CN110027227A - 袋压缩树脂传递模塑成型模具、成型装置及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种袋压缩树脂传递模塑成型模具、成型装置及成型方法，模具包括外模以及位于外模内的上模、下模、气囊和导向件，上模和下模分别为相互配合的凸块结构和凹槽结构，下模位于上模下方，气囊位于下模下方，导向件用于将下模的运动方向限制在上下方向，上模和外模中设有连通的树脂入口，外模上设有真空泵连接口和与气囊入口连接的空气入口，下模中设有树脂出口；装置由成型模具、储气罐、真空泵、压力罐和加热装置组成；方法为首先将增强材料置于模具内加热后对上模和下模之间的密闭空间抽真空，然后注满树脂，接着对气囊进行充气使其压缩下模，最后进行固化和脱模。本发明的成型模具和装置结构简单，成型方法生产效率高，成本低。

Description

袋压缩树脂传递模塑成型模具、成型装置及成型方法

技术领域

本发明属于碳纤维复合增强材料技术领域，涉及一种袋压缩树脂传递模塑成型模具、成型装置及成型方法。

背景技术

在石油化工、机械制造等领域，复杂结构部件的轻量化成为近年来研究的重点。碳纤维增强复合材料的比重不到钢的1/4，且具有高比强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、设计性好和可大面积整体成型的特点。因此，碳纤维增强复合材料替代金属材料是实现零部件轻量化的有效途径，其得到越来越广泛的关注。

树脂传递模塑技术(Resin Transfer Molding，RTM)是典型的非热压罐低成本材料制备技术，其主要优点是能够制造高精度的复杂构型零件，并保持较高的结构设计效率。RTM成型工艺是液态、具有反应活性的低黏度树脂在闭合模具里流动并排除气体，同时浸润浸渍干态纤维，在完成浸润浸渍后，树脂在模具内通过加热引发交联反应完成固化得到成型的制品的过程。RTM成型过程可以分解为包含流动、浸润、渗透、充模等物理过程和液态树脂转变为固体材料的化学反应过程。现有技术中生产碳纤维复合增强材料制品多采用该种工艺，现有技术中生产碳纤维复合增强材料采用的模具如图1所示，主要由上模2、下模3、密封圈19和注塑管20组成，上模2和下模3为相互配合的凹槽结构，上模2与下模3上设置有凹槽的开口面贴合形成密闭型腔，注塑时上模2与下模3之间形成的密闭型腔的体积固定，不能后期通过施加外加压力来改变碳纤维复合增强材料10的体积含量，因此采用该模具的成型工艺有时还需要制备预成型体，且预成型体的渗透率较小，此外RTM的操作难度较大，注射时间长，效率低，注射过程中带入气体很难排除干净，导致无法满足复合材料高性能、高效率和低成本的要求，这些都不利于完成更多类型的复合材料接头的生产制造。

因此，研究一种结构简单、生产效率高、成本低且能制备高性能碳纤维增强复合材料的袋压缩树脂传递模塑成型模具、成型装置及成型方法极具现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、生产效率高、成本低且能制备高性能碳纤维增强复合材料的袋压缩树脂传递模塑成型模具、成型装置及成型方法。

袋压缩树脂传递模塑成型模具，包括外模以及位于外模内的上模、下模、气囊和导向件；

外模为可开合和密闭的容器，上模和下模分别为相互配合的凸块结构和凹槽结构；

上模与外模顶部固定连接，用于在闭模时嵌入下模内，在下模内形成密闭空间；下模位于上模下方；气囊位于下模底部与外模底部之间，用于在充气时带动下模运动；导向件用于将下模的运动方向限制在上下方向；

上模和外模中设有连通的树脂入口，树脂入口贯穿外模顶部和上模，外模底部设有与气囊入口连接的空气入口，下模中设有贯穿下模且连通槽内和槽外空间的树脂出口，外模中设有真空泵连接口。

采用本发明的袋压缩树脂传递模塑成型模具进行传递模塑成型时，首先将外模上的真空泵连接口与真空泵连接，通过真空泵对整个外模腔抽真空，使体系保持一个负压，再施加压力通过树脂入口灌注树脂，内外结合，缩短灌注时间，接着，待树脂灌注完成，达到凝胶点附近时，通过空气入口向气囊内吹入空气，气囊在导向件的限制作用下推动下模向上运动，使复合材料的体积缩小，排除体系内的气体，达到减小孔隙率的目的，从而能够制得孔隙率小且性能优良的高性能碳纤维增强复合材料，结构简单，生产效率高，成本低。

