CN108115948B - 一种复合材料成型芯模及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种复合材料成型芯模及制备方法，属于空心复合材料成型芯模领域。该芯模包括至少一进气嘴，厚度方向剖面由内到外依次包括水溶性材料层或低温熔融材料层、空气袋、复合弹性材料。该芯模采用的水溶性材料为聚乙烯醇或聚乙二醇，空气袋的材质为尼龙，复合弹性材料为连续纤维增强硅橡胶、连续纤维增强聚氨酯树脂或连续纤维增强乳化橡胶。该芯模采用的复合弹性材料中的连续纤维的纤维方向与后期芯模从复合材料制品中抽出时的受力方向相一致。本发明芯模外层采用复合弹性材料，同时，复合弹性材料与中间层的空气袋相粘结再一次形成复合结构，使芯模在使用的过程中不易破损，具有较长的使用寿命。

Description

一种复合材料成型芯模及制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料成型芯模领域，具体涉及一种用于空心复合材料成型的芯模结构及其制备方法。
背景技术
在空心复合材料成型技术中，所采用的芯模主要有两种，一种是尼龙风管气袋，另一种是硅橡胶气囊。对于尼龙风管技术，风管在复合材料制件成型时容易出行褶皱，从而导致制品内壁出现皱褶，且有破袋的隐患从而影响产品质量的稳定性。
对于硅橡胶气囊技术，如中国专利申请号为201210498620.3曾揭示一种复合材料成型方法就是采用了这种技术，其在一模具内灌注一弹性材料，旋转、震动或静置该模具，使弹性材料在模具内形成一中空气囊，这种气囊的成型方法无法控制其表面完全覆形于模具腔面而不形成气泡，不能保证气囊的厚度均匀，所以在后续的生产中不免存在隐患，且在后期从成型制品中抽出气囊的时候，外层的硅橡胶在抽出过程中容易出现破损，使用寿命较短。
发明内容
针对上述问题，本发明目的在于提供一种具有较精确的外形尺寸，表面无气泡疵点，最终成型的制品内壁光滑平整，不易发生破袋且具有较长使用寿命的芯模结构。
为达到上述目的，本发明揭示一种复合材料的成型芯模及制备方法：一种复合材料成型芯模，该芯模包括至少一进气嘴，厚度方向剖面由内到外依次包括水溶性材料层或低温熔融材料层、空气袋、复合弹性材料。该芯模采用的水溶性材料为聚乙烯醇或聚乙二醇。该芯模采用的低温熔融材料为石蜡或低熔点金属。该芯模采用的空气袋厚度在0.01mm～1mm之间。该芯模采用的空气袋的材质为尼龙。该芯模采用的复合弹性材料的厚度在0.5mm～20mm之间。该芯模采用的复合弹性材料为连续纤维增强硅橡胶、连续纤维增强聚氨酯树脂或连续纤维增强乳化橡胶，该芯模采用的复合弹性材料中的连续纤维的纤维方向与后期芯模从复合材料制品中抽出时的受力方向相一致。
该空心复合材料成型芯模的制作方法包含以下步骤：
首先，准备芯模成型模具，该模具至少由两个瓣模组成，其型腔与芯模所要成型的复合材料制件内腔具有相同的结构尺寸，同时该模具包含一个开孔；
第二，喷涂0.2mm～10mm厚度的未固化弹性材料于各瓣模的型腔内，使弹性材料布满型腔内壁；
第三，在模具各瓣模型腔喷涂的未固化弹性材料上均匀铺设连续纤维束，纤维束的铺设方向与后期芯模从固化成型的复合材料制品中抽出时的受力方向相同；
第四，重复第二与第三步骤(以第二步骤结束)，直至复合弹性材料的厚度达到设计的厚度；
第五，在模具型腔的复合弹性材料内放置一空气袋，空气袋一端封闭，另一端开口，将开口端放置于模具开孔处；
第六，将模具各瓣模合模；
第七，从空气袋开口处向模具内的空气袋灌注填充料直至灌满，并在空气袋开口处安装进气嘴；
第八，将模具置于能使弹性材料熔融的温度环境中，并向空气袋内吹气加压，由于型腔内部空气袋膨胀并把压力传递给弹性材料，从而使弹性材料均匀的分布于整个型腔内壁，持续加压直至弹性材料固化成型，从而形成复合材料成型芯模。
通过上述方法成型的芯模最外层为复合弹性材料，具有良好的抗撕裂性能和气密性，耐温150℃以上，能防止芯模的破损，从而避免漏风引起的复合材料制品不良或报废。在芯模最外层弹性材料成型的过程中，利用中间层的空气袋给予的压力使最外层弹性材料具有均匀的厚度，外表面光滑不存在气泡等优点。芯模内层的填充料在成型复合材料以后，能够通过熔融或水溶的方式去除，从而可以去除整个芯模，达到制备空心结构复合材料的目的。芯模重新灌注填充料后可重复使用。
本发明所述芯模实际上是一种三组分复合材料材质的芯模，具有传统单组份芯模无法比拟的优点：首先，最外层复合弹性材料中具有连续纤维束，纤维束的方向与后期芯模从固化的复合材料中抽出的方向相同，连续纤维束与弹性材料形成复合结构，使芯模被抽出制品时在受力方向上具有比单纯弹性材料更好的刚度和强度，从而不容易破损。其次，在成型的过程中，最外层的复合弹性材料和中间层的空气袋相粘结再一次形成复合结构，这种复合结构芯模在使用的过程中最外层复合弹性材料能够提供精确的尺寸和光滑的外形，保证压力向制品均匀的传递；气袋层较高的刚度和强度能够保证芯模稳定的尺寸；再有，双层的气袋(气囊)结构能够防止芯模破袋和漏气，从而具有较长的使用寿命。另外，本发明为空心复合材料的成型提供了一种全新的具有经济效益和应用价值的成型方法。
