CN111409291B - 一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高性能树脂基复合材料低成本制造技术领域，提供一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法，包括：步骤1、根据预制体(8)结构及工艺特点对零件进行单元划分；步骤2、根据各单元零件尺寸，对该单元组分进行下料及铺叠；步骤3、根据各单元零件厚度、所采用织物的数量、所采用织物的面密度计算该单元对应的树脂基体(15)量；步骤4、根据各单元织物的铺层特点设计树脂基体(15)铺放方式；步骤5、根据树脂基体(15)放置方式以及结构单元特点设置气路；步骤6、气路设置完成后与模具(11)进行组装、真空袋(13)和密封材料(14)封装并进行树脂转移及固化。

Description

一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法
技术领域
本发明属于高性能树脂基复合材料低成本制造技术领域，涉及一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法。
背景技术
树脂基复合材料在航空航天领域的应用已经十分广泛，涉及结构件、功能件及内饰结构等方方面面，由于应用领域的多元化，树脂基复合材料制件的结构也趋于多元化，如加筋壁板结构，蜂窝/泡沫夹芯结构，2.5维缝合结构，三维编织结构等等。由于树脂基复合材料可设计性强，在零件制造时甚至采用上述结构的组合体。
同时，随着复合材料在大飞机及船舶领域的逐步应用，对树脂基复合材料的性能要求也越来越复杂，为满足某些特殊性能要求，如抗冲击、耐烧蚀、耐腐蚀等，许多大尺寸制件包含缝合、2.5维或者三维编织结构，成型该类制件时，由于制件尺寸大，厚度大，在制件成型后易出现干斑、大面积贫胶、缺胶，纤维变形或内部质量均匀性差等特点。
发明内容
本发明的目的是，提供一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法，以满足包含缝合、2.5维或者三维以上编织结构大尺寸制件的成型质量要求。
本发明的技术方案是：
一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法，包括：
步骤1、根据预制体8结构及工艺特点对零件进行单元划分；
步骤2、根据各单元零件尺寸，对该单元组分进行下料及铺叠；
步骤3、根据各单元零件厚度、所采用织物的数量、所采用织物的面密度计算该单元对应的树脂基体15量；
步骤4、根据各单元织物的铺层特点设计树脂基体15铺放方式；
步骤5、根据树脂基体15放置方式以及结构单元特点设置气路；
步骤6、气路设置完成后与模具11进行组装、真空袋13和密封材料14封装并进行树脂转移及固化。
步骤1具体为：
厚度方向为不可拆分的独立织物单元作为一个结构单元；
厚度方向为不可拆分的组合织物单元作为一个结构单元；
厚度方向为多种单层织物按照一定铺层顺序进行铺叠的重复单元作为一个结构单元，对于总厚度≥30mm的重复单元可再细分成多个结构单元；
预浸料铺层作为一个结构单元。
步骤2具体为：
根据各单元零件尺寸，对该单元织物或预浸料进行下料，织物或预浸料尺寸比零件实际尺寸单边多出20mm以上。
步骤3具体为：
根据各单元零件厚度、所采用织物的数量、所采用织物的面密度计算该单元对应的单元树脂面密度，精确到小数点后一位，
WR＝ρR·t·103-Wf·Nf·ρR/ρf………………①
式中：
WR—单元树脂面密度，g/m2；
Wf—单层织物面密度，g/m2；
ρR—单元树脂密度，g/m3；
ρf—单元织物所采用的纤维密度，g/m3；
Nf—单元织物层数；
t—零件厚度。
步骤4具体为：
铺层结构为a1或a2方式的单元，根据公式①计算得出树脂基体15面密度后，按照单元面积在该单元上方或下方铺放该面密度的树脂基体15；
铺层结构为a3方式的单元，在单层织物的层间铺放等面积的树脂基体15，树脂基体15的层间树脂基体面密度按照公式②计算，精确到小数点后一位，
