CN104441697A - 一种复合材料c型制件的预成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于一种复合材料C型制件的预成型方法，所述方法包括：将压实的预浸料叠层夹于聚四氟乙烯布之间；再置于两层隔膜间形成层板；用固定框四周夹紧层板并固定于真空箱；在一定温度和真空下成型为预定的C型制件；冷却至室温。本发明实现了不同尺寸复合材料C型制件坯料的快速成型，可以成型尺寸精度高，缺陷程度低的C形制件预成型体，对于实现具有复杂结构的复合材料构件的快速成型具有重要的意义。

Description

一种复合材料C型制件的预成型方法

技术领域

本发明涉及复合材料的预成型方法，更具体地说，是指纤维或树脂基复合材料C型制件的预成型方法。

背景技术

复合材料C型制件是飞机上常用的复合材料结构件，如用于长桁、机翼翼梁等。在复合材料结构件的成型过程中，采用预浸料的层合结构是最主要的形式之一。在制造过程中，应按照设计要求将裁剪好的预浸料在模具上铺叠成具有一定形状、层数和尺寸的坯料，然后再将坯料放入热压罐等设备进行成型固化，得到最终的产品。传统的制备坯料的预成型工艺主要采用手工铺叠的方式，其生产效率低、劳动强度大，并且预成型后型面精度不容易控制，容易出现纤维褶皱等质量问题，而对于含有曲率结构的C型复合材料制件，这类问题尤为突出。因此，如何提供一种能够解决上述问题的复合材料C型制件的预成型工艺，成为目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合材料C型制件的预成型方法，该方法通过热辐射和真空共同作用，使平板预浸料叠层在聚四氟乙烯布和隔膜的包覆下预成型为C型制件，实现了不同尺寸复合材料C型制件坯料的快速制备。

为实现上述目的，本发明的一种复合材料C型制件的预成型方法，包括如下步骤：

步骤1：将预定尺寸的预浸料铺叠为平板叠层；

步骤2：在室温和真空下，对所述叠层进行预压实；

步骤3：将预压实的预浸料叠层夹在两层聚四氟乙烯布之间，再置于两层隔膜间形成层板；

步骤4：用固定框从层板的外侧将四周夹紧并固定于内置有模具的真空箱中，使层板处于模具的上方；

步骤5：将装有模具和层板的真空箱置于成型室内；

步骤6：模具预热到预定温度后，加热层板，使预浸料叠层达到设定温度，然后对真空箱抽真空，使其达到预定的真空度；由于大气压的作用隔膜拉伸变形，使得预浸料叠层形成预定的C型；

步骤7：将层板冷却至室温后，释放真空，取出预浸料C型制件。

本发明通过将压实的预浸料叠层夹在两层聚四氟乙烯布之间后，再置于两层隔膜间形成层板，然后用固定框从层板的外侧将四周夹紧并固定于真空箱上方，将模具置于真空箱中以及层板下方，再通过热辐射和真空共同作用进行预成型。这样的方式能够使其避免边角发生滑移并拉散的现象，从而确保C型制件的制造质量。

根据本发明的优选方式，所述预浸料的材料为纤维与树脂的组合。

根据本发明的优选方式，所述纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或其组合。

根据本发明的优选方式，所述树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、苯并噁嗪树脂、双马树脂或其组合。

本发明的预浸料是由上述纤维和树脂作为基体而制备。

本发明中，优选的，根据设计要求预浸料叠层的尺寸最大为模具尺寸的0.8倍以内；聚四氟乙烯布的尺寸与预浸料的尺寸相适应，通常是预浸料叠层尺寸的1.1-1.3倍；隔膜的尺寸通常大于预浸料和四氟布的尺寸，优选是预浸料尺寸的1.5-2.5倍。

