺层织物所需树脂膜层数，计算调整系数K，精确到小数点后两位。

$K=\frac{N_f}{(N_f-1)}=\frac{N_f}{N_R}$ ………………………③

计算得

$K=\frac{24}{(24-1)}=1.04$

d.将单层织物对应的树脂膜面密度W_R0乘以调整系数计算零件实际需要的树脂膜面密度。

W_R＝K·W_R0………………………④

计算得

W_R＝K·W_R0＝1.04×89.1＝93g/m²

e.采用QY9512树脂按面密度93±5g/m²制备树脂膜。

f.将树脂膜按零件织物铺层尺寸和层数下料，

板件为全铺层零件，尺寸为850mm×670mm，树脂膜尺寸850mm×670mm。

依据零件全铺层织物层数24按公式②计算得全铺层树脂膜层数N_R＝24-1＝23层。

g.预成型体制备：

按要求的铺层方向和顺序铺叠板件预成型体，铺叠过程中将树脂膜1逐层铺叠在U7192织物2的层间，如图1所示，与织物一起制成预成型体。

h.将板件预成型体与模具组装，封装后按QY9512树脂工艺规范固化制备成树脂基复合材料。

实施例2：图2为外廓尺寸1000mm×650mm的为变厚度壁板结构，材料采用G0827碳纤维织物，织物层数全铺层22层，两端加厚，每端有18层插层，树脂采用QY9512树脂并要求层间增韧，壁板纤维体积含量58％，采用本发明的RFI成型技术。G0827碳纤维织物，面密度为160g/m²，G0827织物采用T300纤维密度1.76g/cm³，增韧QY9512树脂密度1.24g/cm³。具体工艺步骤如下：

a.根据零件纤维体积含量、所采用的织物面密度、织物所采用的纤维密度及基体树脂密度计算单层织物对应树脂膜的面密度，精确到小数点后一位。

$W_{R0}=\frac{(1-V_f)\·{\mathrm{\ρ}}_R\·W_S}{V_f\·{\mathrm{\ρ}}_f}$ ………………………①

计算得

$W_{R0}=\frac{(1-58\%)\×1.24\×160}{58\%\×1.76}=81.6g/m^2$

b.根据零件全铺层织物层数，计算全铺层织物所需树脂膜层数。

N_R＝N_f-1………………………②

式中，N_f—壁板全铺层织物层数22，因此全铺层织物所需树脂膜层数N_R＝22-1＝21层

c.根据零件全铺层织物层数22层和全铺层织物所需树脂膜层数23层，计算调整系数K，精确到小数点后两位。

$K=\frac{N_f}{(N_f-1)}=\frac{N_f}{N_R}$ ………………………③

计算得

$K=\frac{22}{(22-1)}=1.05$

d.将单层织物对应的树脂膜面密度W_R0＝81.6g/m²乘以调整系数1.05计算零件实际需要的树脂膜面密度。

W_R＝K·W_R0………………………④

计算得

W_R＝K·W_R0＝1.05×81.6＝86g/m²

e.采用增韧QY9512树脂按面密度86±5g/m²制备树脂膜。

f.将树脂膜按零件织物铺层尺寸和层数下料，

壁板为为变厚度，全铺层织物尺寸1000mm×650mm，全铺层树脂膜尺寸1000mm×650mm。

全铺层树脂膜层数N_R依据零件全铺层织物层数22按公式②计算得全铺层树脂膜层数N_R＝22-1＝21层。

两端加厚区插层树脂膜尺寸长度均为650mm，宽度按相应插层织物的宽度。插层树脂膜层数与插层织物层数相等每端各为18层。

g.预成型体制备：

按要求的铺层方向和顺序铺叠壁板预成型体，铺叠过程中将树脂膜1逐层铺叠在G0827织物2的层间，如图3所示，与织物一起制成预成型体。

h.将壁板预成型体与模具组装，封装后按QY9512树脂工艺规范固化制备成树脂基复合材料。

实施例3：盒段试验件外壁板结构如图4，外形尺寸为900mm×520mm×105mm(长×宽×高)，纵向带有5根截面为“J”型的加筋，该“J”型加筋外壁板材料采用G0827/QY9512，其中蒙皮30层，加筋15层G0827碳纤维织物，树脂采用QY9512树脂并要求层间增韧，外壁板纤维体积含量要求58％，通过RFI技术整体成型。G0827碳纤维织物面密度为160g/m²，G0827碳纤维织物采用T300纤维密度1.76g/cm³，增韧QY9512树脂密度1.24g/cm³。在此我们采用本发明技术方案，具体工艺步骤如下：

a.根据零件纤维体积含量、所采用的织物面密度、织物所采用的纤维密度及基体树脂密度计算单层织物对应树脂膜的面密度，精确到小数点后一位。

$W_{R0}=\frac{(1-V_f)\·{\mathrm{\ρ}}_R\·W_S}{V_f\·{\mathrm{\ρ}}_f}$ ………………………①

计算得

$W_{R0}=\frac{(1-58\%)\×1.24\×160}{58\%\×1.76}=81.6g/m^2$

b.根据零件全铺层织物层数，计算全铺层织物所需树脂膜层数。

N_R＝N_f-1………………………②

式中，蒙皮和加筋全铺层织物层数N_f蒙和N_f筋分别为30层和15层，按公式，因此蒙皮和加筋全铺层织物所需树脂膜层数N_R蒙和N_R筋公式②计算得N_R蒙＝30-1＝29层；N_R筋＝15-1＝14层。

