CN114311745B - 一种复合材料夹芯结构的成型系统和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合材料夹芯结构的成型系统和制备方法,涉及复合材料制备技术领域。本发明采用真空辅助树脂传递工艺整体成型复合材料夹芯结构,在芯材表面设置分形网络结构,该分形网络结构由干支流和通孔构成,树脂浸润上层纤维织物后,能够透过芯材的通孔快速浸润下层纤维织物,利用干支流网络使得浸润更加均匀,不仅可以提高树脂的充模速率,缩短生产周期,还可以有效避免流动前沿形成包络区域,避免干斑缺陷,提高成型质量。本发明通过对芯材进行合理的流道设计,可以避免大量打孔或者开槽对芯材带来的破坏,进而避免了富树脂区及复合材料夹芯结构性能的降低。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域,具体涉及一种复合材料夹芯结构的成型系统和制备方法。
背景技术
粘弹性阻尼材料同时具有贮存和消耗能量的特点,利用分子链间的摩擦、剪切、扭转等变形耗散能量。含阻尼层夹芯复合材料两侧的面板为纤维增强树脂基复合材料,是主要承力结构,芯体为粘弹性橡胶材料,用来吸收和消耗能量。含阻尼层夹芯复合材料具有较高的比强度、比刚度,同时具有较好的减振性能,广泛应用于航空航天、大型风电叶片等领域。
通过将粘弹性阻尼层铺放在纤维织物中,采用真空辅助注射工艺共胶结成型含阻尼层夹芯复合材料,不仅可以大幅度提高结构的阻尼性能,且不易出现脱落剥离现象。粘弹性阻尼材料一般为疏水性的橡胶材料,在树脂填充过程,阻尼层的存在影响树脂对下层纤维织物的流动和浸润。与之前存在的泡沫夹芯复合材料类似,目前针对这种夹芯结构的一次共固化成型时,普遍采用芯体进行打孔或者开槽的方式进行处理,树脂可以从上向下贯穿浸润,但效率较低,且芯体破坏较严重,产生的富树脂较多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合材料夹芯结构的成型系统和制备方法,采用本发明提供的成型系统能够提高复合材料夹芯结构树脂填充的效率,缩短生产周期,对芯体破坏小;且不会产生较多的富树脂区,提高成型质量。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种复合材料夹芯结构的成型系统,包括模具以及设置在所述模具上表面的预成型体;所述预成型体包括依次叠层设置的下层纤维织物、芯材、上层纤维织物和导流网;还包括设置在所述导流网两侧的注胶口和抽气口;
所述芯材的上表面和/或下表面设置有分形网络结构;所述分形网络结构包括干流以及与所述干流相连通的若干支一级支流,按照相同的分形规则,每支所述一级支流分出若干支二级支流,以此类推,所述分形网络结构包括m级支流;m≥2;干支流交汇处和各级支流交汇处为贯穿所述芯材的通孔;
还包括密封所述预成型体的真空袋;
还包括连接所述注胶口的树脂容器以及连接所述抽气口的树脂收集容器;所述树脂收集容器外接真空泵。
优选地,所述分形网络结构轴对称。
优选地,所述芯材为粘弹性阻尼材料或疏水性材料。
优选地,所述下层纤维织物和上层纤维织物为玻璃纤维布或碳纤维织物。
优选地,所述模具上表面设置有脱膜蜡;所述上层纤维织物和导流网之间还设置有脱模布。
优选地,所述通孔的直径为1~10mm。
优选地,所述第m级支流的流道直径≤第m-1级支流的流道直径。
本发明提供了基于上述技术方案所述成型系统的复合材料夹芯结构的制备方法,包括以下步骤:
利用真空泵抽真空,提供真空压力,将树脂由树脂容器进入预成型体中,经导流网浸润上层纤维织物,透过芯材的通孔浸润下层纤维织物,固化后得到复合材料夹芯结构。
