CN105172163B - 一种构建复合材料可控波纹缺陷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种构建复合材料可控波纹缺陷的方法，采用以下步骤：1)在钢化玻璃模具上依次铺放第一根大刚度金属丝、下层脱模布、干纤维织物和上层脱模布，用密封胶分别将大刚度金属丝两端与上下两层脱模布均固定在钢化玻璃模具上；2)在上层脱模布上再铺设两根大刚度金属丝，两根大刚度金属丝与第一根大刚度金属丝平行放置，并且与第一根大刚度金属丝的距离均相等，最后铺设导流网；3)在整个体系气密性良好情况下，采用真空辅助树脂注射成型工艺完成均一波纹缺陷的制作。本发明的有益效果是：配合真空辅助树脂注射成型工艺(VARI)，得到与工程实际中类似的梯度波纹和局部波纹，使制作的波纹缺陷更具有实际研究价值。

Description

一种构建复合材料可控波纹缺陷的方法
技术领域
本发明涉及复合材料性能评估领域，具体涉及一种构建复合材料可控波纹缺陷的方法，用于制备含波纹缺陷的复合材料层合板，为定量研究波纹/皱褶类缺陷对复合材料力学性能的影响奠定基础。
背景技术
波纹/皱褶类缺陷是复合材料生产过程中一种极为常见的缺陷，主要有面内波纹和面外波纹两大类。波纹产生的原因是多种多样的，如纤维缠绕过程中增强纤维局部屈曲，环向缠绕张力压迫下层纤维，基体/纤维/模具之间热膨胀系数不匹配引起残余应力等。波纹缺陷能够引起复合材料刚度、强度显著下降，应力集中、裂纹萌生，容易诱发复合材料发生剪切破坏，导致复合材料结构件过早失效，严重影响复合材料性能和制约复合材料应用。
在复合材料大制件中不可避免地会存在波纹缺陷，随着复合材料大制件越来越广泛的应用，这种缺陷越来越受到人们的关注。为准确预测波纹缺陷对复合材料力学性能影响，开展对复合材料刚度、强度、失效机制的评估，构建可控波纹缺陷是首先需要解决的问题。
目前，国内开展复合材料波纹缺陷研究工作的科研院校与企业较少，也鲜有公开发表与波纹缺陷相关的科研成果。国外早在上世纪90年代就开始研究缺陷对复合材料力学性能的影响，相关研究主要集中在碳纤维预浸料领域。实际上许多复合材料大制件生产主要是使用玻璃纤维增强材料，干的玻璃纤维织物与碳纤维预浸料完全不同，前者不容易固定，此外还要考虑成型过程中树脂的浸润、渗透和传递过程，所以不可能借鉴碳纤维预浸料构建波纹缺陷的方法。因此，如何利用干纤维织物构建可控波纹缺陷，模拟工业生产过程中复合材料结构件中频繁出现的波缺陷，成为亟需解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种构建复合材料波纹缺陷的方法，用于制备含波纹缺陷的复合材料层合板，为定量研究波纹/皱褶类缺陷对复合材料力学性能的影响奠定基础。
为了实现这一目的，本发明所采用的技术方案是：一种构建复合材料可控波纹缺陷的方法，其为制作均一波纹缺陷时，采用以下步骤：
1)在钢化玻璃模具上依次铺放第一根大刚度金属丝、下层脱模布、干纤维织物和上层脱模布，用密封胶分别将大刚度金属丝两端与上下两层脱模布均固定在钢化玻璃模具上；
2)在上层脱模布上再铺设两根大刚度金属丝，两根大刚度金属丝与第一根大刚度金属丝平行放置，并且与第一根大刚度金属丝的距离均相等，最后铺设导流网；
3)在整个体系气密性良好情况下，采用真空辅助树脂注射成型工艺(VARI)完成均一波纹缺陷的制作。
按上述方案，所述的大刚度金属丝为钢丝。
按上述方案，所述的大刚度金属丝的截面为圆形，其长度比干纤维织物层宽度长8mm-12mm。
按上述方案，步骤2)所述的两根大刚度金属丝的两端利用密封胶固定在钢化玻璃模具上，并将大刚度金属丝两端用密封胶垫起，其垫起高度等于干纤维织物铺层厚度。
本发明提出的另一技术方案，一种构建复合材料波纹缺陷的方法，其为制作梯度波纹与局部波纹缺陷时，采用以下步骤：
1)在钢化玻璃模具上依次铺放第一根大刚度金属丝、下层脱模布、干纤维织物和上层脱模布，用密封胶分别将大刚度金属丝两端与上下两层脱模布均固定在钢化玻璃模具上；
2)在上层脱模布上再铺设两根大刚度金属丝，两根大刚度金属丝与第一根大刚度金属丝平行放置，并且与第一根大刚度金属丝的距离均相等，最后铺设导流网；
3)在整个体系气密性良好情况下，采用真空辅助树脂注射成型工艺(VARI)完成预成型均一波纹薄板的制作；