根据本发明的优选方式，所述预浸料叠层在0.085-0.1MPa真空压力下进行10-40min的预压实

本发明中，在形成预浸料叠层时，对于纤维铺层方向没有特别限定。

本发明中，预浸料叠层的层数没有特殊限制，典型值为8-64层。

本发明中，所述模具尺寸小于真空箱体尺寸，通常是箱体尺寸的0.8倍以内，优选是0.5-0.8倍。

本发明中，在成型时抽真空速率为0.1-120L/min，优选是10-50L/min，可以兼顾成型的效率和成型的质量。

本发明中，模具的预定温度为25-100℃。

本发明中，层板的成型温度为室温-200℃。

本发明中，优选地，通过红外辐射加热层板。

本发明中，成型时，真空室中的真空度为0.085-0.1MPa，最优选为约0.1MPa，有利于减小层板中的夹杂空气、保证预浸料叠层的表面质量。

根据本发明的优选方式，在两层隔膜之间以及层板和模具之间分别设置抽真空，以排除平板预浸料叠层内部的夹杂空气，同时保证成型过程中预浸料叠层表面的平整度。

根据本发明的优选方式，在当预浸料达到成型设定温度后，对隔膜和真空箱进行抽真空，抽真空速率优选为0.1-120L/min，达到的真空度优选为0.085-0.1MPa。

在大气压的作用下，隔膜被拉伸，从而使得预浸料叠层在该拉伸力的作用下逐渐形成C形结构，在达到预定的C型结构后，将预浸料叠层温度降低至室温，关闭真空装置并取出制件。通常成型的时间为10-250s。

本发明复合材料C型制件的预成型工艺方法的优点在于：(1)实现不同尺寸复合材料C型制件的预成型；(2)适用于玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等各种纤维及环氧树脂、酚醛树脂、苯并噁嗪树脂、双马树脂等不同类型基体制备的预浸料；(3)预成型制件尺寸精度高，缺陷程度低；(4)成型迅速，操作方便。

附图说明

图1是根据一个具体实施方式的预成型流程图。

图2是根据一个具体实施方式的模具装配示意图。

图3是根据一个具体实施方式的C型制件的预成型装置示意图。

图4a和4b是根据本发明的实施例1，采用两层聚四氟乙烯布和两层隔膜进行预成型，得到的预浸料C型制件的照片，其中没有边角滑移和拉散现象。

图5a和5b是根据对比例1，未采用聚四氟乙烯布，仅采用两层隔膜，得到的C型制件的照片，从图中可见，具有严重的边角滑移和拉散现象。

图6a和6b是根据本发明的实施例1，采用固定框夹紧，而得到的C型制件的局部照片和拐角照片，从图中可见所述成型件没有明显褶皱，而且孔隙缺陷减少。

图7a和7b是根据对比例2，未采用固定框夹紧，而得到的C型制件的局部照片和拐角照片，从图中可见所述成型件具有明显褶皱和孔隙缺陷。

附图标记：

101：红外灯        102：预浸料层板

103：热隔膜        104：真空箱

105：C型模具       106：加热片

107：成型室

201：上隔膜        202：下隔膜

203：预浸料层板    204：C型模具

205：真空箱        206：聚四氟乙烯布

207：固定框

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种复合材料C型制件的预成型工艺方法，一个具体实施方式的流程如图1所示，包括如下步骤：

按照设计要求的尺寸裁剪预浸料；

将裁剪为预定尺寸的预浸料按照设计要求的方向和层数铺叠为平板叠层；

在室温和真空下，对所述叠层进行预压实；

将预压实的预浸料叠层夹在两层聚四氟乙烯布之间，再置于两层隔膜间形成层板；

用固定框从层板的外侧将四周夹紧并固定于内置有模具的真空箱中，使层板处于模具的上方；

将装有模具和层板的真空箱置于成型室内；

模具预热到预定温度后，加热层板，使预浸料叠层达到设定温度，然后对真空箱抽真空，使其达到预定的真空度；由于大气压的作用隔膜拉伸变形，使得预浸料叠层形成预定的C型；

将层板冷却至室温后，释放真空，取出预浸料C型制件。

预浸料叠层

将预浸料按照设计要求进行裁剪并铺层。所述预浸料中的纤维是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或者玄武岩纤维等；所述预浸料增强体是单向纤维、纤维织物等；所述预浸料中树脂是环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、苯并噁嗪树脂、双马树脂等。可以根据所期望的C型制件的要求以及模具，采用各种尺寸、铺层方向以及层数形成叠层。本发明中，根据设计要求预浸料叠层的尺寸最大为模具尺寸的0.8倍以内；聚四氟乙烯布的尺寸与预浸料叠层的尺寸相适应，通常是预浸料叠层叠层尺寸的1.1-1.3倍；隔膜的尺寸通常大于预浸料叠层和聚四氟乙烯布的尺寸，优选是预浸料叠层尺寸的1.5-2.5倍。

