CN105269839A - 基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法 - Google Patents

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Abstract

基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，属于形状记忆聚合物智能模具的制备和在碳纤维复合材料帽型筋成型工艺领域。现有的碳纤维复合材料帽型筋成型工艺存在不可重复使用性，劳动成本高，材料生产耗资巨大，生产效率差的问题。一种基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，通过以下步骤实现：确定聚合物的种类；制备固化树脂为形状记忆聚合物的模具；确定制备工艺；确定固化方式；将在形状记忆聚合物智能模具上固化的碳纤维复合材料帽型筋与智能模具脱模。本发明具有劳动成本低、材料生产成本低廉、清洁和生产效率高，轻质轻巧等优点。

Description

基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法。
背景技术
形状记忆材料是能够感知外界环境变化并对其物理参数做出改变的一种重要的智能材料。目前，新材料的研发和应用日新月异，各种形状记忆聚合物不断涌现而且其驱动方法的研究也越来越深入。目前，常用的形状记忆材料主要包括：形状记忆聚氨酯、形状记忆环氧树脂、形状记忆氰酸酯、形状记忆苯乙烯、形状记忆苯乙烯一丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯、形状记忆聚降冰片烯等热固性和热塑性形状记忆聚合物材料。形状记忆聚合物正在医用领域、纺织领域、空间展开结构，智能控制等领域获得广范应用。因此，受到了越来越多的重视。形状记忆聚合物的的形状记忆效应是由它的两相结构引起的，即：记忆起始形状的固定相和随温度变化能可逆地固化和软化的可逆相组成。形状记忆聚合物在玻璃态转化温度以下时，具有普通树脂基聚合物所具有的高比强度、高比刚度等优异的力学性能和承载功能等基本性质；在玻璃态转化温度以上时，玻璃态转化为橡胶态，材料软化，可塑性好，能够产生高达10～50％的可回复变形，最大高达百分之几百，而且其最突出的特点是形状可恢复。因此在智能主动变形结构和智能模具等研究领域显示出巨大的应用潜力。
先进复合材料因其具有比强度、比刚度高以及可设计性等优点已成为现代飞机结构的主要材料之一。在飞机结构设计中，要求设计的构件尽可能轻，同时又要满足强度刚度要求，因此这是对设计人员的最大挑战，而帽型加筋壁板因其具有更好的比刚度，帽型筋条又称为Ω型筋条，相对于T型、工型、L型等结构形式来说，具有结构稳定性好，传递周向载荷效率高的优点，是机身段等筒状结构部件的首选。近年来越来越多的航空结构采用了帽型壁板结构形式以提高复合材料壁板的刚度、减轻结构重量。而帽型筋因其细长的空腔结构，致使其成型后脱模十分困难。
目前，关于碳纤维复合材料帽型筋的制造传统采用预浸料与手工铺层的工艺，其制造在模具钢的阳模上进行的。铺层前，在模具钢表面用脱模剂事先进行脱膜处理。其传统的制造工艺首先手工铺层铺放非常困难，耗费工时。其次，即便阳模进行了预脱模处理，后期的脱模过程亦很困难。基于此，提出的形状记忆聚合物智能模具，是为了解决碳纤维复合材料帽型筋成型工艺过程中的不可重复使用性，劳动成本高，材料生产耗资巨大，生产效率差等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的碳纤维复合材料帽型筋成型工艺存在不可重复使用性，劳动成本高，材料生产耗资巨大，生产效率差的问题，而提出一种基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法。
一种基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，利用基于形状记忆聚合物材料的模具制造纤维复合材料帽型筋模具，所述制造方法通过以下步骤实现：
步骤一、形状记忆聚合物材料智能模具成型过程：
步骤一一、综合所述智能模具的使用温度范围以及所受外界驱动因素、所述智能模具的力学性能、所用成型方法对所述智能模具的影响程度，确定制作所述智能模具所用的形状记忆聚合物的种类；
步骤一二、按照所述智能模具使用过程中力学性能要求确定所用纤维增强相的比例；
步骤一三、按照所选定种类的形状记忆聚合物确定所述智能模具的制备工艺和固化方式；
步骤一四、在固化用的特定模具上确定成型工艺，将形状记忆聚合物材料以及纤维增强相固化形成具有纤维复合材料帽型筋形状及物理参数的所述智能模具；
步骤一五、将经固化得到的所述智能模具与固化用的特定模具脱离，得到基于形状记忆聚合物材料的智能模具；
步骤二、碳纤维复合材料帽型筋成型过程：