作为优选的技术方案：

如上所述的袋压缩树脂传递模塑成型模具，外模为内设立方体a腔体的立方体b，立方体a的长度为90-900mm，宽度为90-900mm，高度为40-490mm，立方体b的长度为100～1000mm，宽度为100～1000mm，高度为50～500mm；

上模为实心立方体c，长度为50～800mm，宽度为50～800mm，高度为30～450mm；

下模为内设立方体d腔体的立方体e，立方体d的长度为50～800mm，宽度为50～800mm，高度为30～450mm，立方体e的长度为60～850mm，宽度为60～850mm，高度为35～480mm；

所有立方体的长度都为最长的棱的长度，所有立方体的高度都为最短的棱的长度，所有立方体最长的棱相互平行，所有立方体最短的棱相互平行；

树脂入口为圆柱孔，直径为13mm；树脂出口共两个，分别位于下模两侧，都为圆柱孔，直径为3mm；空气入口和真空泵连接口都为圆柱孔，直径为3～10mm。本发明的外模、上模和下模的尺寸包括但不限于此，可根据实际需要适应性调整。

如上所述的袋压缩树脂传递模塑成型模具，所述导向件为螺栓，螺栓数量为2个，与外模底部固定连接，下模底部设有两圆柱形安插孔，螺栓插入安插孔内，螺栓的外径小于安插孔的孔径，螺栓起到导向作用，保证下模做上下运动，具体设置形式不限于此，还可以是螺栓与下模固定连接，螺栓的外径小于设置在外模上的供其插入的安插孔的孔径，还可以是下模底部与弹簧的一端固定连接，弹簧的另一端与外模底部连接，只要保证下模在气囊作用下能够上下运动即可。

本发明还提供一种袋压缩树脂传递模塑成型装置，包括如上所述的袋压缩树脂传递模塑成型模具、储气罐、真空泵、压力罐和加热装置；

储气罐分别与袋压缩树脂传递模塑成型模具的空气入口和压力罐连接，连接管路上都设有阀门、压力计和压力调节器；真空泵的管道与袋压缩树脂传递模塑成型模具的真空泵连接口连接；压力罐通过管道与袋压缩树脂传递模塑成型模具的树脂入口连接；加热装置用于加热袋压缩树脂传递模塑成型模具。

作为优选的技术方案：

如上所述的袋压缩树脂传递模塑成型装置，袋压缩树脂传递模塑成型模具的空气入口和压力罐与同一个储气罐连接；加热装置为烘箱。

本发明还提供采用如上所述的袋压缩树脂传递模塑成型装置的袋压缩树脂传递模塑成型方法，首先将增强材料铺放在下模中，闭合模具，置于加热装置内加热，然后对上模与下模之间的密闭空间进行抽真空处理，接着向上模与下模之间的密闭空间内注满树脂，接着对气囊进行充气使其压缩下模，最后进行升温固化和冷却脱模。

作为优选的技术方案：

如上所述的袋压缩树脂传递模塑成型方法，具体步骤如下：

(1)打开模具，涂抹脱模剂，将增强材料铺放在下模中，闭合模具，置于加热装置内加热至50～80℃；加热模具的目的是防止树脂在灌注的过程中遇冷导致粘度增加，影响树脂渗透；加热温度包括但不仅限于此，可适当调整，但不宜太过，温度过高可能会加剧树脂的固化，温度过低可能会导致树脂粘度不能满足灌注的要求；

(2)打开真空泵，抽出上模与下模之间的密闭空间内的空气，使上模与下模之间的密闭空间的气压在-0.099～0.09MPa之间；

(3)调节压力调节器，用不大于0.8MPa的压力将树脂从压力罐内注入上模与下模之间的密闭空间内，注满为止；树脂注入时所使用的压力包括但不仅限于此，可适当调整，但不宜太过，压力过大，模具可能会损坏；压力过小，树脂不能快速的浸润到增强材料中；

(4)调节压力调节器，用0.2～1.0MPa的压力压缩下模，至储气罐与空气入口的连接管路上的压力计的示数达到0.5-1.5MPa；该过程中采用的压力包括但不仅限于此，可适当调整，但不宜太过，压力过小，导致气囊不能推动下模具的运动，从而达不到效果；压力过大，可能会撑破气囊；