铺叠平板预浸料叠层

将裁剪好的预浸料按照一定的铺层顺序铺覆为平板预浸料叠层，在室温下对预浸料叠层在0.085-0.1MPa真空压力下进行10-40min的预压实处理，制备完毕。

装配模具

图2为模具装配示意图，将预浸料叠层203置于两层聚四氟乙烯布206之间；然后再置于上隔膜201和下隔膜202之间形成层板，例如预浸料叠层尺寸为200×140mm，聚四氟乙烯布尺寸为240×170mm，隔膜尺寸为400×280mm。C型模具204置于真空箱205的中央。用固定框207从隔膜的外侧在层板四周夹紧，并锁紧在真空箱205上方。在两层隔膜之间，在隔膜和真空箱之间形成两个封闭的空间。

温度和真空控制

将装配好的模具105和层板102放入如图3所示的成型箱体107内，打开控制两层隔膜(201和202)间真空的真空阀(抽真空1)，排除平板叠层内部的夹杂空气，同时保证成型过程中预浸料叠层表面的平整度。而后，通过设置于模具中的加热片106开始模具预热过程，从室温升到模具预热温度，由于升温速度高时，制件温度均匀性差，升温速度低时，加热时间长，因此，本发明中优选以1-3℃/min的速率进行升温，升温到如25-100℃，优选为35-80℃，更特别是60℃，预热系统保持保温状态。当模具达到预热温度时，打开红外加热灯101，温度迅速升高。当包含预浸料203室温层板102达到成型设定温度时，打开控制隔膜与真空箱之间真空的真空阀(抽真空2)，以一定的抽真空速率抽真空，真空度达到0.085-0.1MPa，优选为0.1MPa。成型设定温度依材料流变特性和固化特性等而定，本发明中优选成型温度范围：室温-200℃。真空度：0.085-0.1MPa。抽真空速率：0.1-120L/min。

C型制件成型

在大气压的作用下，隔膜103(即图1中的201和202)被拉伸，预浸料叠层203在该拉伸力的作用下逐渐形成C形结构，成型时间为10-250s。最后，关闭红外加热灯和模具预热系统，预浸料温度降低至室温，关闭真空装置并取出制件。

以下结合具体实施例说明书本发明的C型之间的预成型方法的优点。

实施例1：

采用T300碳纤维/双马树脂单向预浸料(QY8911，可商购自北京航空制造工程研究所)为测试对象，在室温下将预浸料裁成200×140mm大小并铺叠为平板预浸料叠层，铺层方式为[45/-45]_4s(即由底面向上至顶面的铺设顺序，具体为[45/-45/45/-45/45/-45/45/-45/-45/45/-45/45/-45/45/-45/45])。铺层层数为16层。聚四氟乙烯布尺寸为240×170mm，隔膜尺寸为400×280mm。C型模具拐角半径为6mm。模具预热温度为35℃，成型温度为45℃，以120L/min的速率进行抽真空，成型时间为12s。

实施例2：

采用S-2玻璃纤维/环氧树脂平纹织物预浸料(12500，可商购自山东光威有限公司)为测试对象在室温下将预浸料裁成300×240mm大小并铺叠为平板预浸料叠层，铺层方式为准各向铺层(如[±45/90/0]_s，具体为[45/-45/90/0/0/90/-45/45])，层数16层。聚四氟乙烯布尺寸为330×270mm，隔膜尺寸为500×400mm。C型模具拐角半径为8mm。模具预热温度为60℃，成型温度为80℃，以0.36L/min的速率进行抽真空，成型时间为77s。

实施例3：

采用T800碳纤维/环氧单向预浸料(X850，可商购自美国Cytec公司)，在室温下将预浸料裁成100×100mm大小并铺叠为平板预浸料叠层，铺层方式为单向铺层(即，铺层中纤维方向均为0°)，层数为64层。聚四氟乙烯布尺寸为120×120mm，隔膜尺寸为200×200mm。C型模具拐角半径为8mm。C型模具拐角半径为4mm。模具预热温度为48℃，成型温度为60℃，以0.18L/min的速率进行抽真空，成型时间为140s。