WRL＝WR/Nf………………②式中：
WRL—层间树脂基体面密度，g/m2；
WR—单元树脂面密度，g/m2；
Nf—单元织物层数；
d3.预浸料铺层不放置树脂膜。
步骤5具体为：
预制体8铺层结构仅为a1或a2的形式，且采用d1方式在结构单元上方铺放树脂基体15时，在结构单元下方和模具11之间铺放聚四氟乙烯等导气材料9，导气材料9与模具11整体气路10连接，以满足导气要求，在结构单元周边放置密封材料14，在树脂基体15上方铺放挡胶材料12，挡胶材料12超出密封材料14，防止漏胶；
预制体8铺层结构仅为a1或a2的形式，且采用d1方式在结构单元下方铺放树脂基体15时，在结构单元上方铺放聚四氟乙烯等导气材料9，导气材料9与模具11整体气路10连接，以满足导气要求，在结构单元周边放置密封材料14，在导气材料9上方铺放挡胶材料12，挡胶材料12超出密封材料14，防止漏胶；
预制体8铺层结构仅为a3的形式，且采用d2方式在结构单元层间铺放树脂基体15时，在各单元层间及单元内部沿余量区周围每隔4-12mm铺放聚四氟乙烯等导气材料9，各单元层间及单元内部沿余量区周围铺放的导气材料9与模具11整体气路10连接，以满足导气要求，在结构单元周边放置密封材料14，在结构单元上方铺放挡胶材料12，挡胶材料12超出密封材料14，防止漏胶；
预制体8铺层结构为a1、a2、a3或a4的任意排列组合形式时，树脂基体15放置依然遵循d的要求，在各单元层间的余量区铺放聚四氟乙烯等导气材料9，在组合单元周边铺放密封材料14，在组合单元的最上方铺放挡胶材料12，挡胶材料12超出密封材料14，防止漏胶。
步骤6具体为：
气路设置完成后，将预制体8与模具11组装，采用真空袋13及密封材料14封装并按照树脂工艺规范制备大尺寸树脂基复合材料。
步骤2中，零件各单元在符合使用要求的模具11上同时铺叠，然后把铺叠完成的各单元按照零件结构复合成一体再进罐固化。
厚度方向不可拆分的独立织物单元为2维、2.5维及三维以上的编织结构或采用缝合、Z-Pin方式进行层间增强的独立结构。
厚度方向不可拆分的组合织物单元为2维、2.5维及三维以上的编织结构之间采用缝合、Z-Pin方式进行连接的组合结构或上述编织结构与若干铺层的单层纤维采用缝合、Z-Pin方式进行连接的组合结构。
本发明的优点是：
(1)采用本方法制备的零件内部质量均匀，表面平整度高，无任何干斑、贫胶等现象，同时，可保证外形尺寸满足使用要求。
(2)不受零件尺寸限制，可成型长宽尺寸很大，厚度较大的零件。
(3)受零件结构约束小，可成型大尺寸的2维、2.5维及三维以上的编织结构制件，或者上述结构的组合制件，上述结构与单层织物、布、毡的组合制件以及上述结构与预浸料的组合制件。
(4)制件的铺叠或树脂浸润都可以分区同时进行，能有效节省模具、设备成本，并缩短生产周期。
附图说明
图1实施例1产品结构图
图2实施例1产品结构单元划分图
图3实施例1产品气路设置及封装示意图
图4实施例2产品结构图
图5实施例2气路设置及封装示意图
具体实施方式：
下面对本发明进行详细说明：根据预制体8结构及工艺特点对零件进行单元划分；根据各单元零件尺寸，对该单元组分进行下料；根据各单元零件厚度、所采用织物的数量、所采用织物的面密度计算该单元对应的树脂基体15量；根据各单元织物的铺层特点设计树脂基体15铺放方式；根据树脂基体15放置方式以及结构单元特点设置气路；气路设置完成后与模具11进行组装、真空袋13和密封材料14封装并进行树脂转移及固化；其工艺步骤如下：
(a).根据预制体8结构及工艺特点对零件进行单元划分，划分原则为，
a1.厚度方向为不可拆分的独立织物单元作为一个结构单元；
a2.厚度方向为不可拆分的组合织物单元作为一个结构单元；
a3.厚度方向为多种单层织物按照一定铺层顺序进行铺叠的重复单元作为一个结构单元，对于总厚度≥30mm的重复单元可再细分成多个结构单元；
a4.预浸料铺层作为一个结构单元。
(b).根据各单元零件尺寸，对该单元织物或预浸料进行下料，织物或预浸料尺寸比零件实际尺寸单边多出20mm以上。
