CN108177359A - 一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置及固化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置及固化方法，包括芯模、复合材料毛坯、脱模布、透气毡、真空袋、密封胶带、第一真空管、旋转接头和抽真空装置，本装置克服了真空袋固化工艺中，芯模无法旋转，成型复合材料质量分布均匀性较差的问题；克服了旋转固化无法抽真空，成型复合材料孔隙率较高，层间粘结作用较弱的问题。采用本工艺技术可在兼顾复合材料制品孔隙率、层间粘接强度的同时，改善其质量分布均匀性。
Description
技术领域
本发明属于树脂基复合材料缠绕成型制造技术领域，具体涉及一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置及其方法。
背景技术
复合材料缠绕成型工艺是指采用连续纤维经过树脂浸胶或采用预浸纱(带)，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后经过常温或加热固化，制成一定形状制品的一种工艺。因此，缠绕成型工艺是一种高效、低成本的复合材料成型工艺，尤其适合制造火箭发动机壳体、压力容器、管道等回转体制件。
为保证复合材料层间形成良好粘接，降低制品内部孔隙率，完成缠绕的半成品件，需采用真空袋固化。该法是指采用必要的辅助材料，将固化前制品进行真空袋密封，并通过真空管连接到真空泵，从而在复合材料固化过程中，不断排除气泡，并给予一定程度的压紧力。
复合材料在固化过程中，树脂发生由液态向固态的相转变。树脂在凝胶之前，粘度随温度的升高而不断降低，具有一定的流动性。由于采用真空袋固化连接真空管路，限制了复合材料在固化过程中的转动，在重力作用下的树脂流动必然造成树脂向复合材料下方汇集，导致固化后复合材料的质量分布均匀性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置及固化方法。本装置采用可实现转动密封的旋转接头，连接真空管和真空泵，在抽真空的同时，实现复合材料的旋转固化，从而保证树脂在凝胶前不发生向特定方向的汇集，改善固化后复合材料质量分布均匀性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，包括芯模、复合材料毛坯、脱模布、透气毡、真空袋、密封胶带、第一真空管和旋转接头、抽真空装置，所述芯模为受驱动绕轴旋转的圆柱体，在芯模的表面缠绕复合材料毛坯，在复合材料毛坯的外侧铺覆脱模布，在脱模布的外侧铺覆透气毡，在透气毡的外侧包裹有真空袋，所述真空袋通过密封胶带在复合材料毛坯的两侧与芯模固定，将复合材料毛坯、脱模布和透气毡完全密封，所述第一真空管伸入真空袋内，所述第一真空管通过旋转接头与抽真空装置相连接。
在上述技术方案中，所述复合材料毛坯为纤维预成型体。
在上述技术方案中，所述的复合材料为采用湿法或干法或半干法缠绕成型工艺制造的聚合物基复合材料。
在上述技术方案中，所述的脱模布材质为聚四氟乙烯，其织造形式为平纹或斜纹或缎纹布。
在上述技术方案中，所述脱模布与透气毡之间设置隔离膜，隔离膜为聚酯或聚烯烃树脂薄膜。
在上述技术方案中，所述的透气毡为聚酯纤维或尼龙纤维无纺布。
在上述技术方案中，所述的真空管材质为工程塑料或橡胶或金属。
在上述技术方案中，所述的真空管材质可承受1个标准大气压压强而在径向方向上不产生明显形变。
在上述技术方案中，所述第一真空管的管口设置于透气毡与真空袋之间。
在上述技术方案中，所述的转接头为金属材质。
在上述技术方案中，所述旋转接头由旋转部与固定部构成，第一真空管与旋转部相连，第二真空管与固定部相连，固定部位置保持固定，旋转部绕芯模轴线作同轴转动，旋转接头在工作时可保证空气的流通和实现抽真空状态下的转动密封。
一种缠绕成型复合材料真空旋转固化方法，步骤一、在芯模上涂抹脱模剂，将浸胶纤维或预浸纤维缠绕到芯模上；
步骤二、在完成缠绕的制件表面，依次铺放脱模布、隔离膜、透气毡和真空袋，并通过密封胶带密封，引出第一真空管；
步骤三、将芯模一端固定在旋转电机驱动的卡盘上，另一端固定在自由旋转轴或支架上；
步骤四、将引出的第一真空管连接在旋转接头的旋转端，固定端通过第二真空管连接到真空泵上；
步骤五、打开旋转电机和真空泵，在常温或加热条件下完成复合材料的固化，树脂凝胶前始终保持旋转电机的匀速旋转和真空泵持续运行；
步骤六、固化完成后，关闭旋转电机和真空泵，待复合材料温度自然恢复至室温，拆除真空系统，脱模得到复合材料制件。
在上述技术方案中，所述的树脂为中温环氧树脂或高温环氧树脂或氰酸脂树脂或苯并噁嗪树脂或双马来酰亚胺树脂。
在上述技术方案中，所述的浸胶纤维为连续单向玻璃纤维或碳纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维或天然植物纤维中的一种或上述纤维的混编体经树脂浸胶而成的中间体。
