CN109318511A - 一种复杂内腔复合材料制件的低成本制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复杂内腔复合材料制件的制备方法，该方法包括：a、室温下将预浸树脂的连续纤维缠绕在包裹有隔离膜或预制袋的型芯表面，或将连续纤维树脂预浸料铺覆在包裹有隔离膜或预制袋的型芯表面，得到复合材料预制体；b、将预制体放入模具中，合模；c、将模具放入烘箱中升温至复合材料固化温度，按复合材料给定的固化温度和固化时间固化成型；d、降温脱模，排出型芯内部呈液态的型芯材料，去除复合材料内腔中的型芯的隔离膜或预制袋，得到具有所设计内腔结构的复合材料制件。该方法可以方便、快捷制备各种具有复杂空腔的连续纤维增强的复合材料，所需模具和工艺设备简单，成型工艺过程简单，可实现低成本、连续批量化生产。

Description

一种复杂内腔复合材料制件的低成本制备方法
技术领域
本发明涉及结构复合材料的制备技术领域，具体涉及一种复杂内腔复合材料制件的低成本制备方法。
背景技术
连续纤维增强的树脂基复合材料具有高的比强度和比刚度，在航空航天、输油管道、高压容器、民用体育器材等领域具有越来越广泛的应用。连续纤维增强的树脂基复合材料制备方法主要有：铺叠成型、缠绕成型，还有新近发展的3D打印技术等。缠绕成型方法主要用于管道、容器或复杂含芯结构件的制备，如输油管道、高压气瓶、船舶或直升机的桨叶、民用轻质空心器材如拐杖和自行车架等，通常是将纤维预浸后按设计的缠绕方向和工艺缠绕在一个型芯或中心材料上，型芯或中心材料赋予缠绕纤维固化后的最终形状，随后固化得到复合材料，再脱模脱除型芯得到空心制件，或保留型芯和连续纤维增强复合材料共同成为制件。铺叠成型则是将连续纤维织物或预浸料铺覆于一个模型面或中心模型(型芯)上，得到预制体，再利用RTM工艺或预浸料工艺得到复合材料制件。
但在制备具有复杂内腔结构的制件却遇到了难以解决的问题，主要是复杂结构的型芯会造成成型后无法脱模，因此难以制备内腔为长的管道结构或具有曲折管道结构的复合材料制件。一种已有的技术是应用水溶性型芯，即在复合材料成型后利用水溶的方法除去型芯，但不可避免带来溶解速度慢、型芯材料无法反复使用、严重环境污染、溶解处理过程影响复合材料性能等问题。
公开号为CN105946247A的中国专利文献公开了一种可制备复杂内腔复合材料制件的方法及设备，该方法能较好地控制工艺过程中的压力，可制备具有复杂内腔的复合材料，但该方法操作复杂，模具成本高，生产效率较低本。
综上，为了避免以上问题，需要发展新颖的具有复杂内腔复合材料制件的制备工艺，实现具有复杂内腔复合材料的低成本生产。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有工艺操作复杂，模具成本高，生产效率较低本的问题。
为实现上述目的，本发明所述的方法以利用一种室温下具有较高硬度、而在热成型温度下为中低粘度液体的材料作为型芯材料，在室温下可以缠绕赋形，在加热至固化温度后直接利用型芯熔化和升温产生的热膨胀压力将缠绕结构或预浸料铺覆结构施压到模具内壁上赋形，最后型芯可在一定温度下排出内腔，得到具有复杂内腔的复合材料制件，简化了成型装置后，模具在闭模后可直接放入烘箱内固化成型，实现快速低成本生产。具体地，该方法包括如下步骤：
a、室温下将预浸树脂的连续纤维缠绕在包裹有隔离膜或预制袋的型芯表面，或将连续纤维树脂预浸料铺覆在包裹有隔离膜或预制袋的型芯表面，得到复合材料预制体；
b、将预制体放入模具中，合模；
c、将模具放入烘箱中升温至复合材料固化温度，按复合材料给定的固化温度和固化时间固化成型；
d、降温脱模，排出型芯内部呈液态的型芯材料，去除复合材料内腔中的型芯的隔离膜或预制袋，得到具有所设计内腔结构的复合材料制件。
优选地，在步骤c中，持续将合模好的模具放入到烘箱中，计算放入和取出时间，持续取出固化好的模具，然后进行d步骤的操作，得到复合材料制件。
优选地，将步骤c替换为：
c’、利用循环导轨使合模好的模具进入烘箱，同时根据a的步骤准备下一个成型模具的铺覆合模，将放入烘箱的模具升温至复合材料固化温度，控制导轨速度使树脂给定的固化温度和时间下固化使复合材料预制体固化完全，完成后由导轨运至烘箱外；
不断重复b和c’，控制时间间隔和导轨速度，完成所需复合材料制件的生产。
