CN108790217A - 一种复合材料及sirtm液态成型工艺方法 - Google Patents

一种复合材料及sirtm液态成型工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种复合材料及SIRTM液态成型工艺方法，该方法将RTM本体树脂用作定型剂，并在不影响RTM树脂充模流动的前提下，将传统定型剂的用量从3～5％提高到10～20％，并采用热熔法预浸料工艺将RTM树脂对干态织物进行表面浸润，使得到的干态织物中间体具有预浸料的裁剪和铺敷工艺性，减少了预成型体制备时纤维的变形量、提高纤维预成型体的制备质量，满足复杂结构预成型体的制备需要，最终确保RTM产品的成型质量。

Description

一种复合材料及SIRTM液态成型工艺方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种复合材料及SIRTM(Semi-InfiltrationResin Transfer Molding)液态成型工艺方法。
背景技术
复合材料低成本液态成型工艺(如RTM、VARI等)已经广泛应用复合材料各个技术领域，并逐步由生产次承力结构件向主承力结构件方向发展。复合材料液态成型工艺中有一项关键技术就是产品纤维预成型体的制备技术。纤维预成型体需要大量使用干态碳纤维织物或玻璃纤维织物，纤维织物由于没有像预浸料一样浸胶，因此很容易出现变形而导致纤维屈曲、铺层角度偏斜等，并直接影响产品预成型质量及最终产品的质量。因此，在制备纤维预成型体时必须对纤维进行预定型处理。
传统的定型剂常采用溶剂型定型剂，利用溶剂挥发纤维变硬进行定型，其预定型处理方法是将溶剂型纤维定型剂涂刷在纤维上，待溶剂挥发后纤维变硬，尽管裁减铺层时纤维变形量会比不定型时小，但定型后的织物在室温下粘性很小，铺敷简单平板是可以的，但很难制备复杂结构复合材料产品的纤维预成型体，从而限制了RTM工艺在复杂复合材料结构件上的应用；而一般的RTM树脂因粘度小，树脂很容易渗入纤维内部，假如按传统定型工艺直接使用时定型效果很差，因此也未见将RTM树脂直接用作定型剂材料的报道。此外，经传统定型方法定型后的织物中定型剂含量一般为(3～5)％，无法用预浸料设备进行自动化生产，只能采用手工涂刷，需要付出大量的人力，导致生产效率非常低，并且在用量很少的情况下也会导致定型效果差，另外，如果增加定型剂含量，不仅会影响RTM树脂的流动，而且会出现与RTM树脂不相容现象，进而在一定程度上影响复合材料的力学性能。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
为解决现有RTM工艺中定型剂与RTM树脂相容性差，定型剂用量少则定型效果差且无法工业化生产，用量大则会严重影响复合材料的力学性能等问题，提出了一种复合材料及SIRTM(Semi-Infiltration Resin Transfer Molding)液态成型工艺方法。SIRTM成型工艺强调用RTM本体树脂作为定型剂材料，预成型体制备使用的织物为批量定型处理的半浸润纤维织物，纤维织物具有预浸料的裁剪和铺敷工艺性，是一种满足复杂结构复合材料构件批量生产的RTM工艺。
本发明的技术解决方案：
一方面，本发明提供一种复合材料，由注胶用RTM树脂和纤维织物预成型体采用RTM工艺制得，所述纤维织物预成型体由对纤维织物中间体施加接触压力得到，所述纤维织物中间体以纤维织物为基体，且基体上、下表面预浸有定型剂RTM树脂。
进一步的，所述纤维织物可以为干态碳纤维织物或玻璃纤维织物；
进一步的，所述对纤维织物中间体施加接触压力在室温下进行；
进一步的，所述纤维织物中间体具有预浸料铺敷工艺性，且采用热熔法制得；
进一步的，所述热熔法中，包括：利用热熔法预浸料设备本身，生产时减少压辊次数和/或压力，使RTM树脂膜尽量留在干态碳纤维织物或玻璃纤维织物表面；
进一步的，所述纤维织物中间体中，纤维织物上、下表面预浸的定型剂RTM树脂的总含量达到10～20％；
进一步的，所述注胶用RTM树脂可以为定型剂RTM树脂本身或与定型剂RTM树脂化学相容性好的其他RTM树脂，所述化学相容性好是指与定型剂RTM树脂不会发生化学反应且两者之间互不影响。
另一方面，本发明还提供一种复合材料的SIRTM液态成型工艺方法，通过以下步骤实现：
第一步：将RTM树脂用作纤维织物的定型剂，采用热熔法将所述纤维织物上、下表面预浸RTM树脂，得到纤维织物中间体；
第二步：对所述纤维织物中间体施加接触压力，得到近净尺寸的纤维织物预成型体；
第三步：采用注胶用RTM树脂对所述纤维织物预成型体进行RTM注胶、固化，得到复合材料。
进一步的，所述纤维织物可以为干态碳纤维织物或玻璃纤维织物；
进一步的，所述采用热熔法将所述纤维织物上、下表面预浸RTM树脂，包括：利用热熔法预浸料设备本身，生产时减少压辊次数和/或压力，使树脂膜尽量留在干态碳纤维织物或玻璃纤维织物表面；