在上述技术方案中，所述的预浸纤维为连续单向玻璃纤维或碳纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维或天然植物纤维中的一种或上述纤维的混编体制成的预浸纱或预浸带，或上述纤维织造的单向织物或平纹织物或斜纹织物或缎纹织物或无屈曲织物预浸带。
本发明的优点和有益效果为：
通过旋转接头进行连接，实现了缠绕成型复合材料采用真空袋固化工艺，固化的同时能够旋转的目的，从而兼顾了真空袋固化工艺及旋转固化的技术优势。一方面，克服了真空袋固化工艺中，芯模无法旋转，成型复合材料质量分布均匀性较差的问题；另一方面，克服了旋转固化无法抽真空，成型复合材料孔隙率较高，层间粘结作用较弱的问题。因此，采用本工艺技术可在兼顾复合材料制品孔隙率、层间粘接强度的同时，改善其质量分布均匀性。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是旋转接头局部结构示意图。
其中：1为芯模，2为复合材料毛坯，3为脱模布，4为透气毡，5为真空袋，6为密封胶带，7为第一真空管，8为旋转接头，8-1为旋转端，8-2为固定端，9为第二真空管。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本装置采用可实现转动密封的旋转接头，连接真空管和真空泵，在抽真空的同时，实现复合材料的旋转固化，从而保证树脂在凝胶前不发生向特定方向的汇集，改善固化后复合材料的质量分布均匀性。
如图1所示，一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，包括芯模1、复合材料毛坯2、脱模布3、透气毡4、真空袋5、密封胶带6、第一真空管7和旋转接头8，所述芯模为圆柱体结构，芯模的一端固定于旋转电机驱动的卡盘上，另一端固定在自由旋转轴或支架上，在芯模的表面缠绕复合材料毛坯，在复合材料毛坯的外侧铺覆脱模布，在脱模布的外侧铺覆透气毡，在透气毡的外侧包裹有真空袋，所述真空袋通过密封胶带在复合材料毛坯的两侧与芯模固定，将复合材料毛坯、脱模布和透气毡完全密封，所述第一真空管伸入真空袋内，所述第一真空管通过旋转接头与真空泵相连接。
如图2所示，旋转接头由旋转部8-1与固定部8-2构成，第一真空管与旋转部相连，第二真空管9与固定部相连，固定部位置保持固定，旋转部绕芯模轴线作同轴转动，旋转接头在工作时可保证空气的流通和实现抽真空状态下的转动密封。
一种缠绕成型复合材料真空旋转固化方法，按照下列步骤进行：
a.在清理干净的芯模上涂抹脱模剂，按照设计的结构形式，采用适当的铺层方式，将浸胶纤维或预浸纤维缠绕到芯模上；
b.在完成缠绕的制件表面，依次铺放脱模布、隔离膜、透气毡和真空袋等辅助材料，并通过密封胶带密封，引出真空管；
c.芯模一端固定在旋转电机驱动的卡盘上，另一端固定在自由旋转轴或支架上，保证对中度和直线度；
d.将引出的真空管连接在旋转接头的旋转端，固定端通过另一根真空管连接到真空泵上；
e.打开旋转电机和真空泵，在常温或加热条件下完成复合材料的固化，树脂凝胶前始终保持旋转电机的匀速旋转和真空泵持续运行；
f.固化完成后，关闭旋转电机和真空泵，待复合材料温度自然恢复至室温，拆除真空系统，脱模得到复合材料制件。
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
采用本发明所述的真空袋旋转固化方法制备复合材料气瓶，在清理干净的芯模上涂抹脱模剂，芯模外径为500mm，采用90°环向和±45°螺旋各4层铺层结构，具体铺层顺序为[90°/90°/45°/-45°/-45°/45°/90°/90°]。将双马来酰亚胺树脂预浸T300单向碳纤维织物采用干法缠绕工艺缠绕到芯模上。
在完成缠绕的制件表面，依次铺放聚四氟乙烯脱模布，厚度为0.1mm；聚乙烯有孔隔离膜，厚度为0.05mm，孔径0.38mm；聚酯透气毡无纺布，面密度340g/m2；聚对苯二甲酸乙二醇酯真空袋，厚度0.2mm；并通过密封胶带密封，引出不锈钢真空管，内径8mm。
芯模一端固定在旋转电机驱动的卡盘上，另一端固定在自由旋转轴或支架上，保证对中度和直线度；将引出的真空管连接在旋转接头的旋转端，固定端通过另一根真空管连接到真空泵上。
打开旋转电机和真空泵，加热条件下完成复合材料的固化，固化制度为130℃/1h+180℃/2h+210℃/5h，树脂凝胶前始终保持旋转电机的匀速旋转和真空泵持续运行。
固化完成后，关闭旋转电机和真空泵，待复合材料温度自然恢复至室温，拆除真空系统，脱模得到复合材料制件。
实施例2：