4)将制得的预成型均一波纹薄板的凹面朝上，并放置在干纤维织物层中，在体系气密性良好的情况下，采用真空辅助树脂注射成型工艺(VARI)完成梯度波纹与局部波纹缺陷的制作。
按上述方案，所述的大刚度金属丝为钢丝。
按上述方案，所述的大刚度金属丝的截面为圆形，其长度比干纤维织物层宽度长8mm-12mm。
按上述方案，步骤2)所述的两根大刚度金属丝的两端利用密封胶固定在钢化玻璃模具上，并将大刚度金属丝两端用密封胶垫起，垫起高度等于干纤维织物铺层厚度。
按上述方案，步骤4)所述预成型均一波纹薄板置于干纤维织物层的中间位置。
本发明的有益效果是：采用上述技术方案，能够方便地制作复合材料均一波纹、梯度波纹和局部波纹三类缺陷，利用密封胶固定钢丝，在固定钢丝的同时，通过垫高钢丝两端，能够有效防止钢丝弯曲，实现对波纹参数(波长λ与振幅A)的准确控制。此外，通过调整相邻钢丝之间的距离得到不同波纹比(A/λ)的波纹。制作的含均一波纹缺陷薄板，凹面朝上放置在干纤维织物中，配合真空辅助树脂注射成型工艺(VARI)，得到与工程实际中类似的梯度波纹和局部波纹，使制作的波纹缺陷更具有实际研究价值。该方法的提出符合科学问题的工程背景(玻璃纤维增强复合材料大制件应用广泛)，具有较好的实际意义，兼具制作工艺简单，成本低廉，可控性好的特点。
附图说明
图1为本发明构建复合材料均一波纹缺陷的纤维铺层示意图；
其中，1—密封胶；2—螺旋管；3—进胶管；4—真空袋；5—钢丝(底层钢丝编号为a，上层钢丝编号分别为b、c)；6—导流网；7—上层脱模布；8—干纤维织物；9—下层脱模布；10—吸胶毡；11—出胶管；12—钢化玻璃模具；13—真空泵体系；14—存胶体系；
图2为本发明构建复合材料梯度波纹缺陷的纤维铺层示意图；
其中，1—密封胶；2—螺旋管；3—进胶管；4—真空袋；6—导流网；7—上层脱模布；8—干纤维织物；9—下层脱模布；10—吸胶毡；11—出胶管；12—钢化玻璃模具；13—真空泵体系；14—存胶体系；15—预成型均一波纹薄板；
图3为本发明构建复合材料局部波纹缺陷的纤维铺层示意图；
其中，1—密封胶；2—螺旋管；3—进胶管；4—真空袋；6—导流网；7—上层脱模布；8—干纤维织物；9—下层脱模布；10—吸胶毡；11—出胶管；12—钢化玻璃模具；13—真空泵体系；14—存胶体系；15—预成型均一波纹薄板；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明，但是此说明不会构成对本发明的限制。
如图1所示，本发明制作复合材料均一波纹缺陷时，采用以下步骤：
第一步：在钢化玻璃模具上依次铺放一定尺寸钢丝5、下层脱模布9(保持与前面附图说明中一致)、干纤维织物8、上层脱模布7，用密封胶分别将钢丝两端与两层脱模布的四角固定在钢化玻璃模具12上，钢丝5截面为圆形，刚度大，钢丝5的长度比干纤维织物层宽度长10mm左右,用密封胶将钢丝5、下层脱模布9与上层脱模布7固定在钢化玻璃模具上；
第二步：在上层脱模布7上铺设两根钢丝5，两根钢丝与第一根钢丝平行放置，并且与第一根钢丝的距离均相等，两根钢丝5两端利用密封胶固定在钢化玻璃模具上，并将钢丝两端用密封胶垫起，垫起高度等于干纤维织物铺层厚度，接着在其上铺设导流网，然后依次铺设进胶管3、螺旋管2、出胶管11、吸胶毡10，进胶管3与存胶体系14相连，出胶管11与真空泵体系13相连，最后用密封胶1与真空袋4将整个体系密封；
第三步：在体系气密性良好的情况下，采用真空辅助树脂注射成型工艺(VARI)完成均一波纹缺陷的制作；
如图2及图3所示，本发明制作复合材料梯度波纹或局部波纹缺陷时，采用以下步骤：
第一步：借助上述制作均一波纹板的方法制作预成型均一波纹薄板15；
第二步：将制得的预成型均一波纹薄板15波峰朝向模具，预成型均一波纹薄板15需要用无水乙醇将其表面擦拭干净，并在室温干燥箱中干燥后，放置在干纤维织物8的中间位置，预成型均一波纹薄板15不需要进行后固化处理，接着在其上铺设导流网6，然后依次铺设进胶管3、螺旋管2、出胶管11、吸胶毡10，进胶管3与存胶体系14相连，出胶管11与真空泵体系13相连，最后用密封胶1与真空袋4将整个体系密封；
第三步：在体系气密性良好的情况下，采用真空辅助树脂注射成型工艺(VARI)完成梯度波纹和局部波纹缺陷的制作。
