CN105946249B - 一种测试用复合板材试样的制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用真空灌注工艺制备表面光滑厚度均匀的测试用复合材料板材的装置及方法，平滑表面玻璃板材的制备需要舍弃导流网等辅助材料，这一方法同时也造成了树脂的灌注速度慢、流速变化大，造成了制备的板材厚度均一性差。本发明优化了多孔压板的开孔方式及树脂的灌注方式，从而保证了树脂在短时间内以相同的速度浸润增强材料，制备出厚度均匀的板材；在试验平台与带孔板中间放置所需厚度的垫片，并且通过树脂流量调节器控制树脂灌注速度及灌注量，从而保证了制品中的纤维含量稳定性以及板材的厚度可调节性。本发明与现有的技术相比大大提高了测试试样的规范性，测试结果具有更高的参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及实验室用复合材料试样力学性能测试领域，尤其涉及一种采用真空灌注工艺制备表面光滑厚度均匀的测试用复合板材试样的制备装置及方法。
背景技术
复合材料既是材料，又是结构，最终是制品，各要素之间的合理匹配是决定复合材料制品性能优劣的关键。由于复合材料本身就是结构，在进行复合材料设计时，不能简单的选择材料，而是要同时设计材料，因此，认识材料就不仅是了解材料的性能参数，而且要掌握复合材料的性能机理。复合材料的性能试验变得更加重要，而制样的好坏在一定程度上影响着复合材料的性能测试结果。真空灌注工艺与传统的制造工艺相比，制品中的气泡少，体系中不留多余的树脂，并且由于真空产生的压力是一致的，因此树脂对纤维的浸润速度趋于一致。正是因为这些优势，目前大部分采用真空灌注工艺进行复合材料制品的生产。
采用真空灌注工艺制备复合材料测试试样，主要包括真空袋、隔离膜、脱模布、导流网等辅助材料。这种普遍的制样方法，一方面导流网及脱模布的使用会使制得的玻璃钢板表面留有凹凸不平的网状痕迹，从而导致不准确的厚度测量，影响测试结果。另一方面，在纤维含量一定的情况下，不同的试样厚度得到的应力及模量也不同，因此试样的厚度控制显得尤其重要，而传统的制样方法却无法精确的对厚度进行调控。近几年来，许多科研工作者对板材厚度控制进行了大量的工作，大部分工作者舍弃导流网的导流作用，采用带孔平压板来保证制品的表面光滑性，采用垫片等材料来控制制品的厚度，但是发明装置却忽略了灌注过程中树脂流动速度及流速各处差异性对板材厚度均匀性的影响。现有技术中也有在模具上面放置垫片控制玻璃板的厚度，在玻纤布上铺放类似隔离膜的不锈钢多孔平板来控制玻璃板表面的平整度，此方法采用不锈钢多孔平板孔注入树脂的方式很易造成树脂在孔处的过多堆积，以及孔处玻纤平整性在抽气过程中易受影响，厚度均匀性不佳。现有技术中也有在上模板和下模板之间通过定力夹具搭扣连接，浇注区外用一定厚度的垫片控制板材的厚度，此装置中采用的点式注胶，点式抽气的方式由于没有导流网的导流作用，树脂灌注速度慢，并且由于树脂随着灌注时间的延长粘度增大，灌注速度更慢，这很容易造成注胶口附件玻璃板厚度高于抽气口周边，从而造成制备的玻璃钢板厚度均匀性差。
因此，进一步优化光滑压板，改进树脂灌注工艺，寻求一种表面光滑并且厚度均一的测试用复合板材的制备方法具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种采用真空灌注工艺制备表面光滑并且厚度均一的复合材料试样的制备装置及方法。
本发明为实现上述技术目的所采用的技术方案如下：
一种复合材料板材试样的制备装置，包括玻璃试验平台、多孔压板、布氏漏斗、抽气管、真空泵、透气毡、螺旋管、注胶管和树脂桶，其特征在于，玻璃试验平台的上表面在使用时均匀涂抹有脱模剂层，脱模剂层上铺设制备若干层增强材料，在增强材料的边沿均布有若干个等厚度的垫片，增强材料正上方设置多孔压板，且多孔压板由所述若干个等厚度的垫片支撑，多孔压板上的各通孔沿其中心线分布，每一通孔处设置一布氏漏斗，布氏漏斗底部的平面孔板部与增强材料接触，布氏漏斗顶部的圆管部与抽气管连接，抽气管与真空泵连接，增强材料的两个对边铺设透气毡，另两个对边铺设螺旋管，螺旋管的中间接注胶管，注胶管的另一端与树脂桶用连接；玻璃试验平台的正上方铺设一真空袋，将增强材料、透气毡、螺旋管、抽气管和多孔压板等覆盖。
优选地，每一布氏漏斗底部的平面孔板部与增强材料之间设置VAP膜。
优选地，螺旋管的中间接出注胶管，注胶管的另一端用密封胶条密封，注胶管上安装树脂流量调节器。