c.根据零件全铺层织物层数和全铺层织物所需树脂膜层数，计算调整系数K，精确到小数点后两位。

$K=\frac{N_f}{(N_f-1)}=\frac{N_f}{N_R}$ ………………………③

计算得外壁板蒙皮和加筋的调整系数K_蒙和K_筋为:

d.将单层织物对应的树脂膜面密度W_R0乘以调整系数计算外壁板蒙皮和加筋实际需要的树脂膜面密度W_R蒙和W_R筋。

W_R＝K·W_R0………………………④

计算得

W_R蒙＝1.03×81.6＝84g/m²

W_R筋＝1.07×81.6＝87g/m²

e.外壁板蒙皮和加筋所用树脂膜应分别满足84±5g/m²和87±5g/m²的要求，采用增韧QY9512树脂按面密度制备树脂膜，选择面密度82～89g/m²范围内的树脂膜同时用于蒙皮和加筋。

f.将树脂膜分别按零件蒙皮和加筋织物铺层尺寸和层数下料。

外壁板蒙皮和加筋均为全铺层，蒙皮树脂膜尺寸900mm×520mm；加筋树脂膜尺寸按加筋展开后尺寸。

蒙皮树脂膜层数N_R蒙和加筋树脂膜层数N_R筋按公式②计算得N_R蒙＝30-1＝29层；N_R筋＝15-1＝14层。

g.预成型体制备：

按要求的铺层方向和顺序分别铺叠外壁板蒙皮和加筋预成型体，铺叠过程中将树脂膜逐层铺叠在G0827碳纤维织物的层间，与织物一起制成蒙皮和加筋预成型体。蒙皮预成型体铺叠方式见图1所示，加筋预成型体铺叠方式见图5所示。

h.将加筋预成型体与模具组装，封装后按QY9512树脂工艺规范固化制备成树脂基复合材料。

Claims (4)

1.一种树脂膜渗透成型树脂基复合材料的方法，其特征在于：根据零件纤维体积含量要求、所采用的织物面密度、织物所采用的纤维密度及基体树脂密度，计算单层织物对应的树脂膜面密度；根据铺层单元全铺层层数计算调整系数；按单层织物对应的树脂膜面密度和调整系数，计算铺层单元实际需要的树脂膜面密度，将树脂制备成树脂膜；树脂膜按织物铺层尺寸下料；在预成型体铺叠过程中，将树脂膜逐层铺叠在织物的层间，与织物一起制成预成型体，然后与模具组装、封装后进行树脂膜转移及固化；其工艺步骤为：

(a).根据零件纤维体积含量、所采用的织物面密度、织物所采用的纤维密度及基体树脂密度计算单层织物对应树脂膜的面密度，精确到小数点后一位，

$W_{R0}=\frac{(1-V_f)\·{\mathrm{\ρ}}_R\·W_S}{V_f\·{\mathrm{\ρ}}_f}$ ………………………①

式中：

W_S—织物面密度，g/m²；

ρ_f—织物所采用的纤维密度，g/cm³；

ρ_R—基体树脂密度，g/cm³；

V_f—零件纤维体积含量，％

W_R0-单层织物对应树脂膜面密度，g/m²；

(b).根据零件全铺层织物层数，计算全铺层织物所需树脂膜层数，

即

N_R＝N_f-1………………………②

式中：

N_f—全铺层织物层数，层；

N_R—全铺层织物所需树脂膜层数，层；

(c).根据零件全铺层织物层数和全铺层织物所需树脂膜层数，计算调整系数K，精确到小数点后两位，

$K=\frac{N_f}{(N_f-1)}=\frac{N_f}{N_R}$ ………………………③

式中：

N_f—全铺层织物层数，层；

N_R—全铺层织物所需树脂膜层数，层；

(d).根据单层织物对应的树脂膜面密度和调整系数，计算零件实际需要的树脂膜面密度；

W_R＝K·W_R0………………………④

式中：

W_R0—单层织物对应树脂膜面密度，g/m²；

K—调整系数；

W_R—零件实际需要的树脂膜面密度，g/m²；

(e).采用零件要求的基体树脂按公式④计算所得零件实际需要的树脂膜面密度W_R制备树脂膜；

(f).将树脂膜按织物铺层尺寸和层数下料，

全铺层的树脂膜尺寸按全铺层织物尺寸，全铺层织物所需树脂膜层数N_R依据零件全铺层织物层数N_f按公式②计算；

(g).预成型体制备：

按要求的铺层方向和顺序铺叠预成型体，铺叠过程中将树脂膜逐层铺叠在织物的层间，与织物一起制成预成型体；

(h).将预成型体与模具组装，封装后按树脂工艺规范固化制备成树脂基复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种树脂膜渗透成型树脂基复合材料的方法，其特征在于：所述的计算零件实际需要的树脂膜面密度精确到整数位。

3.根据权利要求1所述的一种树脂膜渗透成型树脂基复合材料的方法，其特征在于：用所述计算所得零件实际需要的树脂膜面密度W_R制备树脂膜,其公差为±5g/m²。

4.根据权利要求1所述的一种树脂膜渗透成型树脂基复合材料的方法，其特征在于：当零件有插层要求时，插层的树脂膜尺寸与插层织物尺寸一致，插层树脂膜层数与插层织物层数一致。