(5)将加热装置加热至80～130℃，保温0.5～2h，目的是降低树脂粘度，提高流动性，防止树脂过早固化；

(6)冷却至室温，脱模。

如上所述的袋压缩树脂传递模塑成型方法，增强材料为碳纤维布，树脂为在室温下黏度为0.1～1pa·s的树脂，最终制得碳纤维增强复合材料，碳纤维增强复合材料的孔隙率为0.5～3.5％，纤维体积含量为40～70％，拉伸强度为800～1400MPa，弯曲强度为700～1300MPa，层间剪切强度为45～80MPa。其他条件相同时，采用现有技术的模具制备的碳纤维增强复合材料的孔隙率为4％左右，弯曲强度为600MPa左右，本发明方法制备的碳纤维增强复合材料孔隙率小，力学性能好。

如上所述的袋压缩树脂传递模塑成型方法，碳纤维布为T300级或T700级的碳纤维布。本发明选用的碳纤维布在降低生产成本的同时还能提高最终制品的力学性能，本发明对碳纤维布的保护范围并不限于此，其它能达到上述目的的均适用于本发明。

如上所述的袋压缩树脂传递模塑成型方法，树脂为环氧树脂，不饱和聚酯树脂或酚醛树脂。本发明的树脂种类包括但不限于此，此处仅举例一些目前常见的树脂，其他可模塑成型的树脂均适用于本发明。

有益效果：

(1)本发明的袋压缩树脂传递模塑成型模具，结构简单，通过对成型模具进行改进，有效解决了现有技术中所使用的模具复杂程度高、预成型体的渗透率较小、操作难度大、注射时间长、效率低以及注射过程中带入气体很难排除干净的问题；

(2)本发明的包含该袋压缩树脂传递模塑成型模具的成型装置，生产效率高，由该成型装置进行碳纤维增强复合材料的成型方法，工艺简单、成本低廉且大大提高了碳纤维增强复合材料的力学性能，实现了碳纤维增强复合材料在轻量化方面的广泛应用。

附图说明

图1为现有技术中的树脂传递模塑成型模具的结构示意图；

图2为本发明袋压缩树脂传递模塑成型模具的结构示意图；

图3为本发明包含袋压缩树脂传递模塑成型模具的成型装置的结构示意图；

其中，1-外模，2-上模，3-下模，4-气囊，5-导向件(螺栓)，6-树脂入口，7-空气入口，8-树脂出口，9-真空泵连接口，10-增强材料(碳纤维布)，11-袋压缩树脂传递模塑成型模具，12-储气罐，13-真空泵，14-压力罐，15-烘箱，16-阀门，17-压力计，18-压力调节器，19-密封圈，20-注塑管。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

袋压缩树脂传递模塑成型模具，如图2所示，包括外模1以及位于外模1内的上模2、下模3、气囊4和导向件5；

外模1为可开合和密闭的容器，其为内设立方体a腔体的立方体b，立方体a的长度为90～900mm，宽度为90～900mm，高度为40～490mm，立方体b的长度为100～1000mm，宽度为100～1000mm，高度为50～500mm；

上模和下模分别为凸块结构和凹槽结构，上模为实心立方体c，长度为30～450mm，宽度为50～800mm，高度为50～500mm；下模为内设立方体d腔体的立方体e，立方体d的长度为50～800mm，宽度为50～800mm，高度为30～450mm，立方体e的长度为60～850mm，宽度为60～850mm，高度为35～480mm；

所有立方体的长度都为最长的棱的长度，所有立方体的高度都为最短的棱的长度，所有立方体最长的棱相互平行，所有立方体最短的棱相互平行；

上模2与外模1顶部固定连接，用于在闭模时嵌入下模3内，在下模3内形成密闭空间；下模3位于上模2下方；气囊4位于下模3底部与外模1底部之间，用于在充气时带动下模3运动；导向件5为螺栓，螺栓数量为2个，与外模1底部固定连接，下模3底部设有两圆柱形安插孔，螺栓插入安插孔内，螺栓的外径小于安插孔的孔径，导向件5用于将下模3的运动方向限制在上下方向；

上模2和外模1中设有连通的树脂入口6，树脂入口6为圆柱孔，直径为13mm，树脂入口6贯穿外模1顶部和上模2，外模1底部设有与气囊入口连接的空气入口7，下模3中设有贯穿下模3且连通槽内和槽外空间的树脂出口8，树脂出口8共两个，分别位于下模3两侧，都为圆柱孔，直径为3mm，外模1中设有真空泵连接口9，空气入口7和真空泵连接口9都为圆柱孔，直径为3～10mm。