所述型芯包括内部的型芯材料和外部的壳体，其中，外部的壳体为隔离膜或预制袋：
优选地，所述型芯材料在室温时为硬质固体，在30～150℃及以上成为可流动的液体，玻璃化转变温度或熔融温度高于20℃，在复合材料固化工艺温度下粘度低于200Pa.s。在一个可能的实现方式中，所述型芯材料优选为：石蜡、硫磺、有机低聚物或苯甲酸。
优选地，所述隔离膜为单层或多层薄膜，且为聚合物薄膜或弹性橡胶，不溶于熔融的型芯材料，也不溶于树脂，且最外层隔离膜的外表面在复合材料成型过程与复合材料不发生粘接，所述隔离膜优选为：聚四氟乙烯无孔薄膜。
优选地，所述预制袋为热塑性聚合物薄膜或弹性橡胶,不溶于熔融的型芯材料，也不溶于树脂，且外表通过包覆隔离膜或涂覆脱模剂使其在复合材料成型过程与复合材料不发生粘接，所述预制袋优选为：尼龙密封袋。
优选地，所述隔离膜和所述预制袋的厚度为20μm～2mm。
优选地，所述纤维预浸的树脂或预浸料中的树脂为环氧树脂、不饱和聚酯、苯并噁嗪树脂或双马来酰亚胺树脂。
优选地，所述连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或聚酰亚胺纤维。
本发明方法具有如下优点：
针对原有工艺制备具有曲折或不规则形状等复杂空腔的复合材料制件时模具和工艺复杂，成本较高且不能大批量生产的情况，利用型芯材料热和熔融膨胀的特点，优化型芯结构，发展了一种低成本制备具有复杂空腔的复合材料制件的方法，简化了成型装置，无须空气或液体加压系统和压力控制工艺，可实现低成本、批量化制备具有各种具有复杂空腔的连续纤维增强复合材料制件。
本发明的优点和特点在于，第一，具有原有技术优点，可以方便、快捷制备各种具有复杂空腔的连续纤维增强的复合材料；第二，所需模具和工艺设备简单；第三，成型工艺过程简单；第四，可实现连续批量化生产。以上都是原有技术做不到的。
附图说明
图1为本发明得到的具有葫芦形内腔的连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料葫芦的主视图的示意图；
图2为本发明得到的具有葫芦形内腔的连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料葫芦的实物图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本发明技术方案的实施过程如下：
(1-1)将型芯材料浇注成块，再用机械加工方法加工成螺旋形；或者直接将型芯材料注入到具有螺旋形空腔的模具中，冷却脱模后得到螺旋形状的型芯内芯。再在型芯外包裹一层25μm厚的聚四氟乙烯无孔薄膜作为隔离膜，密封胶或密封胶条密封。
(1-2)室温下将预浸中温固化环氧树脂的连续碳纤维缠绕在上述型芯的聚四氟乙烯无孔薄膜表面，再放入模具中，合模，随后放入烘箱中将模具快速升温至树脂的固化温度120℃，在树脂给定的固化时间下使复合材料预制体固化完全。
(1-3)降温至80℃，拆模，取出复合材料，倒掉内部液态的型芯内芯材料，随后拉扯聚四氟乙烯无孔薄膜使残留型芯内芯材料和外皮从内腔脱除，得到成型好的具有螺旋空腔的连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
(1-4)(1-2)步骤中可持续将合模好的模具放入到烘箱中，计算放入和取出时间，持续取出固化好的模具进行(1-3)步骤的拆模取复合材料。
(1-5)所用型芯材料为低分子量有机聚合物，玻璃化转变温度为30℃或40℃或60℃，粘流温度为60℃或75℃或100℃，120℃下粘度低于50Pa.s。
(1-6)(1-2)中所述的模具设计有稳压装置，控制使稳压装置使内部压力保持2MPa或3MPa。
本实施例得到具有螺旋空腔的连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料，型芯材料可反复使用，脱模简单，工艺程序简单，可连续生产。
实施例2
本发明技术方案的实施过程如下：
(2-1)将型芯材料升温至130℃，注射进入到一个预制空腔形状为葫芦形的尼龙密封袋中，注射完后放于模具中赋形并冷却凝固，得到外壳为尼龙密封袋、内芯为易熔型芯材料的型芯，再在型芯外包裹一层聚四氟乙烯无孔薄膜或涂一层脱模剂，密封，注射100个备用。尼龙袋的厚度为100μm或50μm。
