CN107187081A - 制备具有异形结构的零部件的方法和零部件 - Google Patents

制备具有异形结构的零部件的方法和零部件 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种制备具有异形结构的零部件的方法和零部件，该方法包括：a、将连续纤维织物置于模具内，所述模具具有与目标零部件的异形结构在几何形状上相匹配的异形区域，所述模具具有主浇口和辅助浇口，所述辅助浇口位于所述异形区域，闭合模具后从所述主浇口注入第一热固性树脂；b、当所述第一热固性树脂在所述模具内流动至靠近所述异形区域时，通过所述辅助浇口注入含有短切纤维和第二热固性树脂的混合料以使所述混合料充满所述异形区域，得到被树脂浸渍的纤维织物；c、将步骤b中得到的所述被树脂浸渍的纤维织物进行固化成型，得到具有异形结构的零部件。该方法能够实现对具有异形结构的连续纤维复合材料零部件的一次性成型。

Description

制备具有异形结构的零部件的方法和零部件
技术领域
本公开涉及复合材料技术领域，具体地，涉及一种制备具有异形结构的零部件的方法和零部件。
背景技术
连续纤维复合材料主要采用树脂传递塑模成型(RTM)、模压等工艺制造，其产品无法直接成型卡扣等异形安装点结构。目前制造具有卡扣等异形结构零部件的常规工艺有两种，一种为零件成型后再粘接卡扣，另一种为零件成型后放入注塑模具中，再作为嵌件将卡扣直接注塑在零件表面。
上述两种工艺均需两步完成最终零部件，使用粘接工艺需额外增加胶粘剂成本，而且固化过程相对较长，影响生产周期；而注塑工艺将热塑性材料注塑在碳纤维复合材料表面，两种材料在连接时物理状态存在差异，因此主要在表面产生连接，连接强度较低。
发明内容
本公开的目的是提供一种制备具有异形结构的零部件的方法和零部件，该方法能够实现对具有异形结构的连续纤维复合材料零部件的一次性成型。
为了实现上述目的，本公开第一方面：提供一种制备具有异形结构的零部件的方法，该方法包括：
a、将连续纤维织物置于模具内，所述模具具有与目标零部件的异形结构在几何形状上相匹配的异形区域，所述模具具有主浇口和辅助浇口，所述辅助浇口位于所述异形区域，闭合模具后从所述主浇口注入第一热固性树脂；
b、当所述第一热固性树脂在所述模具内流动至靠近所述异形区域时，通过所述辅助浇口注入含有短切纤维和第二热固性树脂的混合料以使所述混合料充满所述异形区域，得到被树脂浸渍的纤维织物；
c、将步骤b中得到的所述被树脂浸渍的纤维织物进行固化成型，得到具有异形结构的零部件。
可选地，步骤a中，所述连续纤维织物包括单轴向布、多轴向布、编织布和针织布中的至少一种。
可选地，所述连续纤维织物由纤维制成，所述纤维包括碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的至少一种。
可选地，步骤a中，所述第一热固性树脂为选自环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂和有机硅树脂中的至少一种。
可选地，步骤b中，所述混合料中的短切纤维为选自短切碳纤维、短切超高分子量聚乙烯纤维、短切芳纶纤维、短切玄武岩纤维和短切玻璃纤维的至少一种。
可选地，步骤b中，所述混合料中的第二热固性树脂为选自环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂和有机硅树脂中的至少一种。
可选地，所述混合料中，以所述混合料的总重量为基准，所述短切纤维的含量为5-25重量％。
可选地，该方法还包括：步骤b中，通过所述辅助浇口注入所述混合料以使所述混合料充满所述异形区域并与所述第一热固性树脂混合，当所述混合料与所述第一热固性树脂的混合区域达到10-50mm后停止注入所述混合料，并继续通过所述主浇口注入所述第一热固性树脂直至所述第一热固性树脂完全填充所述模具，得到被树脂浸渍的纤维织物。
可选地，步骤c中，所述固化成型的条件为：温度为80-140℃，压力为6-10MPa。
可选地，所述异形结构包括卡扣、定位柱、BOSS柱和加强肋中的至少一种。
本公开第二方面：提供一种由本公开第一方面所述的方法制备的零部件。