优选地,多余树脂流至树脂收集容器中。
优选地,所述真空度不低于-97kPa。
本发明提供了一种复合材料夹芯结构的成型系统,本发明采用真空辅助树脂传递工艺整体成型复合材料夹芯结构,在芯材表面设置分形网络结构,该分形网络结构源于大自然河流流动运输系统,由干支流和通孔构成,树脂浸润上层纤维织物后,能够透过芯材的通孔快速浸润下层纤维织物,利用干支流网络使得浸润更加均匀,不仅可以提高树脂的充模速率,缩短生产周期,还可以有效避免流动前沿形成包络区域,避免干斑缺陷,提高成型质量。本发明通过对芯材进行合理的流道设计,可以避免大量打孔或者开槽对芯材带来的破坏,进而避免了富树脂区及复合材料夹芯结构性能的降低。
附图说明
图1为实施例中分形网络结构的示意图;图1中R0表示干流,R1表示一级支流,R2表示二级支流,R3表示三级支流,R4表示四级支流,H表示通孔;
图2为复合材料夹芯结构的成型系统的示意图;
图3为预成型体的结构示意图;
图2~3中,1为模具,2为预成型体,2-1为下层纤维织物,2-2为粘弹性阻尼材料,2-3为上层纤维织物,2-4为脱模布,2-5为导流网,3为真空袋,4为注胶口,5为抽气口,6为树脂容器,7为树脂收集容器,8为树脂收集罐,9为真空泵,10为压力表;
图4为对比例1和实施例1的成型系统填充300s时的填充体积图;
图5为实施例2的成型系统填充300s时的填充体积图;
图6为实施例3的成型系统填充300s时的填充体积图。
具体实施方式
本发明提供了一种复合材料夹芯结构的成型系统,包括模具以及设置在所述模具上表面的预成型体;所述预成型体包括依次叠层设置的下层纤维织物、芯材、上层纤维织物和导流网;还包括设置在所述导流网两侧的注胶口和抽气口;
所述芯材的上表面和/或下表面设置有分形网络结构;所述分形网络结构包括干流以及与所述干流相连通的若干支一级支流,按照相同的分形规则,每支所述一级支流分出若干支二级支流,以此类推,所述分形网络结构包括m级支流;m≥2;干支流交汇处和各级支流交汇处为贯穿所述芯材的通孔;
还包括密封所述预成型体的真空袋;
还包括连接所述注胶口的树脂容器以及连接所述抽气口的树脂收集容器;所述树脂收集容器外接真空泵。
本发明提供的成型系统包括模具。在本发明中,模具是使预成型体成为有特定形状和尺寸的制件的工具。在本发明中,所述模具的上表面设置有脱膜蜡。在本发明中,所述脱膜蜡优选为TR-102高级脱膜蜡;所述脱模蜡的亮度平均值优选为90.08GU。在本发明中,脱模蜡的作用是便于试件从模具上脱模和获得高光泽表面效果。
本发明提供的成型系统包括设置在所述模具上表面的预成型体。在本发明中,所述预成型体包括依次叠层设置的下层纤维织物、芯材、上层纤维织物和导流网。在本发明中,所述下层纤维织物与所述模具的上表面接触。
在本发明中,所述导流网可以提高浸润效率,确保树脂在完全真空条件下的流动路径。在本发明中,所述导流网优选为挤压型导流网,导流网的厚度优选为1mm;所述导流网的密度独立优选为130~170g/m2,更优选为150~160g/m2。在本发明中,所述导流网能够确保树脂在完全真空条件下的流动路径。在本发明中,所述导流网的两侧设置有注胶口和抽气口,便于树脂从导流网一端的注胶口进入浸润预成型体,多余的树脂从导流网另一端的抽气口流出。
在本发明中,所述上层纤维织物和导流网之间优选还设置有脱模布。在本发明中,所述脱模布优选为尼龙脱模布;所述脱模布的厚度优选为0.11mm;所述脱模布的密度优选为80~90g/m2,更优选为83g/m2。在本发明中,脱模布的作用是便于去除真空辅助的相关辅助材料,不会粘结在制品上,可以得到光滑平整的制作面。