(c).根据各单元零件厚度、所采用织物的数量、所采用织物的面密度计算该单元对应的树脂基体15量，精确到小数点后一位，
WR＝ρR·t·103-Wf·Nf·ρR/ρf………………①
式中：
WR—单元树脂面密度，g/m2；
Wf—单层织物面密度，g/m2；
ρR—单元树脂密度，g/m3；
ρf—单元织物所采用的纤维密度，g/m3；
Nf—单元织物层数；
t—零件厚度。
(d).根据各单元的铺层特点设计树脂基体15铺放方式，
d1.铺层结构为a1或a2方式的单元，根据公式①计算得出树脂基体15面密度后，按照单元面积在该单元上方或下方铺放该面密度的树脂基体15。
d2.铺层结构为a3方式的单元，在单层织物的层间铺放等面积的树脂基体15，树脂基体15的面密度按照公式②计算，精确到小数点后一位，
WRL＝WR/Nf………………②
式中：
WRL—层间树脂基体面密度，g/m2；
WR—单元树脂面密度，g/m2；
Nf—单元织物层数；
d3.预浸料铺层不放置树脂膜。
(e).根据树脂基体15放置方式以及结构单元特点设置气路，
e1.预制体8铺层结构仅为a1或a2的形式，且采用d1方式在结构单元上方铺放树脂基体15时，在结构单元下方和模具11之间铺放聚四氟乙烯等导气材料9，导气材料9与模具11整体气路10连接，以满足导气要求，在结构单元周边放置密封材料14，在树脂基体15上方铺放挡胶材料12，挡胶材料12超出密封材料14，防止漏胶。
e2.预制体8铺层结构仅为a1或a2的形式，且采用d1方式在结构单元下方铺放树脂基体15时，在结构单元上方铺放聚四氟乙烯等导气材料9，导气材料9与模具11整体气路10连接，以满足导气要求，在结构单元周边放置密封材料14，在导气材料9上方铺放挡胶材料12，挡胶材料12超出密封材料14，防止漏胶。
e3.预制体8铺层结构仅为a3的形式，且采用d2方式在结构单元层间铺放树脂基体15时，在各单元层间及单元内部沿余量区周围每隔4-12mm铺放聚四氟乙烯等导气材料9，各单元层间及单元内部沿余量区周围铺放的导气材料9与模具11整体气路10连接，以满足导气要求，在结构单元周边放置密封材料14，在结构单元上方铺放挡胶材料12，挡胶材料12超出密封材料14，防止漏胶。
e4.预制体8铺层结构为a1、a2、a3或a4的任意排列组合形式时，树脂基体15放置依然遵循d的要求，在各单元层间的余量区铺放聚四氟乙烯等导气材料9，在组合单元周边铺放密封材料14，在组合单元的最上方铺放挡胶材料12，挡胶材料12超出密封材料14，防止漏胶。
(f).气路设置完成后，将预制体8与模具11组装，采用真空袋13及密封材料14封装并按照树脂工艺规范制备大尺寸树脂基复合材料。
实施例
实施例1：尺寸为15000mm×1000mm的板件，如图1所示。该预制体8沿厚度方向表层为10mm厚的三维编织层1，基底层为玻璃纤维毡和玻璃纤维布1：1铺放的混杂铺层2，玻璃纤维毡和玻璃纤维布各75层，树脂选用QY9512双马来酰亚胺树脂，要求零件成型后的厚度达到40mm，三维织物的面密度为9010g/m2，玻璃纤维毡的面密度为280g/m2，玻璃纤维布的面密度为300g/m2，玻璃纤维的密度为2.50g/cm3，QY9512双马来酰亚胺树脂的密度为1.24g/cm3。我们采用本发明的树脂膜渗透成型方法成型该制件，具体工艺步骤如下：
(a).根据预制体8结构及工艺特点将预制体8分为6个单元，单元1为10mm厚的三维编织层1，将150层玻璃纤维毡和玻璃纤维布1：1铺放的混杂铺层平均分成单元2～6，每个单元各为30层玻璃纤维毡和玻璃纤维布1：1铺放的混杂铺层3～7，如图2所示。
(b).该件为等厚度板件，对单元1～6所用三维织物、玻璃纤维毡及玻璃纤维布进行下料，料片尺寸为15050mm×1050mm。
(c).单元1的厚度为10mm，根据公式①计算得出单元1所需QY9512树脂量为7931.0g/m2；由于零件总厚度为40mm，而且单元2～6均包含15层玻璃纤维毡及15层玻璃纤维布，考虑内部质量的均匀性，所制零件在单元2～6厚度应皆为6mm，根据公式①计算得出单元2～6所需QY9512树脂量皆为3124.8g/m2；。
(d).根据各单元的铺层特点设计树脂基体15铺放方式，
