CN109591327A - 一种泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件，包括箱体和角型材，所述箱体包括面板层和泡沫夹芯层，所述泡沫夹芯层嵌入所述面板层内，所述面板层和所述角型材以碳纤维织物作为原材料，所述泡沫加芯层以闭孔硬质泡沫为材料，所述闭孔硬质泡沫材料为聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、聚氯乙烯（PVC）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚氨酯（PU）中的一种。本发明复合材料箱形件，采用阳模制备预制体，阴模成型，保证制品的外形尺寸精度，所得泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件外表面光滑平整，整体性能好，耐腐蚀能力强，使用寿命长，具有高强度、高模量、轻量化的特点。

Description

一种泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件及其制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维材料应用领域，具体涉及一种泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件及其制备方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）是目前最先进的复合材料之一，因具有高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、重量轻、可设计性强等独特优势，被广泛应用在各个技术领域。但由于材料昂贵、制造成本偏高，在一定程度上制约着先进复合材料的发展，尤其是随着先进复合材料在民用领域被广泛接受，成本效益因素成为其进一步拓宽应用市场、求取更大发展的瓶颈，因此低成本复合材料技术成为了当今世界复合材料技术发展研究的核心问题，而发展低成本复合材料技术的核心是低成本制造技术。
真空辅助树脂注射成型工艺（简称VARI工艺）是一种高性能、低成本的复合材料成型工艺。其工艺原理是：在真空负压条件下，利用树脂的流动和渗透实现对封闭模腔内的纤维织物等增强材料的浸渍，然后固化成型。
泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件是由箱体、角型材组成，箱体由面板层、泡沫夹芯层组成。传统的箱形件一般采用金属材料制成，其自重大，易腐蚀，养护费用高，使用寿命短。泡沫夹芯结构复合材料具有质轻、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优势。但目前泡沫夹芯结构复合材料一般采用预浸料-热压罐成型，原材料及制造成本均较高。
因此解决这一类的问题显得尤为重要，此技术是在对碳纤维复合材料箱形件及其制备方法过程中予以考虑并解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件及其制备方法。
本发明的技术解决方案是：一种碳纤维复合材料箱形件，包括箱体和角型材，所述箱体包括面板层和泡沫夹芯层，所述泡沫夹芯层嵌入所述面板层内，所述面板层和所述角型材以碳纤维织物作为原材料，所述泡沫加芯层以闭孔硬质泡沫为材料，通过真空辅助树脂注射工艺成型。
本发明的进一步改进在于：所述闭孔硬质泡沫材料为聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、聚氯乙烯（PVC）、聚醚酰亚胺（PEI）和聚氨酯（PU）中的一种。
本发明的进一步改进在于：所述碳纤维织物是多轴向织物、经编织物、纬编织物、针织物和缝合织物中的一种或二种。
如权利要求1中泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件的制备方法，包含如下具体步骤：
步骤（1）碳纤维织物定型的制备、裁剪和编号:将热熔型定型剂均匀喷洒在所述碳纤维织物上并热定型，待所述碳纤维织物定型结束后，裁剪成所需形状，将裁剪成指定形状的所述碳纤维织物编号并且密封保存、备用；
步骤（2）泡沫夹芯层加工：将所述泡沫夹芯层加工成所需形状，所述泡沫夹芯层四周倒角，并按设计规律在垂直于所述泡沫夹芯层的厚度方向钻孔；
步骤（3）箱形件预制体制备：以铺贴线为基准线，将裁剪好的用于面板层定型的所述碳纤维织物和所述泡沫夹芯层按编号依次铺贴于箱体阳模模具上，制备出所述箱件预制体；以铺贴线为基准线，将裁剪好的用于所述角型材定型的碳纤维织物，按编号依次铺贴于所述角型材阳模模具上，制备出所述角型材预制体；将所述箱形体预制体与所述角型材进行组装，得到所述箱形件预制体；
步骤（4）制袋：将箱形件预制体放入箱形件的阴模模具后合模，在碳纤维织物上依次铺放脱模布、导流网、抽气管路、注胶管路、真空袋膜并密封；
步骤（5）真空辅助树脂注射成型：将模具运至加热设备里，关闭注胶管道，将抽气管道与抽真空设备相连，抽真空，检测气密性，加热设备启动，同时将树脂置于加热设备里加热至所需温度，当模具温度达到注胶温度，开始注胶，当所述树脂充分浸润织物时，注胶结束，并加热设备按树脂固化制度升温，固化成型；