在本发明的具体实施例中,在所述模具的上表面均匀涂抹脱膜蜡,然后在所述模具涂抹脱膜蜡的表面依次设置下层纤维织物、芯材、上层纤维织物、脱模布和导流网,所述导流网包覆所述上层纤维织物、芯材、下层纤维织物和脱模布。在本发明中,导流网能够增大纤维织物的渗透率,提高树脂的填充效率。
在本发明中,所述下层纤维织物和上层纤维织物为玻璃纤维布或碳纤维织物;所述下层纤维织物的厚度和上层纤维织物的厚度优选相同,更优选为1mm。在本发明的具体实施例中,所述下层纤维织物和上层纤维织物为平纹编织玻璃纤维布EW200,单层织物厚度为0.2mm,面密度为200g/m2。
在本发明中,所述芯材优选为粘弹性阻尼材料或疏水性材料。在本发明中,所述粘弹性阻尼材料优选为橡胶;疏水性材料优选为闭孔泡沫。在本发明中,所述芯材的厚度优选为1~30mm。在本发明中,当所述芯材为粘弹性阻尼材料时,得到的复合材料夹芯结构具有优异的阻尼性能;当所述芯材为疏水性材料时,得到的复合材料夹芯结构具有轻质高强的特点。
在本发明中,所述芯材的上表面和/或下表面设置有分形网络结构。在本发明中,所述分形网络结构包括干流以及与所述干流相连通的若干支一级支流,按照相同的分形规则,每支所述一级支流分出若干支二级支流,以此类推,所述分形网络结构包括m级支流;m≥2;干支流交汇处和各级支流交汇处为贯穿所述芯材的通孔。在本发明中,所述分形网络结构优选轴对称。在本发明中,所述通孔的直径优选为1~10mm,更优选2~5mm。在本发明中,所述干支流的流道直径优选根据复合材料夹芯结构的厚度而定。在本发明中,所述第m级支流的流道直径优选≤第m-1级支流的流道直径;当所述芯材的厚度≤5mm时,所述干流的流道直径优选与各级支流的流道直径相同;当所述芯材的厚度>5mm时,干支流的流道直径关系为:dm=2-m/2*d0,d0是干流的流道直径,dm是第m级流道直径。
在本发明中,所述第m级支流的长度优选>第m-1级支流的流道长度。在本发明的具体实施例中,所述支流长度关系为lm=(m+1)l0,l0是干流的流道长度,lm是第m级流道长度。
作为本发明的一个实施例,所述分形网络结构如图1所示,包括干流以及与所述干流相连通的两支一级支流;按照相同的分形规则,每支所述一级支流分出与所述一级支流相连通的两支二级支流;每支所述二级支流分出与所述二级支流相连通的两支三级支流;每支所述三级支流分出与所述三级支流相连通的两支四级支流。在本发明的具体实施例中,以所述四级支流中点的连线为中轴线,所述分形网络结构在中轴线两侧对称。
在本发明中,当所述芯材的上表面和下表面均设置分形网络结构时,上表面的分形网络结构和下表面的分形网络结构相对称。
在本发明中,所述成型系统还包括密封所述预成型体的真空袋。在本发明中,所述真空袋的两端优选通过密封胶条固定在模具表面。
在本发明中,所述成型系统还包括连接所述注胶口的树脂容器以及连接所述抽气口的树脂收集容器;所述树脂收集容器外接真空泵。在本发明中,所述树脂收集容器包括本体以及设置在所述本体内部的树脂收集罐;所述树脂收集容器为密封容器;所述树脂收集容器的出气口连接真空泵;所述树脂收集容器还设置有压力表。
作为本发明的一个实施例,所述树脂容器中的树脂通过注胶口进入导流网的一端;多余的树脂通过导流网另一端的抽气口流至树脂收集容器中的树脂收集罐中。
本发明还提供了上述技术方案所述成型系统的复合材料夹芯结构的制备方法,包括以下步骤:
利用真空泵抽真空,提高真空压力,将树脂由树脂容器进入预成型体中,经导流网浸润上层纤维织物,透过芯材的通孔浸润下层纤维织物,固化后得到复合材料夹芯结构。
在本发明中,所述真空度优选不低于-97kPa。在本发明中,多余树脂流至树脂收集容器中,更优选流至树脂收集容器中的树脂收集罐中。