袋压缩树脂传递模塑成型装置，如图3所示，包括上述的袋压缩树脂传递模塑成型模具11、储气罐12、真空泵13、压力罐14和烘箱15；

同一个储气罐12分别与袋压缩树脂传递模塑成型模具11的空气入口和压力罐14连接，连接管路上都设有阀门16、压力计17和压力调节器18；真空泵13的管道与袋压缩树脂传递模塑成型模具11的真空泵连接口连接；压力罐14通过管道与袋压缩树脂传递模塑成型模具11的树脂入口连接；烘箱15用于加热袋压缩树脂传递模塑成型模具11。

实施例1

采用上述的袋压缩树脂传递模塑成型装置进行袋压缩树脂传递模塑成型的方法，具体步骤如下：

(1)打开模具，涂抹脱模剂，将T700级的碳纤维布10铺放在下模中，闭合模具，置于烘箱内加热至50℃；

(2)打开真空泵，将上模与下模之间的密闭空间的气压抽至-0.099MPa；

(3)调节压力调节器，用0.8MPa的压力将在室温下黏度为0.5pa·s的环氧树脂从压力罐内注入上模与下模之间的密闭空间内，注满为止；

(4)调节压力调节器，用0.5MPa的压力压缩下模，至储气罐与空气入口的连接管路上的压力计的示数达到0.5MPa；

(5)将烘箱加热至80℃，保温2h；

(6)冷却至室温，脱模。

最终制得的碳纤维增强复合材料的孔隙率为2.5％，纤维体积含量为60％，拉伸强度为950MPa，弯曲强度为900MPa，层间剪切强度为45MPa。

实施例2

采用上述的袋压缩树脂传递模塑成型装置进行袋压缩树脂传递模塑成型的方法，具体步骤如下：

(1)打开模具，涂抹脱模剂，将T700级的碳纤维布铺放在下模中，闭合模具，置于烘箱内加热至70℃；

(2)打开真空泵，将上模与下模之间的密闭空间的气压抽至-0.085MPa；

(3)调节压力调节器，用0.7MPa的压力将在室温下黏度为0.1pa·s的不饱和聚酯树脂从压力罐内注入上模与下模之间的密闭空间内，注满为止；

(4)调节压力调节器，用1.0MPa的压力压缩下模，至储气罐与空气入口的连接管路上的压力计的示数达到1.0MPa；

(5)将烘箱加热至100℃，保温0.5h；

(6)冷却至室温，脱模。

最终制得的碳纤维增强复合材料的孔隙率为0.5％，纤维体积含量为40％，拉伸强度为800MPa，弯曲强度为700MPa，层间剪切强度为65MPa。

实施例3

采用上述的袋压缩树脂传递模塑成型装置进行袋压缩树脂传递模塑成型的方法，具体步骤如下：

(1)打开模具，涂抹脱模剂，将T300级的碳纤维布铺放在下模中，闭合模具，置于烘箱内加热至80℃；

(2)打开真空泵，将上模与下模之间的密闭空间的气压抽至-0.085MPa；

(3)调节压力调节器，用0.6MPa的压力将在室温下黏度为1pa·s的酚醛树脂从压力罐内注入上模与下模之间的密闭空间内，注满为止；

(4)调节压力调节器，用0.2MPa的压力压缩下模，至储气罐与空气入口的连接管路上的压力计的示数达到0.2MPa；

(5)将烘箱加热至130℃，保温1h；

(6)冷却至室温，脱模。

最终制得的碳纤维增强复合材料的孔隙率为3.0％，纤维体积含量为90％，拉伸强度为1200MPa，弯曲强度为900MPa，层间剪切强度为80MPa。

实施例4

采用上述的袋压缩树脂传递模塑成型装置进行袋压缩树脂传递模塑成型的方法，具体步骤如下：

(1)打开模具，涂抹脱模剂，将T300级的碳纤维布铺放在下模中，闭合模具，置于烘箱内加热至60℃；

(2)打开真空泵，将上模与下模之间的密闭空间的气压抽至-0.09MPa；

(3)调节压力调节器，用0.5MPa的压力将在室温下黏度为0.7pa·s的环氧树脂从压力罐内注入上模与下模之间的密闭空间内，注满为止；

(4)调节压力调节器，用0.9MPa的压力压缩下模，至储气罐与空气入口的连接管路上的压力计的示数达到0.9MPa；

(5)将烘箱加热至110℃，保温1.5h；

(6)冷却至室温，脱模。

最终制得的碳纤维增强复合材料的孔隙率为3.5％，纤维体积含量为70％，拉伸强度为1400MPa，弯曲强度为1300MPa，层间剪切强度为60MPa。

Claims (10)