优选地，所述树脂桶用以盛放脱泡后的重量的树脂，使用时树脂桶放置在称重天平上。
优选地，真空袋的边缘用密封胶条密封并固定在玻璃试验平台上。
优选地，增强材料为碳纤维布、玻璃纤维布中的任意一种或几种。
进一步地，增强材料为0度纱线时，注胶区为平行0度纱线的位置。
优选地，多孔压板为金属板、钢化玻璃板的任意一种或几种。
进一步地，所述多孔压板的孔区域设置在多孔板的中心线处，个数为 2-100个。
优选地，布氏漏斗的口径略小于多孔压板的孔径，两者用强力双面胶带粘结成一整体。
优选地，树脂为环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和树脂的任意一种或几种。
优选地，多孔压板及玻璃试验平台的表面均是光滑的。
优选地，各垫片厚度为0.1-200mm。
优选地，多孔压板在使用前用脱模剂对其表面及孔周围进行处理。
根据本发明的另一方面，还提供了一种利用上述装置制备复合材料板材试样的方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
SS1.在玻璃试验平台上均匀的涂抹一层脱模剂；
SS2.脱模剂晾干后铺设若干层增强材料，其中选用的增强材料包括玻璃纤维布、碳纤维布等，之后在增强材料的边沿放置若干等厚的垫片；
SS3.将多孔压板压在增强材料上，并且保证垫片可接触支撑多孔压板；其中选用的带孔板为金属板、钢化玻璃板；
SS4.在多孔压板的孔区依次放置VAP膜、布氏漏斗、抽气管，与布氏漏斗连接的抽气管与真空泵连接，其中VAP膜是为了阻止树脂流入到抽气管中，漏斗保证了孔处纤维布的平整性并有利于气体的排放；
SS5.在增强材料的两个对边铺设透气毡，另两个对边铺设螺旋管，螺旋管的中间接出注胶管，注胶管的另一端用密封胶条密封；
SS6.铺设真空袋并将增强材料、透气毡、螺旋管、抽气管、多孔压板覆盖，真空袋边缘用密封胶条密封并固定在玻璃试验平台上；
SS7.将脱泡后的已知重量的树脂放入到树脂桶中，树脂桶放置在天平上，其中选用的树脂为环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和树脂等；
SS8.启动真空泵，真空压力达到-99k Pa，观察真空表的数值是否稳定，稳定一段时间后将注胶管插入到树脂桶中；
SS9.树脂胶液在负压的作用下通过注胶管进入到螺旋管，透过螺旋管流入增强材料中；
SS10.灌注过程中观察浸润情况，并通过流量调节器适当调节灌注速度，当灌注的树脂达到通过厚度计算得到的树脂含量时，树脂流量调至0，禁止继续进胶；
SS11.灌注的树脂在负压的作用下继续流动直至增强材料全部吸透，通过在孔区域铺设VAP膜，防止树脂被抽到抽气管中，有助于其向着未浸透区域流动；
SS12.灌注结束后，加热玻璃试验平台至树脂完全固化。
本发明制备的复合材料测试试样表面平整光滑，避免了导流网及脱模布造成的凹凸不平的情况；两边灌注中间多孔抽气的方式保证了树脂在增强材料各处同步流动，短时间浸润；VAP膜的利用避免了树脂进入到抽气管中，有利于其朝着未浸润区的流动；升级版布氏漏斗的使用避免了由于高压造成的孔区增强材料的不平整性，增强抽气效果；树脂流量调节器的使用可以根据树脂的浸润情况随时改变其灌注速度，防止树脂在某处的堆积。从而制备了厚度均一且表面光滑平整的优质测试试样板。
附图说明
图1为本发明的复合材料试样的制备装置结构示意图；
图2为本发明的复合材料试样的制备装置的剖面图；
图3为本发明中使用的布氏漏斗的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向，以便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1、2所示，本发明的复合材料试样的制备装置，包括玻璃试验平台 4、多孔压板6、布氏漏斗15、抽气管8、真空泵9、透气毡3、螺旋管7、注胶管1和树脂桶11，其中，玻璃试验平台4的上表面在使用时均匀涂抹有脱模剂层，脱模剂层上铺设制备复合材料试样所需的增强材料10，在增强材料 10的边沿均布有若干个等厚度的垫片2，增强材料10正上方设置多孔压板6，所述多孔压板6由垫片2支撑，多孔压板6上的各通孔沿其中心线分布，多孔压板6的每一通孔处设置一布氏漏斗15(如图3所示)，布氏漏斗15底部的平面孔板部151与增强材料10的上表面接触，布氏漏斗15顶部的圆管部152与抽气管8连接，抽气管8与真空泵9连接，增强材料10的两个对边铺设透气毡3，另两个对边铺设螺旋管7，螺旋管7的中间接出注胶管1，注胶管1的另一端用密封胶条密封，注胶管1上安装树脂流量调节器12；铺设真空膜5并将增强材料10、透气毡3、螺旋管7、抽气管8、多孔压板6等覆盖，真空膜5边缘用密封胶条13密封并固定在玻璃试验平台4上。