步骤二一、在所述智能模具上进行碳纤维层合板的固化成型过程；
步骤二二、待在所述智能模具上固化的碳纤维层合板充分固化后，通过对所述智能模具加热，使其刚度改变，并对所述模具施加载荷，使其形状改变，则所述智能模具的横截面的各个棱的宽度均小于固化于其上的纤维层合板的横截面的各个棱的宽度；
步骤二三、将在所述智能模具上固化的纤维层合板与所述模具脱模；
步骤二四、再次对所述智能模具施以形状复原所需的外界驱动因素，使其恢复初始形状；待下一次使用。
本发明的有益效果为：
本发明的基于形状记忆聚合物的碳纤维复合材料帽型筋的智能模具，首选确定制作所述智能模具所用的形状记忆聚合物的种类和所用纤维增强相的比例，制作形状记忆聚合物材料智能模具，再利用基于形状记忆聚合物材料的模具制造纤维复合材料帽型筋模具，使制造的制作形状记忆聚合物材料智能模具不仅具有普通模具的使用性能，同时在纤维复合材料成型工艺中可以重复使用，具有劳动成本低、材料生产成本低廉、清洁和生产效率高，轻质轻巧等优点。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明实施例涉及的固化智能模具所用模具的底座的结构示意图；
图3为本发明实施例涉及的固化智能模具所用模具的盖的结构示意图；
图4为本发明实施例涉及的固化智能模具所用模具的内模的结构示意图；
图5为本发明实施例涉及的固化智能模具所用模具的外模的结构示意图；
图6为本发明实施例涉及的固化智能模具所用模具的装配图；
图7为本发明实施例涉及的固化成型到的帽型筋横截面图。
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式的基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，结合图1所示流程图，利用基于形状记忆聚合物材料的模具制造纤维复合材料帽型筋模具，所述制造方法通过以下步骤实现：
步骤一、形状记忆聚合物材料智能模具成型过程：
步骤一一、综合所述智能模具的使用温度范围以及所受外界驱动因素、所述智能模具的力学性能、所用成型方法对所述智能模具的影响程度，确定制作所述智能模具所用的形状记忆聚合物的种类；其中，所述模具是指于形状记忆聚合物材料的模具；
步骤一二、按照所述智能模具使用过程中力学性能要求确定所用纤维增强相的比例；
步骤一三、按照所选定种类的形状记忆聚合物确定所述智能模具的制备工艺和固化方式；
步骤一四、在如图2-6所示的固化用的特定模具上确定成型工艺，将形状记忆聚合物材料以及纤维增强相固化形成具有纤维复合材料帽型筋形状及物理参数的所述智能模具；
步骤一五、将经固化得到的所述智能模具与固化用的特定模具脱离，得到基于形状记忆聚合物材料的智能模具；
步骤二、碳纤维复合材料帽型筋成型过程：
步骤二一、在所述智能模具上进行碳纤维层合板的固化成型过程；
步骤二二、由于形状记忆聚合物材料经由环境因素驱动，在外界施加一定的载荷条件下，可任意改变其形状、大小。待在所述智能模具上固化的碳纤维层合板充分固化后，通过对所述智能模具加热，使其刚度改变，并对所述模具施加载荷，使其形状改变，则所述智能模具的横截面的各个棱的宽度均小于固化于其上的纤维层合板横截面的各个棱的宽度；
步骤二三、将在所述智能模具上固化的纤维层合板与所述模具脱模；
步骤二四、再次对所述智能模具施以形状复原所需的外界驱动因素，使其恢复初始形状；待下一次使用。
具体实施方式二：
与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，步骤一一所述的外界驱动因素包括热、溶液、PH值、电、磁、电磁和光以及两种或两种以上的上述因素的协同作用。
具体实施方式三：
与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，步骤一一所述形状记忆聚合物材料智能模具所选用材料具有：记忆起始形状的固定相和随温度变化能可逆地固化和软化的可逆相的形状记忆效应，则所述形状记忆聚合物材料智能模具具有形状恢复的智能性，所述形状记忆聚合物材料智能模具所选用材料具体为形状记忆聚氨酯树脂、聚氨酯类形状记忆聚合物、异氰酸酯类形状记忆聚合物、苯乙烯类形状记忆聚合物、环氧类热塑性形状记忆聚合物或环氧类热固性形状记忆聚合物中的一种。
具体实施方式四：
与具体实施方式三不同的是，本实施方式的基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，步骤一二所述纤维增强相采用石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维和以上纤维织物及硼纤维、碳化硅纤维、碳粉、炭黑、碳纳米管中的一种或几种。
具体实施方式五：
与具体实施方式四不同的是，本实施方式的基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，步骤一二所述纤维增强相材料采用两种或两种以上时，不同纤维增强相材料之间为任意比例。