1.袋压缩树脂传递模塑成型模具，其特征是：包括外模以及位于外模内的上模、下模、气囊和导向件；

外模为可开合和密闭的容器，上模和下模分别为相互配合的凸块结构和凹槽结构；

上模与外模顶部固定连接，用于在闭模时嵌入下模内，在下模内形成密闭空间；下模位于上模下方；气囊位于下模底部与外模底部之间，用于在充气时带动下模运动；导向件用于将下模的运动方向限制在上下方向；

上模和外模中设有连通的树脂入口，树脂入口贯穿外模顶部和上模，外模底部设有与气囊入口连接的空气入口，下模中设有贯穿下模且连通槽内和槽外空间的树脂出口，外模中设有真空泵连接口。

2.根据权利要求1所述的袋压缩树脂传递模塑成型模具，其特征在于，外模为内设立方体a腔体的立方体b，立方体a的长度为90～900mm，宽度为90～900mm，高度为40～490mm，立方体b的长度为100～1000mm，宽度为100～1000mm，高度为50～500mm；

上模为实心立方体c，长度为50～800mm，宽度为50～800mm，高度为30～450mm；

下模为内设立方体d腔体的立方体e，立方体d的长度为50～800mm，宽度为50～800mm，高度为30～450mm，立方体e的长度为60～850mm，宽度为60～850mm，高度为35～480mm；

所有立方体的长度都为最长的棱的长度，所有立方体的高度都为最短的棱的长度，所有立方体最长的棱相互平行，所有立方体最短的棱相互平行；

树脂入口为圆柱孔，直径为13mm；树脂出口共两个，分别位于下模两侧，都为圆柱孔，直径为3mm；空气入口和真空泵连接口都为圆柱孔，直径为3～10mm。

3.根据权利要求1所述的袋压缩树脂传递模塑成型模具，其特征在于，所述导向件为螺栓，螺栓数量为2个，与外模底部固定连接，下模底部设有两圆柱形安插孔，螺栓插入安插孔内，螺栓的外径小于安插孔的孔径。

4.袋压缩树脂传递模塑成型装置，其特征是：包括如权利要求1～3任一项所述的袋压缩树脂传递模塑成型模具、储气罐、真空泵、压力罐和加热装置；

储气罐分别与袋压缩树脂传递模塑成型模具的空气入口和压力罐连接，连接管路上都设有阀门、压力计和压力调节器；真空泵的管道与袋压缩树脂传递模塑成型模具的真空泵连接口连接；压力罐通过管道与袋压缩树脂传递模塑成型模具的树脂入口连接；加热装置用于加热袋压缩树脂传递模塑成型模具。

5.根据权利要求4所述的袋压缩树脂传递模塑成型装置，其特征在于，袋压缩树脂传递模塑成型模具的空气入口和压力罐与同一个储气罐连接；加热装置为烘箱。

6.采用如权利要求4或5所述的袋压缩树脂传递模塑成型装置的袋压缩树脂传递模塑成型方法，其特征是：首先将增强材料铺放在下模中，闭合模具，置于加热装置内加热，然后对上模与下模之间的密闭空间进行抽真空处理，接着向上模与下模之间的密闭空间内注满树脂，接着对气囊进行充气使其压缩下模，最后进行升温固化和冷却脱模。

7.根据权利要求6所述的袋压缩树脂传递模塑成型方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)打开模具，涂抹脱模剂，将增强材料铺放在下模中，闭合模具，置于加热装置内加热至50～80℃；

(2)打开真空泵，将上模与下模之间的密闭空间的气压抽至-0.099～-0.09MPa；

(3)调节压力调节器，用不大于0.8MPa的压力将树脂从压力罐内注入上模与下模之间的密闭空间内，注满为止；

(4)调节压力调节器，用0.2～1.0MPa的压力压缩下模，至储气罐与空气入口的连接管路上的压力计的示数达到0.5～1.5MPa；

(5)将加热装置加热至80～130℃，保温0.5～2h；

(6)冷却至室温，脱模。

8.根据权利要求6所述的袋压缩树脂传递模塑成型方法，其特征在于，增强材料为碳纤维布，树脂为在室温下黏度为0.1～1pa·s的树脂，最终制得碳纤维增强复合材料，碳纤维增强复合材料的孔隙率为0.5～3.5％，纤维体积含量为40～90％，拉伸强度为800～1400MPa，弯曲强度为700～1300MPa，层间剪切强度为45～80MPa。

9.根据权利要求8所述的袋压缩树脂传递模塑成型方法，其特征在于，碳纤维布为T300级或T700级的碳纤维布。

10.根据权利要求8所述的袋压缩树脂传递模塑成型方法，其特征在于，树脂为环氧树脂，不饱和聚酯树脂或酚醛树脂。