本发明优选在树脂浸润下层纤维织物后,进行脱模,将所得复合材料进行固化,得到复合材料夹芯结构。
在本发明的具体实施例中,所述树脂为环氧树脂EPOLAM2040与固化剂EPOLAM2042以100:32的质量比混合得到,混合后室温粘度为310mPa·s。在本发明中,所述固化优选包括依次进行的室温固化和加热固化;所述室温固化的时间为20~30h,更优选为24h;所述加热固化的温度优选为60~80℃,更优选为70℃;所述加热固化的时间优选为15~20h,更优选为16h。
下面将结合本发明中的实施例,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供的复合材料夹芯结构的成型系统如图2~3所示,包括模具1以及设置在所述模具1上表面的预成型体2;所述预成型体2由依次叠层设置的下层纤维织物2-1、粘弹性阻尼材料2-2、上层纤维织物2-3、脱模布2-4和导流网2-5组成;所述模具1的上表面均匀涂抹脱膜蜡,所述下层纤维织物2-1与模具1涂抹脱膜蜡的表面直接接触。所述脱膜蜡为TR-102高级脱膜蜡;所述脱模蜡的亮度平均值为90.08GU;所述导流网包覆所述脱模布、上层纤维织物、粘弹性阻尼材料、下层纤维织物;所述导流网为聚丙烯网;所述导流网的厚度为1mm,密度为150g/m2;所述脱模布为尼龙脱模布;所述脱模布的厚度为0.11mm,密度为83g/m2;所述下层纤维织物和上层纤维织物为玻璃纤维布;所述下层纤维织物铺放5层EW200,厚度为1mm;所述上层纤维织物铺放5层EW200,厚度为1mm,所述下层纤维织物的厚度为1mm;所述上层纤维织物的厚度为1mm;所述粘弹性阻尼材料为橡胶;所述粘弹性阻尼材料的厚度为1.5mm。
所述粘弹性阻尼材料的上表面设置有分形网络结构;所述分形网络结构如图1所示,包括干流以及与所述干流相连通的两支一级支流;每支所述一级支流包括与所述一级支流相连通的两支二级支流;每支所述二级支流包括与所述二级支流相连通的两支三级支流;每支所述三级支流包括与所述三级支流相连通的两支四级支流;以所述四级支流中点的连线为中轴线,所述分形网络结构在中轴线两侧对称;所述干流的流道直径为0.6mm;所述支流的流道直径为0.6mm;干支流交汇处和各级支流交汇处为贯穿所述粘弹性阻尼材料的通孔;所述通孔的直径为2mm。
所述成型系统还包括密封所述预成型体的真空袋3;所述真空袋3的两端通过密封胶条固定在模具1表面。
所述成型系统还包括连接所述导流网2-5一端的树脂容器6以及连接所述导流网2-5另一端的树脂收集容器7;所述树脂收集容器7外接真空泵9。所述树脂收集容器7包括本体以及设置在所述本体内部的树脂收集罐8;所述树脂收集容器7为密封容器;所述树脂收集容器7的出气口连接真空泵9;所述树脂收集容器7还设置有压力表10;所述树脂容器6中的树脂通过注胶口4进入导流网2-5的一端;多余的树脂通过导流网2-5另一端的抽气口5流至树脂收集容器7中的树脂收集罐8中。
设置好所述成型系统后,由真空泵提供抽真空,提供真空压力,靠真空压力使树脂从注胶口进入预成型体,由上向下浸润上层纤维织物,并通过分形网络结构使树脂向前和向下流动渗透,进而浸润下层纤维织物,多余的树脂从抽气口流至树脂收集罐中;树脂浸润下层纤维织物后进行脱模,将所得复合材料进行固化,得到复合材料夹芯结构。所述复合材料夹芯结构的尺寸为360mm×390mm×2.5mm。
实施例2
与实施例1基本相同,不同之处仅在于,所述分形网络结构设置在所述粘弹性阻尼材料的下表面。
实施例3
与实施例1基本相同,不同之处仅在于,所述分形网络结构设置在所述粘弹性阻尼材料的上表面和下表面。
对比例1
与实施例1基本相同,不同之处仅在于,不设置分形网络结构,只设置通孔。