通过上述技术方案，本公开对传统树脂传递塑模成型(RTM)工艺进行了优化改进，对异形结构部位单独进浇短切纤维增强树脂材料，整体同时进行固化，实现了对具有异形结构的连续纤维复合材料零部件的一次性成型，从而简化生产工艺、缩短生产周期，同时能够提高异形结构部位的连接性能，所制备的零部件具有较好的机械性能。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开的实施例中所制备的具有卡扣结构的零部件的示意图；
图2是本公开的实施例中所采用的模具的阳模的示意图；
图3是本公开的实施例中所采用的模具的阴模的示意图；
图4是本公开的实施例中所采用的模具的镶块的示意图；
图5是本公开的实施例中所采用的模具合模状态的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
本公开第一方面：提供一种制备具有异形结构的零部件的方法，该方法包括：
a、将连续纤维织物置于模具内，所述模具具有与目标零部件的异形结构在几何形状上相匹配的异形区域，所述模具具有主浇口和辅助浇口，所述辅助浇口位于所述异形区域，闭合模具后从所述主浇口注入第一热固性树脂；
b、当所述第一热固性树脂在所述模具内流动至靠近所述异形区域时，通过所述辅助浇口注入含有短切纤维和第二热固性树脂的混合料以使所述混合料充满所述异形区域，得到被树脂浸渍的纤维织物；
c、将步骤b中得到的所述被树脂浸渍的纤维织物进行固化成型，得到具有异形结构的零部件。
本公开对传统树脂传递塑模成型(RTM)工艺进行了优化改进，对异形结构部位单独进浇短切纤维增强热固性树脂材料，整体同时进行固化，实现了对具有异形结构的连续纤维复合材料零部件的一次性成型，从而简化生产工艺、缩短生产周期，同时能够提高异形结构部位的连接性能，所制备的零部件具有较好的机械性能。
根据本公开，所述零部件上的异形结构一般为通过传统RTM、模压成型等方法无法直接成型的特殊部位，例如可以包括卡扣、定位柱、BOSS柱和加强肋中的至少一种。图1是一种具有卡扣的零部件的结构示意图，该零部件为带卡扣的纤维复合板，该零部件的卡扣部位即为本公开所述的异形结构。以如图1所示的具有卡扣的零部件为例，成型该零部件的模具一般采用如图2所示的阳模和如图3所示的阴模，同时配合如图4所示的镶块完成，阴模上具有与镶块相匹配的镶块槽，成型时模具的合模状态如图5所示，镶块嵌于阴模的镶块槽内，之间的间隙形成卡扣的成型区域即异形区域。采用上述的模具时，主浇口可以设置于阳模的中心位置，有利于所注入的树脂平均地向模具内流动，辅助浇口可以设置于阴模上与镶块贴合以形成卡扣成型区域的部位，每个卡扣部位具有一个辅助浇口。成型后将零部件与镶块一同取出，再将镶块拆除，即可得到具有卡扣的零部件。具有其他异形结构的零部件所采用的模具可以为本领域技术人员所熟知的，本公开不再赘述。本公开中，所采用的模具上的异形区域以外的其他区域可以称之为非异形区域。
根据本公开，步骤a中，对所述连续纤维织物的种类没有特殊的限定，例如可以为包括单轴向布、多轴向布、编织布和针织布中的至少一种。所述连续纤维织物的含义为本领域技术人员所熟知，是由纤维(连续纤维)制成的，所述纤维例如可以包括碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的至少一种，将上述纤维采用常规的方式进行编织即可得到本公开所述的连续纤维织物，所述连续纤维织物也可商购得到。
根据本公开，步骤a中，所述第一热固性树脂可以为选自环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂和有机硅树脂中的至少一种。
根据本公开，从所述主浇口注入第一热固性树脂后，所述第一热固性树脂流入模具并浸渍纤维织物，通过对树脂进浇量的监测，可以估计出所述第一热固性树脂浸渍纤维织物的区域位置情况，即随着树脂进浇量的增大，树脂逐渐浸渍纤维织物并向所述异形区域靠近。当所述第一热固性树脂在所述模具内浸渍纤维织物至异形区域时，通过所述辅助浇口注入含有短切纤维和第二热固性树脂的混合料。
根据本公开，步骤b中，所述混合料中的短切纤维为选自短切碳纤维、短切超高分子量聚乙烯纤维、短切芳纶纤维、短切玄武岩纤维和短切玻璃纤维的至少一种，优选为与所述连续纤维织物相同的纤维材质。所述混合料中的第二热固性树脂为选自环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂和有机硅树脂中的至少一种，优选为与所述第一热固性树脂相同的材质。采用短切纤维增强的热固性树脂材料的成型性和机械性能好，可在实现具有异形结构的零部件一体成型的同时提高异形结构部位的连接性能。