(2-2)室温下将预浸中温固化环氧树脂或聚酯或苯并噁嗪的单向连续碳纤维或玻璃纤维预浸料铺覆在上述型芯的聚四氟乙烯的无孔薄膜表面，再放入模具中，合模。
(2-3)利用循环导轨使合模好的模具进入烘箱，同时再根据(2-2)的步骤准备下一个成型模具的铺覆合模，进入烘箱的升温至130℃，控制导轨速度使树脂给定的固化温度和时间下固化使复合材料预制体固化完全，完成后由导轨运至烘箱外。运至烘箱外的模具风冷降温至55℃或80℃，脱模，倒出熔融的内芯，拉扯聚四氟乙烯的无孔薄膜或尼龙密封袋，顺带拉出复合材料制件内部残余的型芯，得到成型好的具有葫芦形空腔的连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料，或聚酯或苯并噁嗪基的连续碳纤维或玻璃纤维复合材料。
(2-4)(2-2)和(2-3)不断重复，控制时间间隔和导轨速度，完成100个具有葫芦形空腔的复合材料制件的生产。
(2-5)所用的型芯材料为在60℃以上成为可流动的液体，玻璃化转变温度为40℃，在130℃时粘度为1.5Pa.s或95Pa.s。
(2-6)所用的外壳也可以为硅橡胶袋，厚度为0.5mm或1.5mm或1.8mm，内芯热膨胀的压力比尼龙袋更加均匀，制备的复合材料也具有更好的纤维体积分数的均匀度。
图1为本发明实施例得到的具有葫芦形内腔的连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料葫芦的主视图的示意图。
实施例3
本发明技术方案的实施过程如下：
(3-1)制备一个预制空腔形状为U字形的聚乙烯容器，将型芯材料升温至140℃，注射进入到该聚乙烯容器的空腔中，必要时可将聚乙烯容器置于形状一致的模具中保持形状不变形，得到外覆聚乙烯、内为易熔型芯材料的型芯。再在型芯外包裹一层聚四氟乙烯的无孔薄膜，密封；聚乙烯容器壁厚为100μm或200μm。
(3-2)室温下将预浸高温固化环氧树脂或双马树脂的单向连续碳纤维或玻璃纤维缠绕在上述型芯的聚四氟乙烯的无孔薄膜表面，得到复合材料预制体，再放入模具中，合模；
(3-3)随后放入烘箱中将模具快速升温至树脂的固化温度180℃，随后保持在树脂的固化温度180℃，在树脂给定的固化条件下使复合材料预制体固化完全，上述材料对双马树脂还需要在200℃下后固化8小时。固化完成后冷却到150℃，脱模，倒出型芯材料，并趁热拉扯聚四氟乙烯的无孔薄膜，顺带拉出复合材料制件内部残余的型芯和软化的聚乙烯容器。得到成型好的具有U字形空腔的连续碳纤维增强环氧树脂基或双马树脂基复合材料，或相应的玻璃纤维复合材料；
(3-4)本实施例所用的型芯材料也可为低分子量聚合物，玻璃化转变温度为50℃或70℃，粘流温度为75℃或110℃，140℃下粘度均低于110Pa.s。
(3-5)本实施例所用的聚乙烯容器也可换成聚丙烯容器、硅橡胶容器。
实施例4
本发明技术方案的实施过程如下：
(4-1)将型芯材料浇注成块，再用机械加工方法加工成椭球形；或者直接将型芯材料注入到具有椭球形空腔的模具中，冷却脱模后得到椭球形的型芯。再在型芯外包裹一层聚四氟乙烯的无孔薄膜，密封。聚四氟乙烯的无孔薄膜厚度为25μm或50μm。
(4-2)室温下将预浸中温固化环氧树脂的连续碳纤维缠绕在上述型芯的聚四氟乙烯的无孔薄膜表面，再放入模具中，合模。
(4-3)将模具放入烘箱中将模具快速升温至树脂的固化温度120℃，随后保持在树脂的固化温度120℃，在树脂给定的固化条件下使复合材料预制体固化完全，随后冷却至80℃，脱模取出复合材料制件，倒出里面液态的型芯内芯材料，拉扯紧贴在复合材料内腔壁上的隔离膜，取出隔离膜及其表面附着的少量型芯材料，得到成型好的具有椭球形空腔的连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
(4-4)所用型芯材料为有机低分子量聚合物，玻璃化转变温度为30℃或80℃，120℃时粘度为1.5Pa.s或5Pa.s。
(4-5)所用型芯材料也可以为石蜡。
实施例5
本发明技术方案的实施过程如下：
(5-1)将型芯材料升温至150℃，注射进入到一个预制空腔形状为之字形的尼龙密封袋中，得到外覆尼龙密封袋隔离膜、内为易熔型芯材料的型芯。再在型芯外包裹一层硅橡胶的无孔膜，密封，再在外表面涂敷一层脱模剂。尼龙密封袋厚度为30μm，硅橡胶的无孔膜厚度为400μm或600μm。