测试例
采用实施例1~3和对比例1的成型系统填充复合材料夹芯结构,填充时间统一为300s的填充体积如图4~6所示。
由图4~6可以看出,当在粘弹性阻尼材料的下表面或双面都设置分形网络结构时,上下纤维织物的流动前沿更一致(红色表示当前的树脂流动前沿),且上下两层纤维织物的流动前沿位移差更小,可以有效减少树脂的浪费。
采用实施例1~3和对比例1的成型系统填充复合材料夹芯结构不同体积百分比所用的时间如表1所示。
实施例1~3和对比例1的成型系统的填充效率对比结果
填充30% | 填充50% | 填充70% | 填充100% | |
对比例1 | 74.6s | 200s | 398s | 915s |
实施例1 | 74.4s | 196s | 383s | 877s |
实施例2 | 70.7s | 192s | 373s | 819s |
实施例3 | 66.9s | 179s | 342s | 752s |
由表1可以看出,当在粘弹性阻尼材料的下表面或双面都设置分形网络结构时,上下纤维织物的流动前沿更一致,所用时间也会大大减少。当采用粘弹性阻尼材料的下表面设有分形网络结构时,和只开孔相比,成型效率可提高10%左右,当采用粘弹性阻尼材料的上下表面都设有分形网络结构时,和只开孔相比,成型效率可提高17%左右,可大大缩短成型时间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种复合材料夹芯结构的成型系统,其特征在于,包括模具(1)以及设置在所述模具(1)上表面的预成型体(2);所述预成型体(2)包括依次叠层设置的下层纤维织物(2-1)、芯材(2-2)、上层纤维织物(2-3)和导流网(2-5);还包括设置在所述导流网(2-5)两侧的注胶口(4)和抽气口(5);所述芯材为粘弹性阻尼材料;
所述芯材的上表面和下表面均设置有分形网络结构,上表面的分形网络结构和下表面的分形网络结构相对称;所述分形网络结构包括干流以及与所述干流相连通的若干支一级支流,按照相同的分形规则,每支所述一级支流分出若干支二级支流,以此类推,所述分形网络结构包括m级支流;m≥2;干支流交汇处和各级支流交汇处为贯穿所述芯材的通孔;
还包括密封所述预成型体的真空袋(3);
还包括连接所述注胶口(4)的树脂容器(6)以及连接所述抽气口(5)的树脂收集容器(7);所述树脂收集容器(7)外接真空泵(9)。
2.根据权利要求1所述的成型系统,其特征在于,所述分形网络结构轴对称。
3.根据权利要求1所述的成型系统,其特征在于,所述下层纤维织物和上层纤维织物为玻璃纤维布或碳纤维织物。
4.根据权利要求1所述的成型系统,其特征在于,所述模具上表面设置有脱膜蜡;所述上层纤维织物和导流网之间还设置有脱模布。
5.根据权利要求1所述的成型系统,其特征在于,所述通孔的直径为1~10mm。
6.根据权利要求1所述的成型系统,其特征在于,第m级支流的流道直径≤第m-1级支流的流道直径。
7.基于权利要求1~6任一项所述成型系统的复合材料夹芯结构的制备方法,包括以下步骤:
利用真空泵抽真空,提供真空压力,将树脂由树脂容器进入预成型体中,经导流网浸润上层纤维织物,透过芯材的通孔浸润下层纤维织物,固化后得到复合材料夹芯结构。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,多余树脂流至树脂收集容器中。
9.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,真空度不低于-97kPa。
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