根据本公开，所述混合料中的短切纤维和第二热固性树脂的配比对于影响零部件异形结构部位的机械性能和连接性能有着重要的作用，以所述混合料的总重量为基准，所述短切纤维的含量可以为5-25重量％。为了进一步提高异形结构部位的连接性能，所述以所述混合料的总重量为基准，所述短切纤维的含量为10-20重量％。
根据本公开，通过辅助浇口注塑混合料的同时，主浇口可以持续注入第一热固性树脂，直到所述第一热固性树脂完全浸渍织物，并且，所述混合料充满所述异形区域，得到被树脂浸渍的纤维织物。在一些情况下，当混合料充满所述异形区域后，模具内的其他区域尚未被所述第一热固性树脂填充完全，在这样的情况下，该方法还可以包括：步骤b中，通过所述辅助浇口注入所述混合料以使所述混合料充满所述异形区域并与所述第一热固性树脂混合，当所述混合料与所述第一热固性树脂的混合区域达到10-50mm后停止注入所述混合料，并继续通过所述主浇口注入所述第一热固性树脂直至所述第一热固性树脂完全浸渍织物。这样，不仅可以保证所述第一热固性树脂完全浸渍织物，保证成型后得到的零部件的机械性能，还可以使得由辅助浇口进浇的混合料与第一热固性树脂具有一定范围的混合区域，大大提高了零部件异形结构部位的机械强度。所述混合料与所述第一热固性树脂的混合区域达到10-50mm是指以所述异形区域与非异形区域的连接处为中心，半径为10-50mm所涵盖的区域。
根据本公开，通过整体固化成型，能够得到具有异形结构的零部件。步骤c中，所述固化成型的条件可以根据步骤a和步骤b中所选用的热固性树脂的固化条件进行调整，例如所述固化成型的条件可以为：温度为80-140℃，压力为6-10MPa，所述压力为从进浇开始持续保压。
本公开第一方面提供的方法能够对具有异形结构的零部件进行一次性成型，省去了传统工艺的粘结或二次注塑的步骤，大大简化了生产工艺，将所制备的零部件从模具中脱模后，可立即进行下一轮生产循环，极大地提高了生产效率，缩短了生产周期。
本公开第二方面：提供一种由本公开第一方面所述的方法制备的零部件。该零部件具有异形结构，且所述异形结构与零部件整体一体成型，连接处的连接强度好，零部件整体机械性能优异。
下面通过实施例对本公开做进一步说明，但并不因此而限制本公开的内容。
实施例1
本实施例用于说明本公开的制备具有异形结构的零部件的方法，本实施例制备的零部件的异形结构为卡扣。
采用如图2-4所示的模具，该模具的树脂进浇量为775ml。将镶块嵌入阴模的镶块槽后，将连续碳纤维织物双轴向布(购自科纺勒公司，由T-300型号碳纤维制成，商品号为BX300)铺覆于阴模表面，闭合模具后从主浇口注入第一热固性树脂环氧树脂(购自亨斯迈，商品号为LY 3585/3475)，注入压力为8MPa。根据零件尺寸大小和卡扣区域所在的位置，判断当环氧树脂进浇量达360ml时，其在模具内流动至靠近卡扣区域，然后打开辅助浇口，向模具内注入含有短切碳纤维(购自东丽公司，产品型号为T-300)和环氧树脂(购自亨斯迈，商品号为LY 3585/3475)的混合料，该混合料中的短切碳纤维的含量为10重量％。当混合料充满所述异形区域并与所述第一热固性树脂的混合区域达到30mm后关闭辅助浇口，停止注入所述混合料。继续通过主浇口注入环氧树脂直至环氧树脂完全浸渍纤维织物。然后在120℃下进行固化，成型后打开模具，卸下镶块，得到如图1所示的具有卡扣结构的零部件。
实施例2
按照实施例1的方法制备具有卡扣结构的零部件，区别在于，本实施例中所采用的连续纤维织物为玻璃纤维方格布(购自泰山玻纤，由玻璃纤维制成，商品号为EWR200)，混合料中的短切纤维为玻璃纤维(购自泰山玻纤公司，商品号为T437H)，第一热固性树脂和混合料中的第二热固性树脂为环氧树脂(购自亨斯迈，商品号为LY 3585/3475)。
实施例3
按照实施例1的方法制备具有卡扣结构的零部件，区别在于，本实施例中所采用的连续纤维织物为双轴向布(购自科纺勒，由T-300型号碳纤维制成，商品号为BX300)，混合料中的短切纤维为碳纤维(购自东丽公司，产品型号为T-300)，第一热固性树脂和混合料中的第二热固性树脂为乙烯基树脂(购自力联思，商品号为PALAPREG P104-02)。
实施例4
按照实施例1的方法制备具有卡扣结构的零部件，区别在于，本实施例中，混合料中的短切碳纤维的含量为20重量％。
实施例5
按照实施例1的方法制备具有卡扣结构的零部件，区别在于，本实施例中，混合料中的短切碳纤维的含量为5重量％。
实施例6