d1.单元1的铺层方式为a1，按照单元面积在该单元下方铺放15050mm×1050mm面密度为7931.0g/m2的QY9512树脂膜。
d2.单元2～6的铺层方式为a3，根据公式②计算得出，在单层织物的层间铺放15050mm×1050mm面密度为104.2g/m2的QY9512树脂膜。
(e).铺叠过程中，在各单元层间及单元内部沿余量区周围每隔4-6mm铺放聚四氟乙烯等导气材料9，各单元层间及单元内部沿余量区周围铺放的导气材料9与模具11整体气路10连接，以满足导气要求，在组合预制体8周边放置密封材料14，在组合预制体8上方放置挡胶材料12如图3所示。
(f).气路设置完成后，将预制体8与模具11组装，采用真空袋13及密封材料14封装并按照树脂工艺规范制备大尺寸树脂基复合材料，如图3所示。
实施例2：尺寸为10000mm×500mm的板件，如图4所示。该预制体8沿厚度方向表层为25层玻璃纤维布层16，中间层为7mm厚的2.5维编织层17，玻璃纤维布层16与2.5维编织层17通过缝合方式缝为一体，树脂选用QY9512双马来酰亚胺树脂，要求零件成型后的厚度达到12mm，2.5维织物的面密度为6307g/m2，玻璃纤维布的面密度为300g/m2，玻璃纤维的密度为2.50g/cm3，QY9512双马来酰亚胺树脂的密度为1.24g/cm3，我们采用本发明的树脂膜渗透成型方法成型该制件，具体工艺步骤如下：
(a).根据预制体8结构及工艺特点将预制体8分为1个整体单元。
(b).该件为等厚度板件，对整体单元所用玻璃纤维布、2.5维织物进行下料，料片尺寸为10050mm×550mm，其中玻璃纤维布层数为25，2.5维织物层数为1，将整体单元按要求缝合在一起。
(c).由于零件固化后厚度须达到12mm，2.5维编织层17的厚度为7mm，玻璃纤维布层16的厚度为5mm，根据公式①计算得出整体单元所需QY9512树脂量为8031.8g/m2。
(d).按照单元面积在该单元上方铺放10050mm×550mm面密度为8031.8的QY9512树脂膜。
(e).预制体8铺层结构为a2的形式，采用d1方式在结构单元下方铺放树脂基体15，然后在结构单元上方铺放聚四氟乙烯等导气材料9，导气材料9与模具11整体气路10连接，以满足导气要求，在结构单元周边放置密封材料14，在导气材料9上方铺放挡胶材料12，挡胶材料12超出密封材料14，防止漏胶，如图5所示。
(f).气路设置完成后，将预制体8与模具11组装，采用真空袋13及密封材料14封装并按照树脂工艺规范制备大尺寸树脂基复合材料，如图5所示。

Claims (7)

1.一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法，其特征在于，包括：
步骤1、根据预制体(8)结构及工艺特点对零件进行单元划分；
步骤2、根据各单元零件尺寸，对该单元组分进行下料及铺叠；
步骤3、根据各单元零件厚度、所采用织物的数量、所采用织物的面密度计算该单元对应的树脂基体(15)量；
步骤4、根据各单元织物的铺层特点设计树脂基体(15)铺放方式；
步骤5、根据树脂基体(15)放置方式以及结构单元特点设置气路；
步骤6、气路设置完成后与模具(11)进行组装、真空袋(13)和密封材料(14)封装并进行树脂转移及固化；
其中，步骤1具体为：
a1：厚度方向为不可拆分的独立织物单元作为一个结构单元；
a2：厚度方向为不可拆分的组合织物单元作为一个结构单元；
a3：厚度方向为多种单层织物按照一定铺层顺序进行铺叠的重复单元作为一个结构单元，对于总厚度≥30mm的重复单元可再细分成多个结构单元；
a4：预浸料铺层作为一个结构单元；
步骤3具体为：
根据各单元零件厚度、所采用织物的数量、所采用织物的面密度计算该单元对应的单元树脂面密度，精确到小数点后一位，
WR＝ρR·t·103-Wf·Nf·ρR/ρf………………①
式中：
WR—单元树脂面密度，g/m2；
Wf—单层织物面密度，g/m2；
ρR—单元树脂密度，g/m3；
ρf—单元织物所采用的纤维密度，g/m3；
Nf—单元织物层数；
t—零件厚度；