采用本发明所述的真空袋旋转固化方法制备复合材料管道，在清理干净的芯模上涂抹脱模剂，芯模外径为100mm，采用90°环向铺层结构，层数为8层。将E-玻璃纤维无捻纱，经中温环氧树脂体系浸胶，树脂温度为50℃，采用湿法缠绕工艺缠绕到芯模上。在完成缠绕的制件表面，依次铺放聚四氟乙烯脱模布，厚度为0.1mm；聚乙烯有孔隔离膜，厚度为0.05mm，孔径0.38mm；聚酯透气毡无纺布，面密度340g/m2；聚对苯二甲酸乙二醇酯真空袋，厚度0.2mm；并通过密封胶带密封，引出高密度聚乙烯真空管，内径8mm。
芯模一端固定在旋转电机驱动的卡盘上，另一端固定在自由旋转轴或支架上，保证对中度和直线度；将引出的第一真空管连接在旋转接头的旋转端，固定端通过第二真空管连接到真空泵上。
打开旋转电机和真空泵，加热条件下完成复合材料的固化，固化制度为100℃/12h，树脂凝胶前始终保持旋转电机的匀速旋转和真空泵持续运行。
固化完成后，关闭旋转电机和真空泵，待复合材料温度自然恢复至室温，拆除真空系统，脱模得到复合材料制件。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，其特征在于：包括芯模、复合材料毛坯、脱模布、透气毡、真空袋、密封胶带、第一真空管和旋转接头、抽真空装置，所述芯模为受驱动绕轴旋转的圆柱体，在芯模的表面缠绕复合材料毛坯，在复合材料毛坯的外侧铺覆脱模布，在脱模布的外侧铺覆透气毡，在透气毡的外侧包裹有真空袋，所述真空袋通过密封胶带在复合材料毛坯的两侧与芯模固定，将复合材料毛坯、脱模布和透气毡完全密封，所述第一真空管伸入真空袋内，所述第一真空管通过旋转接头与抽真空装置相连接。
2.根据权利要求1所述的一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，其特征在于：所述复合材料毛坯为纤维预成型体。
3.根据权利要求1所述的一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，其特征在于：所述的复合材料为采用湿法或干法或半干法缠绕成型工艺制造的聚合物基复合材料。
4.根据权利要求1所述的一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，其特征在于：所述的脱模布材质为聚四氟乙烯，其织造形式为平纹或斜纹或缎纹布。
5.根据权利要求1所述的一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，其特征在于：所述脱模布与透气毡之间设置隔离膜，隔离膜为聚酯或聚烯烃树脂薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，其特征在于：所述的透气毡为聚酯纤维或尼龙纤维无纺布。
7.根据权利要求1所述的一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，其特征在于：所述的真空管材质为工程塑料或橡胶或金属。
8.根据权利要求1所述的一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，其特征在于：所述的真空管材质可承受1个标准大气压压强而在径向方向上不产生明显形变。
9.根据权利要求1所述的一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，其特征在于：所述第一真空管的管口设置于透气毡与真空袋之间。
10.根据权利要求1所述的一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，其特征在于：所述的转接头为金属材质。
11.根据权利要求1所述的一种缠绕成型复合材料真空旋转固化装置，其特征在于：所述旋转接头由旋转部与固定部构成，第一真空管与旋转部相连，第二真空管与固定部相连，固定部位置保持固定，旋转部绕芯模轴线作同轴转动。
12.一种缠绕成型复合材料真空旋转固化方法，其特征在于：
步骤一、在芯模上涂抹脱模剂，将浸胶纤维或预浸纤维缠绕到芯模上；
步骤二、在完成缠绕的制件表面，依次铺放脱模布、隔离膜、透气毡和真空袋，并通过密封胶带密封，引出第一真空管；
步骤三、将芯模一端固定在旋转电机驱动的卡盘上，另一端固定在自由旋转轴或支架上；
步骤四、将引出的第一真空管连接在旋转接头的旋转端，固定端通过第二真空管连接到真空泵上；
步骤五、打开旋转电机和真空泵，在常温或加热条件下完成复合材料的固化，树脂凝胶前始终保持旋转电机的匀速旋转和真空泵持续运行；
步骤六、固化完成后，关闭旋转电机和真空泵，待复合材料温度自然恢复至室温，拆除真空系统，脱模得到复合材料制件。
13.根据权利要求12所述的一种缠绕成型复合材料真空旋转固化方法，其特征在于：所述的树脂为中温环氧树脂或高温环氧树脂或氰酸脂树脂或苯并噁嗪树脂或双马来酰亚胺树脂。
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