进一步的，所述纤维织物中间体中，纤维织物中间体的内部保持干燥，所述RTM树脂分布在纤维织物上、下表面，原因在于，如果RTM树脂若进入纤维织物中间体内部，将会导致中间体韧性不高，不利于成型各种形状；
进一步的，所述纤维织物中间体中，纤维织物上、下表面预浸的定型剂RTM树脂的总含量达到10～20％；
进一步的，所述纤维织物中间体具有和预浸料相同的裁剪和铺敷工艺性；
进一步的，所述第二步选择在室温下进行；
进一步的，所述第二步中，得到的纤维织物预成型体可以根据需要为任意形状；
进一步的，所述第三步中，采用注胶用RTM注胶、固化为本领域常规的技术手段，其具体工艺和条件可根据需要进行选择；
进一步的，所述注胶用RTM树脂可以为定型剂RTM树脂本身或与定型剂RTM树脂化学相容性好的其他RTM树脂，所述化学相容性好是指与定型剂RTM树脂不会发生化学反应且两者之间互不影响；
进一步的，所述注胶用RTM树脂优选为定型剂RTM树脂本身。
本发明相对于现有技术的特点及优势：
本发明的方法针对传统RTM工艺中织物预定型剂与RTM树脂为两种材料，相容性差，定型剂含量只能在3～5％，预成型体无法用预浸料设备进行自动化生产，只能采用手工涂刷，且定型剂用量少时定型效果差，用量多时则会影响RTM复合材料的力学性能这一难题，提出了将RTM本体树脂用作定型剂的定型思路，在不影响RTM树脂充模流动的前提下，将定型树脂的含量提高到10～20％，采用热熔法预浸料设备将定型剂涂敷在干态织物表面，本发明的干态织物中间体的生产工艺上与传统预浸料存在较大差异，正常预浸料的生产工艺需要经过3-4道压辊，追求将树脂尽量压入干态织物内部，使干态织物尽量被树脂浸透，本发明则只是利用热熔法预浸料设备本身，即生产时尽量减少压辊次数和压力，使树脂膜尽量留在干态织物表面，制得具有和预浸料相同的裁剪和铺敷工艺性的纤维织物中间体，因为中间体具有较高的韧性和粘性，无需加热处理，室温下只需施加接触压力即可铺敷出复杂形状的干态织物预成型体，从而减少预成型体制备时纤维的变形量、提高纤维预成型体的规整度和纤维体积含量，降低复杂结构预成型体的制备难度，最终确保RTM产品的成型质量；
该方法制得的中间体不仅粘性好、粘性适用期和长期贮存期长，而且可以实现大批量定型处理，大大提高生产效率，且采用该工艺方法制备的纤维织物中间体生产预成型体时不需要加热，只需在室温下施加接触压力即可制备出复杂结构预成型体，使纤维织物预成型体制备的难度和成本更低、质量更高，而且解决了纤维织物定型剂与RTM树脂的化学相容性问题，以及传统定型剂用量过多对RTM复合材料力学性能的影响的难题，该方法所制备的复合材料的纤维体积含量更高，力学性能也相应提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明方案作进一步描述。
实施例1
实例1：
RTM树脂：6808中温固化环氧树脂体系
干态织物：G0827单向碳纤维织物，面密度165g/m2，纤维类型T300-3k。
第一步：利用热熔法预浸料设备，将6808中温固化RTM环氧树脂对G0827单向碳纤维织物进行表面浸润，制得具有预浸料铺敷工艺性的G0827单向碳纤维织物中间体；
其中，G0827单向碳纤维织物中间体中6808中温固化RTM环氧树脂的含量为10％，
第二步：高树脂含量的G0827单向碳纤维织物中间体具有和预浸料相同的裁剪和铺敷工艺性，室温下施加接触压力得到近净尺寸的复杂形状干态织物预成型体；
第三步：用同一种6808中温固化RTM树脂对预成型体进行RTM注胶、固化，进而实现复合材料结构件的整体成型。
实例2：
RTM树脂：6818高温固化环氧树脂体系
干态织物：G0827单向碳纤维织物，面密度165g/m2，纤维类型T300-3k。
第一步：利用热熔法预浸料设备，将6818中温固化RTM环氧树脂对G0827单向碳纤维织物进行表面浸润，制得具有预浸料铺敷工艺性的G0827单向碳纤维织物中间体；
其中，G0827单向碳纤维织物中间体中6818中温固化RTM环氧树脂的含量为15％，
第二步：高树脂含量的G0827单向碳纤维织物中间体具有和预浸料相同的裁剪和铺敷工艺性，室温下施加接触压力得到近净尺寸的复杂形状干态织物预成型体；
第三步：用同一种6818中温固化RTM树脂对预成型体进行RTM注胶、固化，进而实现复合材料结构件的整体成型。
实例3：
RTM树脂：6828改性双马树脂体系
干态织物：G0827单向碳纤维织物，面密度165g/m2，纤维类型T300-3k。
第一步：利用热熔法预浸料设备，将6828中温固化RTM环氧树脂对G0827单向碳纤维织物进行表面浸润，制得具有预浸料铺敷工艺性的G0827单向碳纤维织物中间体；
其中，G0827单向碳纤维织物中间体中6828中温固化RTM环氧树脂的含量为20％，