步骤4具体为：
d1.铺层结构为a1或a2方式的单元，根据公式①计算得出树脂基体(15)面密度后，按照单元面积在该单元上方或下方铺放该面密度的树脂基体(15)；
d2.铺层结构为a3方式的单元，在单层织物的层间铺放等面积的树脂基体(15)，树脂基体(15)的层间树脂基体面密度按照公式②计算，精确到小数点后一位，
WRL＝WR/Nf………………②
式中：
WRL—层间树脂基体面密度，g/m2；
WR—单元树脂面密度，g/m2；
Nf—单元织物层数；
d3.预浸料铺层不放置树脂膜。
2.如权利要求1所述的一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法，其特征在于，步骤2具体为：
根据各单元零件尺寸，对该单元织物或预浸料进行下料，织物或预浸料尺寸比零件实际尺寸单边多出20mm以上。
3.如权利要求1所述的一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法，其特征在于，步骤5具体为：
e1.预制体(8)铺层结构仅为a1或a2的形式，且采用d1方式在结构单元上方铺放树脂基体(15)时，在结构单元下方和模具(11)之间铺放聚四氟乙烯导气材料(9)，导气材料(9)与模具(11)整体气路(10)连接，以满足导气要求，在结构单元周边放置密封材料(14)，在树脂基体(15)上方铺放挡胶材料(12)，挡胶材料(12)超出密封材料(14)，防止漏胶；
e2.预制体(8)铺层结构仅为a1或a2的形式，且采用d1方式在结构单元下方铺放树脂基体(15)时，在结构单元上方铺放聚四氟乙烯导气材料(9)，导气材料(9)与模具(11)整体气路(10)连接，以满足导气要求，在结构单元周边放置密封材料(14)，在导气材料(9)上方铺放挡胶材料(12)，挡胶材料(12)超出密封材料(14)，防止漏胶；
e3.预制体(8)铺层结构仅为a3的形式，且采用d2方式在结构单元层间铺放树脂基体(15)时，在各单元层间及单元内部沿余量区周围每隔4-12mm铺放聚四氟乙烯导气材料(9)，各单元层间及单元内部沿余量区周围铺放的导气材料(9)与模具(11)整体气路(10)连接，以满足导气要求，在结构单元周边放置密封材料(14)，在结构单元上方铺放挡胶材料(12)，挡胶材料(12)超出密封材料(14)，防止漏胶；
e4.预制体(8)铺层结构为a1、a2、a3或a4的任意排列组合形式时，树脂基体(15)放置依然遵循步骤4的要求，在各单元层间的余量区铺放聚四氟乙烯导气材料(9)，在组合单元周边铺放密封材料(14)，在组合单元的最上方铺放挡胶材料(12)，挡胶材料(12)超出密封材料(14)，防止漏胶。
4.如权利要求1所述的一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法，其特征在于，步骤6具体为：
气路设置完成后，将预制体(8)与模具(11)组装，采用真空袋(13)及密封材料(14)封装并按照树脂工艺规范制备大尺寸树脂基复合材料。
5.如权利要求1所述的一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法，其特征在于，步骤2中，零件各单元在符合使用要求的模具(11)上同时铺叠，然后把铺叠完成的各单元按照零件结构复合成一体再进罐固化。
6.如权利要求1所述的一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法，其特征在于，
厚度方向不可拆分的独立织物单元为2维、2.5维及三维以上的编织结构或采用缝合、Z-Pin方式进行层间增强的独立结构。
7.如权利要求1所述的一种大厚度树脂基复合材料的树脂膜渗透成型方法，其特征在于，
厚度方向不可拆分的组合织物单元为2维、2.5维及三维以上的编织结构之间采用缝合、Z-Pin方式进行连接的组合结构或上述编织结构与若干铺层的单层纤维采用缝合、Z-Pin方式进行连接的组合结构。
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