(5-2)室温下将预浸高温固化环氧树脂或双马树脂的单向连续聚酰亚胺纤维或芳纶纤维预浸料铺覆在上述型芯的硅橡胶无孔薄膜表面，再放入模具中，合模；
(5-3)将模具放入烘箱中将模具快速升温至树脂的固化温度180℃，随后保持在树脂的固化温度180℃，在树脂给定的固化条件下使复合材料预制体固化完全，随后冷却至80℃，脱模取出复合材料制件，倒出液态的内芯材料，拉扯聚四氟乙烯的无孔薄膜或尼龙密封袋，顺带连着隔离膜拉出复合材料制件内部残余的型芯。得到成型好的具有之字形空腔的连续聚酰亚胺纤维增强环氧树脂基复合材料，或双马树脂基的连续聚酰亚胺纤维或芳纶纤维复合材料。
(5-4)所用的型芯材料为增塑的聚合物，室温下具有较好的韧性和一定的强度，在150℃下成为粘稠的流动液体，无毒无味。
(5-5)所用的型芯材料也可为一种低熔点金属共混物，在140℃下熔融成为可流动液体。
(5-6)所用的型芯材料也可为苯甲酸，在122℃下熔融成为低粘度可流动液体。
本发明的技术方案的核心是应用室温下具有一定力学强度而升温后成为液体的型芯材料，并直接应用该型芯材料的熔融和受热膨胀特性，在室温下用此型芯材料预制复合材料内腔结构，可为复合材料结构赋予初始形状，而升温固化过程中型芯可对复合材料预制体施加成型所需压力，因此不仅可以用来制备复杂空腔结构的复合材料制件，而且设备、工艺过程相对于原有技术大大简化，实现复杂空腔结构的复合材料制件的低成本制备。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种复杂内腔复合材料制件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
a、室温下将预浸树脂的连续纤维缠绕在包裹有隔离膜或预制袋的型芯表面，或将连续纤维树脂预浸料铺覆在包裹有隔离膜或预制袋的型芯表面，得到复合材料预制体；
b、将预制体放入模具中，合模；
c、将模具放入烘箱中升温至复合材料固化温度，按复合材料给定的固化温度和固化时间固化成型；
d、降温脱模，排出型芯内部呈液态的型芯材料，去除复合材料内腔中的型芯的隔离膜或预制袋，得到具有所设计内腔结构的复合材料制件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤c中，持续将合模好的模具放入到烘箱中，计算放入和取出时间，持续取出固化好的模具，然后进行d步骤的操作，得到所述复合材料制件。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，将步骤c替换为：
c’、利用循环导轨使合模好的模具进入烘箱，同时根据a的步骤准备下一个成型模具的铺覆合模，将放入烘箱的模具升温至复合材料固化温度，控制导轨速度使树脂给定的固化温度和时间下固化使复合材料预制体固化完全，完成后由导轨运至烘箱外；
不断重复b和c’，控制时间间隔和导轨速度，完成所需复合材料制件的生产。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述型芯材料在室温时为硬质固体，在30～150℃及以上成为可流动的液体，玻璃化转变温度或熔融温度高于20℃，复合材料固化工艺温度下粘度低于200Pa.s。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述隔离膜为聚四氟乙烯无孔薄膜。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预制袋为尼龙密封袋。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述预制袋在使用时，其外表包覆隔离膜或涂覆脱模剂。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述隔离膜和所述预制袋的厚度为20μm～2mm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维预浸的树脂或预浸料中的树脂为环氧树脂、不饱和聚酯、苯并噁嗪树脂或双马来酰亚胺树脂。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或聚酰亚胺纤维。
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