利用本发明的复合材料试样的制备装置，制备表面光滑且厚度均一的测试用复合板材试样时，按照如下制备工艺步骤进行：
首先在玻璃试验平台4上均匀的涂抹一层脱模剂；
脱模剂晾干后铺设4层面密度为1200g/m2的单轴向玻纤布，即铺设4层增强材料10；
在增强材料10的四个角放置3.4mm厚的垫片2；
将多孔压板6压在增强材料10上，并且保证垫片2可接触多孔压板6；
在多孔压板6的孔区依次放置VAP膜14、布氏漏斗15、抽气管8，其中 VAP膜14置于多孔压板6的下方，布氏漏斗15填充孔区域并密封，抽气管 8连接布氏漏斗15；
在垂直玻纤布0度纱线的两个对边铺设透气毡3，另两个对边铺设螺旋管7，螺旋管7的中间接出注胶管1，注胶管1的另一端用密封胶条密封，注胶管1上安装树脂流量调节器12；
铺设真空膜5并将玻纤布、透气毡3、螺旋管7、抽气管8、多孔压板6 等覆盖，真空膜5边缘用密封胶条13密封并固定在玻璃试验平台4上；
一端与布氏漏斗15连接的抽气管8与真空泵9连接；
将脱泡后的已知重量的环氧树脂放入到树脂桶11中，树脂桶11放置在天平上；
启动真空泵9，真空压力达到-99k Pa，观察真空表的数值是否稳定，稳定一段时间后将注胶管1插入到树脂桶11中；
树脂胶液在负压的作用下通过注胶管1进入到螺旋管7，透过螺旋管7 流入增强材料中；
根据树脂浸润情况随之调节树脂的灌注速度，当灌注的树脂达到500g 时(考虑部分损耗)，树脂流量调至0，禁止继续进胶；
灌注的树脂在负压的作用下继续流动，直至增强材料全部吸透，通过在孔区域铺设VAP膜14，防止树脂被抽到抽气管8中，有助于其向着未浸透区域流动；
灌注结束后，加热玻璃试验平台4 50℃1h，80℃5h至树脂完全固化。
从而制备出厚度为3.4mm，纤维体积分数约为54.7％，表面平整厚度均匀性好的玻璃纤维复合材料测试试样板。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种复合材料板材试样的制备装置，包括玻璃试验平台、多孔压板、布氏漏斗、抽气管、真空泵、透气毡、螺旋管、注胶管和树脂桶，其特征在于，玻璃试验平台的上表面在使用时均匀涂抹有脱模剂层，脱模剂层上铺设制备若干层增强材料，所述增强材料为碳纤维布或玻璃纤维布，在增强材料的边沿均布有若干个等厚度的垫片，增强材料正上方设置多孔压板，所述多孔压板为金属板或钢化玻璃板，且多孔压板由所述若干个等厚度的垫片支撑，多孔压板上的各通孔沿其中心线分布，每一通孔处设置一布氏漏斗，布氏漏斗底部的平面孔板部与增强材料接触，布氏漏斗顶部的圆管部与抽气管连接，抽气管与真空泵连接，增强材料的两个对边铺设透气毡，另两个对边铺设螺旋管，螺旋管的中间接注胶管，注胶管的另一端与树脂桶连接；玻璃试验平台的正上方铺设一真空袋，将增强材料、透气毡、螺旋管、抽气管和多孔压板覆盖。
2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，每一布氏漏斗底部的平面孔板部与增强材料之间设置VAP膜。
3.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，螺旋管的中间接出注胶管，注胶管的另一端用密封胶条密封，注胶管上安装树脂流量调节器。
4.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，真空袋的边缘用密封胶条密封并固定在玻璃试验平台上。
5.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述增强材料为0度纱线时，注胶区为平行0度纱线的位置。
6.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述多孔压板的孔区域设置在多孔压板的中心线处，个数为2-100个。
7.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述布氏漏斗的口径略小于多孔压板的孔径，两者用强力双面胶带粘结成一整体。
8.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述树脂为环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和树脂中的任意一种或几种。