附图说明
图1是本发明实施例成型芯模所要成型的空心复合材料管材制件示意图；
图2是本发明实施例最终成型芯模的示意图；
图3是本发明实施例最终成型芯模截面示意图；
图4是本发明实施例成型芯模的模具示意图；
图5是本发明实施例中向模具上喷涂未固化硅橡胶的示意图；
图6是本发明实施例中向喷涂部分未固化硅橡胶后铺设芳纶纤维的示意图；
图7是本发明实施例中将尼龙风管进行适当弯曲放入硅橡胶喷涂完成的下模内的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施案例。
本实施案例以将要制作的芯模所最终成型的制件为复合材料异型空心管001，该管材中间尺寸略大(外管径为80mm)，两端尺寸略小(外管径为40mm)，壁厚为2mm，其原材料为碳纤维预浸料，制件001结构如图1所示。本实施案例预成型的芯模010的外形与异型空心管材内腔相同，尺寸即为管材制件去除2mm壁厚。成型后的芯模010具有可拆卸的吹气嘴011，如图2所示。芯模最外层为厚度5mm的芳纶纤维302增强硅橡胶层300，中间层为厚度为0.2mm的尼龙风管200，内部填充材料为石蜡100，截面如图3所示。
依据预成型的芯模的外形设计和制作模具，模具采用铝制材料，分下模002和上模003，模具上存在一出气孔004，其型腔与预成型芯模相一致，如图4所示。
将未固化的液态硅橡胶301均匀的喷涂在模具的下模002和上模003的型腔上，使硅橡胶301均匀覆盖在型腔表面，厚度为2.5mm如图5所示，由于此芯模将来从固化成型的异型空心管001中抽出的方向为它的长度方向，所以喷涂完成后，将芳纶纤维束302沿着模具型腔的长度方向均匀的铺设在喷涂的未固化硅橡胶301上，如图6所示。芳纶纤维束302铺设完成后，继续往模具的下模002和上模003的型腔上喷涂未固化的硅橡胶301，直至厚度为5mm。将直径为80mm的尼龙风管200进行适当的弯曲后放入模具的下模002的型腔内，这时尼龙风管会出现褶皱210，如图7所示。由于成型的芯模010与最终成型制件001接触的是最外层的芳纶纤维增强硅橡胶层300，尼龙风管200不直接接触最终成型的制件001，即使内部风管出现褶皱，制件001的内壁仍然能保持光滑，不会对制件001的内壁面造成影响。
然后合模上模003和下模002，将合模后的模具置于70℃的环境中，通过风管200开口处，向模具型腔内的风管200灌注熔融的石蜡100至完全填充满，并安装吹气嘴011进行吹气，使风管200持续保持0.5MPa的压力。在内部风管200的压力和模具型腔的共同作用下硅橡胶301被均匀贴合至到整个型腔壁，贴合在上模003和下模002的硅橡胶将粘连形成一整体，其中的芳纶纤维302和硅橡胶301形成复合结构300(芳纶纤维302增强硅橡胶301)。同时芳纶纤维增强硅橡胶300和风管200之间的界面之间也发生粘结形成复合结构。维持70℃温度与0.5MPa压力2小时后芯模固化成型。
模具冷却后，打开下模002和上模003，取出成型的芯模010，如图2所示。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对权利要求保护范围的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明技术方案进行的非本质修改或者等同替换，并不能脱离本发明技术方案的实质，且均应在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种复合材料成型芯模及制备方法，其特征在于：该芯模包括至少一进气嘴，厚度方向剖面由内到外依次包括水溶性材料层或低温熔融材料层、空气袋、复合弹性材料，其制备方法包含以下步骤：
首先，准备芯模成型模具，该模具至少由两个瓣模组成，其型腔与芯模所要成型的复合材料制件内腔具有相同的结构尺寸，同时该模具包含一个开孔；
第二，喷涂0.2mm～10mm厚度的未固化的弹性材料于模具各个瓣模的型腔内，使弹性材料布满型腔内壁；
第三，在模具各个瓣模喷涂的未固化弹性材料上均匀铺设连续纤维束，纤维束的铺设方向与后期芯模使用的过充中从复合材料制品中抽出时的受力方向相同；
第四，重复第二与第三步骤，并以第二步骤结束，直至复合弹性材料的厚度达到设计的厚度；
第五，在模具型腔的复合弹性材料内放置一空气袋，空气袋一端封闭，另一端开口，将开口端放置于模具开孔处；
第六，将模具各瓣模合模；
第七，向模具内的空气袋灌注填充料直至灌满，并在空气袋开口处安装进气嘴；
第八，将模具置于能使弹性材料熔融的温度环境中，并向空气袋内吹气加压，由于型腔内部空气袋膨胀并把压力传递给弹性材料，从而使弹性材料均匀的分布于整个型腔内壁，持续加压直至弹性材料固化成型，从而形成复合材料成型芯模。
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