上述实施例中所用聚四氟乙烯布为RELEASE 234TFP，可商购自美国Airtech公司。隔膜为SL850，可商购自美国Airtech公司。

以上实施例得到的C型制件均具有良好的型面精度，通常误差在±0.1mm以内，型面平整未发现任何皱褶，以及没有边角滑移拉散现象。采用本发明的方法可以制备各种尺寸的精度良好的不同复合材料的C型制件。

以下通过与对比例的对比进一步说明本发明的有益效果。

对比例1

图5a和5b是将预浸料叠层直接夹在隔膜之间，其他同实施例1，而得到的成型制件照片。

从图5a和5b可见，成型的预浸料叠层具有边角处纤维拉散现象。这是因为成型过程中预浸料叠层与隔膜之间有很大的摩擦力，两者贴合过紧，导致隔膜拉伸变形带动粘附在其上的预浸料叠层变形，使预浸料叠层的边角处发生滑移，容易发生拉散现象，发生这种情况，容易导致制件报废。

而图4a和4b为实施例1得到的成型制件照片。由于采用了与预浸料叠层和隔膜粘合性均不大的聚四氟乙烯布，先将预浸料叠层包裹，然后再用隔膜包裹，从而避免了预浸料叠层与隔膜的直接接触，成型过程中预浸料叠层边角处的变形。从图中可以明显看出，所得到的预成型体的表面光滑度明显提高，预成型体尺寸均匀，边角的纤维拉散现象也消除。

对比例2

图7a和7b是未采用固定框从层板的外侧将四周夹紧并固定，其他同实施例1，而得到的成型制件得局部照片和拐角处照片。

从图7a和7b可见，这样得到的成型制件，容易导致隔膜与预浸料叠层的变形不一致，在制件拐角处容易出现褶皱和更多的孔隙缺陷(3.5％左右)。

图6a和6b是根据实施例1得到的成型制件的局部照片和拐角处照片。由于采用固定框从层板的外侧将四周夹紧并固定于真空箱上方，如图5a和5b可见，该措施保证隔膜与预浸料叠层的协同变形，没有褶皱，且孔隙缺陷减少(1.8％左右)。

实施例2和3得到的成型制件也达到了与实施例类似的效果。

综上所述，采用本发明的方法，特别是采用聚四氟乙烯布和隔膜结合使用，以及采用固定框将预浸料叠层固定于真空箱体的方式，可以得到表面性能令人满意的成型制件。

Claims (13)

1.一种复合材料C型制件的预成型方法，包括如下步骤：

步骤1：将预定尺寸的预浸料铺叠为平板叠层；

步骤2：在室温和真空下，对所述叠层进行预压实；

步骤3：将预压实的预浸料叠层夹在两层聚四氟乙烯布之间，再置于两层隔膜间形成层板；

步骤4：用固定框从层板的外侧将四周夹紧并固定于内置有模具的真空箱中，使层板处于模具的上方；

步骤5：将装有模具和层板的真空箱置于成型室内；

步骤6：将模具预热到预定温度后，加热层板，使预浸料叠层达到设定温度，然后对真空箱抽真空到预定的真空度，隔膜拉伸变形，使得预浸料叠层形成预定的C型；

步骤7：将层板冷却至室温后，释放真空，取出预浸料C型制件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预浸料叠层在0.085-0.1MPa真空压力下进行10-40min的预压实。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预浸料的材料为纤维与树脂的组合。

4.权利要求3所述的方法，其特征在于，所述纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或其组合。

5.权利要求3所述的方法，其特征在于，所述树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、苯并噁嗪树脂、双马来酰胺树脂或其组合。

6.权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述预浸料的最大尺寸为模具尺寸的0.8倍以内；聚四氟乙烯布的尺寸是预浸料叠层尺寸的1.1-1.3倍；隔膜的尺寸是预浸料尺寸的1.5-2.5倍。

7.权利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，所述预浸料的层数为8-64层。

8.权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于，所述模具尺寸为真空箱体尺寸的0.8倍以内。

9.权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，用红外灯照射加热层板。

10.权利要求1-9任一所述的方法，其特征在于，抽真空速率为0.1-120L/min。

11.权利要求1-10任一所述的方法，其特征在于，所述成型温度为室温-200℃。

12.权利要求1-11任一所述的方法，其特征在于，所述成型的真空度为0.085-0.1MPa。

13.权利要求1-12任一所述的方法，其特征在于，所述成型的时间为10-250s。