9.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述多孔压板及玻璃试验平台的表面均是光滑的。
10.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，各所述垫片的厚度为0.1-200mm。
11.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述多孔压板在使用前用脱模剂对其表面及孔周围进行处理。
12.一种利用上述权利要求1至11任一项所述的制备装置制备复合材料板材试样的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
SS1.在玻璃试验平台上均匀的涂抹一层脱模剂；
SS2.脱模剂晾干后铺设若干层增强材料，其中选用的增强材料为玻璃纤维布或碳纤维布，之后在增强材料的边沿放置若干等厚的垫片；
SS3.将多孔压板压在增强材料上，并且保证垫片可接触支撑多孔压板；其中选用的带孔板为金属板或钢化玻璃板；
SS4.在多孔压板的孔区依次放置VAP膜、布氏漏斗、抽气管，与布氏漏斗连接的抽气管与真空泵连接，其中VAP膜是为了阻止树脂流入到抽气管中，漏斗保证了孔处纤维布的平整性并有利于气体的排放；
SS5.在增强材料的两个对边铺设透气毡，另两个对边铺设螺旋管，螺旋管的中间接出注胶管，注胶管的另一端用密封胶条密封；
SS6.铺设真空袋并将增强材料、透气毡、螺旋管、抽气管、多孔压板覆盖，真空袋边缘用密封胶条密封并固定在玻璃试验平台上；
SS7.将脱泡后的已知重量的树脂放入到树脂桶中，树脂桶放置在天平上，其中选用的树脂为环氧树脂、乙烯基树脂或不饱和树脂；
SS8.启动真空泵，真空压力达到-99kPa，观察真空表的数值是否稳定，稳定一段时间后将注胶管插入到树脂桶中；
SS9.树脂胶液在负压的作用下通过注胶管进入到螺旋管，透过螺旋管流入增强材料中；
SS10.灌注过程中观察浸润情况，并通过流量调节器适当调节灌注速度，当灌注的树脂达到通过厚度计算得到的树脂含量时，树脂流量调至0，禁止继续进胶；
SS11.灌注的树脂在负压的作用下继续流动直至增强材料全部吸透，通过在孔区域铺设VAP膜，防止树脂被抽到抽气管中，有助于其向着未浸透区域流动；
SS12.灌注结束后，加热玻璃试验平台至树脂完全固化。
13.一种由权利要求12所述的制备方法制备的测试用复合板材试样。
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Application publication date: 20160921 Assignee: Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences Assignor: Baoding Huayi Wind Turbine Blade Reasearch Development Co., Ltd. Contract record no.: 2017990000484 Denomination of invention: Preparation device for composite board sample used for tests and method License type: Common License Record date: 20171212 |
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Effective date of registration: 20180803 Address after: 413000 401 Industrial Park, East New District, Yiyang hi tech Development Zone, Hunan Patentee after: Hunan Zhongke Yu Neng Technology Co., Ltd. Address before: 071051 2011 Xiangyang North Street, Baoding, Hebei. Patentee before: Baoding Huayi Wind Turbine Blade Reasearch Development Co., Ltd. |