第二步：高树脂含量的G0827单向碳纤维织物中间体具有和预浸料相同的裁剪和铺敷工艺性，室温下施加接触压力得到近净尺寸的复杂形状干态织物预成型体；
第三步：用同一种6828中温固化RTM树脂对预成型体进行RTM注胶、固化，进而实现复合材料结构件的整体成型。
对比例1～3：
定型剂材料：溶液型定型剂Tack328(溶液型，固体含量17％)；
RTM树脂:6808中温环氧树脂体系,6818高温环氧树脂体系；6828改性双马树脂体系；
织物类型：G0827单向碳纤维织物，面密度165g/m2，纤维类型T300-3k。
第一步，将成卷G0827单向碳纤维织物展开，按每平米30～50g称取Tack328定型剂，将定型剂直接喷洒在纤维上，定型后G0827单向碳纤维织物中定型剂重量含量约3％～5％；
第二步，待定型剂溶剂挥发后，涂刷定型剂的干态织物中间体会在一面保持一定粘性，但该干态织物中间体无法收卷，定型后应在当天使用，超过2h即失去粘性，最好边定型边使用，定型后的干态织物中间体无法长期存放；
第三步，定型后的G0827单向碳纤维织物制得预成型体,采用RTM用6808中温环氧树脂体系\RTM用6818高温环氧树脂环氧树脂体系\RTM用改性双马树脂体系注胶后，得到复合材料。
其中，实施例和对比例的预成型体进行RTM注胶方法相同，具体注胶工艺如下：将两种方法制备好的预成型体装入密闭的2mmRTM平板模具内，按如下注胶工艺完成力学性能测试用RTM平板制备：(1)RTM树脂采用航天特种材料及工艺技术研究所生产的RTM用6808中温环氧树脂体系\RTM用6818高温环氧树脂环氧树脂体系\RTM用改性双马树脂体系；(2)注射温度60℃\80℃\130℃，注射压力0.5～0.6MPa，注射时间3～4小时。本发明与现有技术制备的预成型体及其复合材料的性能对比情况见表1。
表1本发明与现有技术制备的预成型体和复合材料性能
从实验结果看，本发明提出的SIRTM成型技术将RTM本体树脂用作定型材料，解决了传统定型剂与RTM树脂的不相容问题，提高了定型材料的用量。制得的干态织物中间体具有预浸料的裁剪和铺敷工艺性，可以满足复杂复合材料结构预成型体的制备需要，制得的纤维预成型体不仅规整度高、纤维体积含量高，而且可以随意移动，更适合工业化生产；增加的定型材料不仅定型效果好，而且不会影响后续RTM工艺中树脂的流动和充模，制得的复合材料纤维体积含量更高，用作定型剂的10％～20％的RTM树脂不仅没有影响后续RTM树脂的流动和充模，而且制得的RTM复合材料力学性能优于现有的复合材料。
虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (8)

1.一种复合材料，由注胶用RTM树脂和纤维织物预成型体采用RTM工艺制得，其特征在于：所述纤维织物预成型体由对纤维织物中间体施加接触压力得到，所述纤维织物中间体以纤维织物为基体，且基体上、下表面预浸有定型剂RTM树脂。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料，其特征在于：所述纤维织物中间体具有预浸料铺敷工艺性，且采用热熔法制得。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料，其特征在于：所述纤维织物中间体中，纤维织物上、下表面预浸的定型剂RTM树脂的总含量达到10～20％。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料，其特征在于：所述注胶用RTM树脂为定型剂RTM树脂本身或与定型剂RTM树脂化学相容性好的其他RTM树脂。
5.一种复合材料的SIRTM液态成型工艺方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步：将RTM树脂用作纤维织物的定型剂，采用热熔法将所述纤维织物上、下表面预浸RTM树脂，得到纤维织物中间体；
第二步对所述纤维织物中间体施加接触压力，得到近净尺寸的纤维织物预成型体；
第三步：采用注胶用RTM树脂对所述纤维织物预成型体进行RTM注胶、固化，得到复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种复合材料的SIRTM液态成型工艺方法，其特征在于，所述纤维织物中间体中，纤维织物中间体的内部保持干燥，所述RTM树脂分布在纤维织物中间体的上、下表面。
7.根据权利要求6所述的一种复合材料的SIRTM液态成型工艺方法，其特征在于，所述纤维织物中间体中，纤维织物上、下表面预浸的定型剂RTM树脂的总含量达到10～20％。
8.根据权利要5-7所述的一种复合材料的SIRTM液态成型工艺方法，其特征在于，所述注胶用RTM树脂为定型剂RTM树脂本身或与定型剂RTM树脂化学相容性好的其他RTM树脂。
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