具体实施方式六：
与具体实施方式一、二、四或五不同的是，本实施方式的基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，步骤二一所述固化成型过程为手糊、模压、热压、真空袋压、拉挤、缠绕和连续缠管工艺方法。
具体实施方式七：
与具体实施方式五不同的是，本实施方式的基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，步骤四所述的环氧树脂在形状记忆聚合物模具上固化时，采用常温固化或高温固化方式进行；其中，常温为室内23-27℃，高温是指370℃左右。
实施例1：
基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，如图2-6所示的智能模具的固化成型所用的特定模具，以及智能模具在120-150℃范围内的工作温度条件，制造出如图7所示的，刚度满足在120℃，能够承受0.6兆帕压强要求的帽型筋横截面图，图中帽型筋横截面的尺寸为：横截面为等腰梯形，上底为30mm，高为30mm，底角为60°，腰长34.64mm。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，其特征在于：利用基于形状记忆聚合物材料的模具制造纤维复合材料帽型筋模具，所述制造方法通过以下步骤实现：
步骤一、形状记忆聚合物材料智能模具成型过程：
步骤一一、综合所述智能模具的使用温度范围以及所受外界驱动因素、所述智能模具的力学性能、所用成型方法对所述智能模具的影响程度，确定制作所述智能模具所用的形状记忆聚合物的种类；
步骤一二、按照所述智能模具使用过程中力学性能要求确定所用纤维增强相的比例；
步骤一三、按照所选定种类的形状记忆聚合物确定所述智能模具的制备工艺和固化方式；
步骤一四、在固化用的特定模具上确定成型工艺，将形状记忆聚合物材料以及纤维增强相固化形成具有纤维复合材料帽型筋形状及物理参数的所述智能模具；
步骤一五、将经固化得到的所述智能模具与固化用的特定模具脱离，得到基于形状记忆聚合物材料的智能模具；
步骤二、碳纤维复合材料帽型筋成型过程：
步骤二一、在所述智能模具上进行碳纤维层合板的固化成型过程；
步骤二二、待在所述智能模具上固化的碳纤维层合板充分固化后，通过对所述智能模具加热，使其刚度改变，并对所述模具施加载荷，使其形状改变，则所述智能模具的横截面的各个棱的宽度均小于固化于其上的纤维层合板的横截面的各个棱的宽度；
步骤二三、将在所述智能模具上固化的纤维层合板与所述模具脱模；
步骤二四、再次对所述智能模具施以形状复原所需的外界驱动因素，使其恢复初始形状；待下一次使用。
2.根据权利要求1所述基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，其特征在于：步骤一一所述的外界驱动因素包括热、溶液、PH值、电、磁、电磁和光以及两种或两种以上的上述因素的协同作用。
3.根据权利要求1或2所述基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，其特征在于：步骤一一所述形状记忆聚合物材料智能模具所选用材料具有：记忆起始形状的固定相和随温度变化能可逆地固化和软化的可逆相的形状记忆效应，则所述形状记忆聚合物材料智能模具具有形状恢复的智能性，所述形状记忆聚合物材料智能模具所选用材料具体为形状记忆聚氨酯树脂、聚氨酯类形状记忆聚合物、异氰酸酯类形状记忆聚合物、苯乙烯类形状记忆聚合物、环氧类热塑性形状记忆聚合物或环氧类热固性形状记忆聚合物中的一种。
4.根据权利要求3所述基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，其特征在于：步骤一二所述纤维增强相采用石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维和以上纤维织物及硼纤维、碳化硅纤维、碳粉、炭黑、碳纳米管中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，其特征在于：步骤一二所述纤维增强相材料采用两种或两种以上时，不同纤维增强相材料之间为任意比例。
6.根据权利要求1、2、4或5所述基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，其特征在于：步骤二一所述固化成型过程为手糊、模压、热压、真空袋压、拉挤、缠绕和连续缠管工艺方法。
7.根据权利要求5所述基于形状记忆聚合物的纤维复合材料帽型筋模具的制备方法，其特征在于：步骤四所述的环氧树脂在形状记忆聚合物模具上固化时，采用常温固化或高温固化方式进行；其中，常温为室内23-27℃，高温是指370℃左右。
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