按照实施例1的方法制备具有卡扣结构的零部件，区别在于，本实施例中，混合料中的短切碳纤维的含量为25重量％。
对比例1
本对比例用于说明与本公开不同的制备具有卡扣结构的零部件的方法。
采用传统方法制造本对比例的零部件，具体方法为：首先通过RTM工艺，完成主体纤维复合板的制造，然后将复合板放至相应注塑模具内，通过注塑工艺成型背面卡扣结构。
对比例2
本对比例用于说明与本公开不同的制备具有卡扣结构的零部件的方法。
采用传统方法制造本对比例的零部件，具体方法为：首先通过RTM工艺，完成主体纤维复合板的制造，并通过注塑工艺成型背面卡扣结构，然后通过胶粘方式将卡扣结构件粘接在复合板背面相应位置。
测试实施例1
分别对实施例1-6和对比例1-2中得到的零部件的卡扣部位的连接强度进行测试，测试方法为：平行于卡扣轴向对卡扣施加拉拔力，测试卡扣从复合板表面脱开时所需的拉拔力。测试结果列于表1。
表1
由表1的结果可见，采用本公开的方法制备连续纤维复合材料零部件，相比传统工艺，能够显著提高异形结构部位的连接性能，尤其当注入的混合料中，以所述混合料的总重量为基准，所述短切纤维的含量为10-20重量％时，能够进一步提高异形结构部位的连接性能。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (11)

1.一种制备具有异形结构的零部件的方法，其特征在于，该方法包括：
a、将连续纤维织物置于模具内，所述模具具有与目标零部件的异形结构在几何形状上相匹配的异形区域，所述模具具有主浇口和辅助浇口，所述辅助浇口位于所述异形区域，闭合模具后从所述主浇口注入第一热固性树脂；
b、当所述第一热固性树脂在所述模具内流动至靠近所述异形区域时，通过所述辅助浇口注入含有短切纤维和第二热固性树脂的混合料以使所述混合料充满所述异形区域，得到被树脂浸渍的纤维织物；
c、将步骤b中得到的所述被树脂浸渍的纤维织物进行固化成型，得到具有异形结构的零部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤a中，所述连续纤维织物包括单轴向布、多轴向布、编织布和针织布中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述连续纤维织物由纤维制成，所述纤维包括碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤a中，所述第一热固性树脂为选自环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂和有机硅树脂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b中，所述混合料中的短切纤维为选自短切碳纤维、短切超高分子量聚乙烯纤维、短切芳纶纤维、短切玄武岩纤维和短切玻璃纤维的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b中，所述混合料中的第二热固性树脂为选自环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂和有机硅树脂中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述混合料中，以所述混合料的总重量为基准，所述短切纤维的含量为5-25重量％。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括：步骤b中，通过所述辅助浇口注入所述混合料以使所述混合料充满所述异形区域并与所述第一热固性树脂混合，当所述混合料与所述第一热固性树脂的混合区域达到10-50mm后停止注入所述混合料，并继续通过所述主浇口注入所述第一热固性树脂直至所述第一热固性树脂完全填充所述模具，得到被树脂浸渍的纤维织物。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤c中，所述固化成型的条件为：温度为80-140℃，压力为6-10MPa。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述异形结构包括卡扣、定位柱、BOSS柱和加强肋中的至少一种。
11.一种由权利要求1-10中任意一项所述的方法制备的零部件。
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