步骤（6）制件脱模、加工：当所述模具温度降至60℃以下，将固化后的箱形件从模具中取出，对所述箱形件进行切割，打磨，得到泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件成品。
本发明的进一步改进在于：所述步骤（2）中，所述泡沫夹芯层的倒角的角度为20°-70°，所述钻孔的孔密度为100-2000个/m2，所述孔直径为0.5mm-3mm。
本发明的进一步改进在于：所述步骤（3）中，织物铺贴过程中，每3-8层热预压一次，铺贴最后一层时单独热预压。
本发明的进一步改进在于：所述抽气管路和注胶管路分别位于箱形件预制体的两端，均为环向一周。
本发明的进一步改进在于：所述步骤（5）中检测气密性时，真空度不低于920mbar，5min内压降不超过50mbar。
本发明的进一步改进在于：所述步骤（5）中所用树脂为热固性树脂，树脂基体采用环氧树脂、不饱和聚酯树脂、双马树脂、乙烯基树脂或酚醛树脂中的一种或两种以上。
本发明的进一步改进在于：所述步骤（5）中开始注胶之前需要对树脂进行真空脱泡，脱泡时间为10-30min。
本发明的进一步改进在于：所述注胶方式为从下往上注胶，注胶管路在下，抽气管路在上。
本发明的有益效果是：本发明提供一种泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件及其制备方法。采用阳模制备预制体，阴模一体成型，保证制品的外形尺寸精度，所得泡沫夹芯结构复合材料箱形件整体性能好，外表面光滑平整，耐腐蚀能力强，使用寿命长，具有高强度、高模量、轻量化的特点。采用VARI工艺一体成型，工艺简单，生产效率高，成本低廉，环境污染小，能够实现大批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例泡沫夹芯整体结构复合材料箱形件结构示意图。
图2是本发明实施例泡沫夹芯整体结构复合材料箱形件结构截面图示意图。
其中：1-面板层，2-泡沫夹芯层，3-角型材。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
本实施例提供一种碳纤维复合材料箱形件，如图1和图2所示，包括箱体和角型材3，所述箱体包括面板层1和泡沫夹芯层2，所述面板层1包括上面层、泡沫夹芯层2和下面层。所述泡沫夹芯层2嵌入所述面板层1内，所述面板层1和所述角型材3以碳纤维织物作为原材料，所述泡沫夹芯层2以闭孔硬质泡沫为材料，所述闭孔硬质泡沫材料为硬质闭孔PMI泡沫，所述面板层1围成上下左右四个面，所述四个面中左右两个面平行和上下两个面平行，处于相交位置的两个所述面板层1相互垂直，所述角型材3设置在两个所述面板层1相互垂直的位置。
其中所述碳纤维织物可以是多轴向织物、经编织物、纬编织物、针织物和缝合织物中的一种或二种以上。
如上泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件的制备方法，包含如下具体步骤：
步骤（1）碳纤维织物定型的制备、裁剪和编号:将热熔型定型剂均匀喷洒在所述碳纤维织物上并热定型，定型剂原则上要与成型所用的树脂的主要成分相同，在泡沫夹芯整体结构复合材料箱形件VARI成型过程中融于树脂，不作为杂质出现，以致影响复合材料的性能。待所述碳纤维织物定型结束后，按照所述碳纤维织物按照铺层设计的下料图裁剪，裁剪成所需形状，并将裁剪成指定形状的所述碳纤维织物上贴上与下料图对应的编号并且密封保存、备用；
步骤（2）泡沫夹芯层加工：在加工前，先对所述泡沫夹芯层3进行干燥处理，干燥温度为120℃，时间为120min，干燥设备升降温速率为2-3℃/min。对所述泡沫夹芯层3设计尺寸，使用加工设备将所述泡沫夹芯层3加工成所需形状，所述泡沫夹芯层3四周倒角，倒角角度为25°，并按四方形的设计规律在垂直于所述泡沫夹芯层3的厚度方向钻孔，孔密度为400个/m2，孔直径为2mm；
步骤（3）箱形件预制体制备：以铺贴线为基准线，将裁剪好的用于面板层定型的所述碳纤维织物和所述泡沫夹芯层3按编号依次铺贴于箱体阳模模具上，制备出所述箱件预制体；以铺贴线为基准线，将裁剪好的用于所述角型材1定型的碳纤维织物，按编号依次铺贴于所述角型材1阳模模具上，每铺贴4层对未成形预制体热定型一次，铺贴最后一层时单独热预压，热定型温度120℃，定型时间为30min，并自然冷却至室温，制备出所述角型材1预制体；将所述箱形体预制体与所述角型材进行组装，所述角型材1为4角型，将所述4角型材分别组装在箱体预制体的4个直角的中间位置，得到所述箱形件预制体；
步骤（4）制袋：将所述箱形件预制体从阳模模具上取下，并将其放入箱形件的阴模模具后合模，在内表面织物上依次铺放脱模布、导流网、抽气管路、注胶管路、真空袋膜并密封，所述抽气管路和注胶管路分别位于箱形件预制体的两端，均为环向一周，所述导流网在所述箱形体的R角断开，拼接方式为对接。