为了对本发明的实施方式进一步的说明，本例对采用上述方法制作波纹比(A/λ)为0.05的均一波纹缺陷的方法进行举例描述，但是不限于本发明，本领域技术人员可以知晓其他规格的部件以及形成波纹缺陷制作装置。
如图1所示，钢丝5(a,b,c)长220mm，截面半径为0.8mm；钢化玻璃模具12长600mm、宽400mm、高4mm；干纤维织物8单层长320mm、宽200mm、厚0.3mm；上层脱模布7长340mm、宽210mm；下层脱模布9长360mm、宽210mm；导流网6长320mm、宽180mm；螺旋管2长170mm。
复合材料波纹缺陷制作的步骤包括：
第一步：用酒精清理钢化玻璃模具12，保证模具表面光滑无异物，待酒精全部挥发后，在靠近模具边缘20mm的位置贴一圈密封胶1。其次，将钢丝5(a)两端用密封胶1固定在钢化玻璃模具12的中间位置，并与钢化玻璃模具12的长度方向垂直，两端的固定长度为10mm。接着，将下层脱模布9平铺在钢化玻璃模具12的中间位置，保证其长度方向与钢化玻璃模具12的长度方向平行，并用密封胶将其四角固定在钢化玻璃模具12上。然后，将干纤维织物8平铺在下层脱模布9的中间位置，保证其长度方向与钢化玻璃模具12的长度方向平行，干纤维织物8的层数为36层。最后，将上层脱模布7平铺在干纤维织物8上，保证其处于钢化玻璃模具12的中间位置，且其长度方向与钢化玻璃模具12的长度方向平行，并将其四角用密封胶固定在钢化玻璃模具12上。
第二步：在脱模布7上铺设两根钢丝5(b)、5(c)，两根钢丝5(b)、5(c)与第一根钢丝5(a)平行放置，并且与第一根钢丝5(a)的距离均为8mm，钢丝5(b)、5(c)两端利用密封胶固定在钢化玻璃模具上，并将钢丝两端用密封胶垫起，垫起高度等于干纤维织物铺层厚度。将导流网6一端固定在钢化玻璃模具12上，另一端平铺在干纤维织物8上，保证其长度方向与干纤维织物8的长度方向一致，两条较长边距干纤维织物8的较长边的距离均为10mm，并且能够覆盖干纤维织物8的7/8长度。在平行于纤维织物的宽度方向并与干纤维织物距离40mm的位置分别铺设进胶管3、螺旋管2与出胶管11，其中进胶管3、螺旋管2铺设在导流网6的固定端。接着，将吸胶毡10铺设在干纤维织物8与螺旋管2之间，进胶管3与存胶体系14相连，出胶管11与真空泵体系13相连，最后用密封胶1与真空袋4将整个体系密封；
第三步：在体系气密性良好的情况下，采用真空辅助树脂注射成型工艺(VARI)完成均一波纹缺陷的制作；
本例经过多次试验，加工制作方法简单，可以构建风机叶片等复合材料厚制件中存在的均一波纹缺陷。利用上述方法制作含均一波纹缺陷薄板，将其置于干纤维织物的中间层，不使用钢丝5，采用相同方式布置真空辅助树脂注射成型工艺(VARI)体系，能够制作梯度波纹缺陷，增加干纤维织物层的层数，能够制作局部波纹缺陷。上述实施例解决了干纤维织物构建复合材料可控波纹缺陷的难题，提高了复合材料厚制件力学性能评价水平，具有广泛的工程应用前景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种构建复合材料波纹缺陷的方法，其为制作梯度波纹与局部波纹缺陷时，采用以下步骤：
1)在钢化玻璃模具上依次铺放第一根大刚度金属丝、下层脱模布、干纤维织物和上层脱模布，用密封胶分别将大刚度金属丝两端与上下两层脱模布均固定在钢化玻璃模具上；
2)在上层脱模布上再铺设两根大刚度金属丝，两根大刚度金属丝与第一根大刚度金属丝平行放置，并且与第一根大刚度金属丝的距离均相等，最后铺设导流网；所述的两根大刚度金属丝的两端利用密封胶固定在钢化玻璃模具上，并将大刚度金属丝两端用密封胶垫起，垫起高度等于干纤维织物铺层厚度；
3)在整个体系气密性良好情况下，采用真空辅助树脂注射成型工艺(VARI)完成预成型均一波纹薄板的制作；
4)将制得的预成型均一波纹薄板的凹面朝上，并放置在干纤维织物层中，所述预成型均一波纹薄板置于干纤维织物层的中间位置；在体系气密性良好的情况下，采用真空辅助树脂注射成型工艺(VARI)完成梯度波纹与局部波纹缺陷的制作。
2.根据权利要求1所述的构建复合材料波纹缺陷的方法，其特征在于：所述的大刚度金属丝为钢丝。
3.根据权利要求1或2所述的构建复合材料波纹缺陷的方法，其特征在于：所述的大刚度金属丝的截面为圆形，其长度比干纤维织物层宽度长8mm-12mm。
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