步骤（5）真空辅助树脂注射成型：将模具运至加热设备里，关闭注胶管道，将抽气管道与抽真空设备相连，抽真空，检测气密性，设置加热设备升温程序，启动设备，同时将树脂置于加热设备里加热至55℃，所述树脂为热固性树脂，所述树脂基体采用环氧树脂、不饱和聚酯树脂、双马树脂、乙烯基树脂或酚醛树脂中的一种或两种以上，当模具温度达到55℃时，开始注胶，注胶之前需要对所述树脂进行真空脱泡，脱泡时间为15min，注胶方式为从下往上，当树脂充分浸润织物时，注胶结束，加热设备。按树脂固化制度设置固化温度，固化制度分为两个阶段，首先80℃±5℃固化3h，然后130℃±5℃固化3h，升温速率控制在（0.5-3）℃/min，固化结束后的降温速率≤2℃/min。
步骤（6）制件脱模、加工：当所述模具温度降至60℃以下，将固化后的箱形件从模具中取出，对所述箱形件进行切割，打磨，得到泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件成品。
本实施例采用VARI工艺一体成型，降低成本，提高了生产效率。而其制备材料性能优异，且结构设计合理，具有很好的耐高温、高压的特性。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件，其特征在于：包括箱体和角型材，所述箱体包括面板层和泡沫夹芯层，所述泡沫夹芯层嵌入所述面板层内，所述面板层和所述角型材以碳纤维织物作为原材料，所述泡沫加芯层以闭孔硬质泡沫为材料，通过真空辅助树脂注射工艺成型。
2.根据权利要求1所述的一种泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件，其特征在于：所述碳纤维织物是多轴向织物、经编织物、纬编织物、针织物和缝合织物中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件，其特征在于：所述闭孔硬质泡沫材料为聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、聚氯乙烯（PVC）、聚醚酰亚胺（PEI）和聚氨酯（PU）中的一种。
4.如权利要求1中泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件的制备方法：包括如下步骤：
步骤（1）碳纤维织物定型的制备、裁剪和编号:将热熔型定型剂均匀喷洒在所述碳纤维织物上并热定型，待所述碳纤维织物定型结束后，裁剪成所需形状，将裁剪成指定形状的所述碳纤维织物编号并且密封保存、备用；
步骤（2）泡沫夹芯层加工：将所述泡沫夹芯层加工成所需形状，所述泡沫夹芯层四周倒角，并按设计规律在垂直于所述泡沫夹芯层的厚度方向钻孔；
步骤（3）箱形件预制体制备：以铺贴线为基准线，将裁剪好的用于面板层定型的所述碳纤维织物和所述泡沫夹芯层按编号依次铺贴于箱体阳模模具上，制备出所述箱件预制体；以铺贴线为基准线，将裁剪好的用于所述角型材定型的碳纤维织物，按编号依次铺贴于所述角型材阳模模具上，制备出所述角型材预制体；将所述箱形体预制体与所述角型材进行组装，得到所述箱形件预制体；
步骤（4）制袋：将箱形件预制体放入箱形件的阴模模具后合模，在碳纤维织物上依次铺放脱模布、导流网、抽气管路、注胶管路和真空袋膜并密封；
步骤（5）真空辅助树脂注射成型：将模具运至加热设备里，关闭注胶管道，将抽气管道与抽真空设备相连，抽真空，检测气密性，加热设备启动，同时将树脂置于加热设备里加热至所需温度，当模具温度达到注胶温度，开始注胶，当所述树脂充分浸润织物时，注胶结束，并加热设备按树脂固化制度升温，固化成型；
步骤（6）制件脱模、加工：当所述模具温度降至60℃以下，将固化后的箱形件从模具中取出，对所述箱形件进行切割，打磨，得到泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件成品。
5.根据权利要求4所述的泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述泡沫夹芯层的倒角的角度为20°-70°，所述钻孔的孔密度为100-2000个/m2，孔直径为0.5mm-3mm。
6.根据权利要求4所述的泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，织物铺贴过程中，每3-8层热预压一次，铺贴最后一层时单独热预压。
7.根据权利要求4所述的泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件的制备方法，其特征在于：所述抽气管路和注胶管路分别位于箱形件预制体的两端，均为环向一周。
8.根据权利要求4所述的泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中检测气密性时，真空度不低于920mbar，5min内压降不超过50mbar。
9.根据权利要求4所述的泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中所用树脂为热固性树脂，树脂基体采用环氧树脂、不饱和聚酯树脂、双马树脂、乙烯基树脂或酚醛树脂中的一种或多种。
10.根据权利要求4所述的泡沫夹芯结构碳纤维复合材料箱形件的制备方法，其特征在于：所述注胶方式为从下往上注胶，注胶管路在下，抽气管路在上。
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