CN114654758A - 用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及vari成型质量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，该方法包括缝合制备工序和VARI成型工序，缝合制备工序包括：采用带有定型剂的干纤维材料铺叠形成预成型体；在真空压力下对预成型体进行热压预定形；缝合经过热压预定形的预成型体，VARI成型工序包括：对经缝合的预成型体进行注胶操作；在气密性条件下加热经注胶操作的预成型体，以使得预成型体固化成型。根据本发明的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，能够有效改善经缝合及VARI成型工艺制成的高温固化树脂基复合材料制成品的质量，减少甚至消除制成品的质量缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制造领域，具体涉及高温固化树脂基复合材料的缝合工艺及VARI工艺过程，尤其涉及一种用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法。
背景技术
随着复合材料用量的不断增加，传统复合材料存在的制造成本偏高、层间性能较差等不足愈发凸显出来。为此，人们提出缝合复合材料液体成型工艺技术，并在降低制造成本和增强层间性能上取得了明显的效果。
在复合材料液体成型的预成型体的缝合制备过程中，一般对铺叠后的预成型体进行直接缝合，但由于干纤维可能未压实定位而处于松弛状态，容易受到缝针和压脚的干扰，且带张力的缝线会勒紧纤维，使得针脚区域及附近纤维产生弯曲、扭结、凹陷、褶皱等变形缺陷，从而导致预成型体的缝合质量欠佳。
VARI(Vacuum Assisted Resin lnfusion,简称真空辅助成型)技术是一种新型的复合材料低成本、高性能成型技术，该工艺针对的材料为高温固化树脂基复合材料，在此所称的高温一般指不低于150℃的问题。上述缝合质量问题，可能对VARI成型质量造成不利影响。加之，现有VARI技术的实施过程中可能出现气密性降低的问题，这也将对VARI成型质量造成不利影响，进而造成高温固化树脂基复合材料的制成品出现质量缺陷问题。
因此，亟需提供一种新的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，以至少缓解或解决现有技术存在的上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型工艺中，因干纤维容易受到诸如缝合过程中的缝针和压脚的干扰而使得针脚区域及附近区域的纤维出现变形缺陷以及VARI成型中容易出现气密性降低的问题，进而导致高温固化树脂基复合材料的制成品易出现质量缺陷的问题，提出一种新的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，所述方法包括缝合制备工序和VARI成型工序，其特点在于，所述缝合制备工序包括以下步骤：
采用带有定型剂的干纤维材料铺叠形成预成型体；
在真空压力下对所述预成型体进行热处理，以对所述预成型体进行热压预定形；和
缝合经过热压预定形的所述预成型体，
所述VARI成型工序包括以下步骤：
对经缝合的所述预成型体进行注胶操作；
在气密性条件下加热经注胶操作的所述预成型体，以使得所述预成型体固化成型。
根据本发明的一种实施方式，所述热压预定形包括使得所述定型剂经历加热软化及冷却重塑，从而压实所述预成型体中的纤维并对纤维进行定位。
根据本发明的一种实施方式，所述VARI成型工序还包括以下步骤：
在注胶完成后，先使导胶管降温至室温，然后阻断所述导胶管。
根据本发明的一种实施方式，所述真空压力热处理的加热目标温度在60℃～140℃的温度范围内，所述加热目标温度的保持时间为至少20分钟。
根据本发明的一种实施方式，在60℃～130℃的温度范围内对经缝合的所述预成型体进行注胶。
根据本发明的一种实施方式，在固化炉或者烘箱内对经缝合的所述预成型体进行注胶。
根据本发明的一种实施方式，所述VARI成型工序还包括以下步骤：
使导胶管降温至室温后，在所述固化炉或者烘箱外阻断所述导胶管；或者，
通过将所述预成型体连同所述导胶管移出所述固化炉或者烘箱，以使得所述导胶管降温至室温，然后阻断所述导胶管。
根据本发明的一种实施方式，在气密性条件下加热经注胶操作的所述预成型体，包括将所述预成型体加热至固化温度并保持固化时间，以使得所述预成型体固化成型；
其中，所述固化温度在150℃～220℃的范围内，所述固化时间不小于2小时。
根据本发明的一种实施方式，所述导流管的材料为聚四氟乙烯。
根据本发明的一种实施方式，所述干纤维材料为碳纤维织物或玻璃纤维织物。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
根据本发明的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，通过对带有定型剂的干纤维材料的真空热压预定型以及在更好保障气密性条件的情况下实施VARI成型工艺，从而有效改善了经缝合及VARI成型工艺制成的高温固化树脂基复合材料制成品的质量，减少甚至消除制成品的质量缺陷。
附图说明
图1为根据本发明的优选实施方式的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
根据本发明的较佳实施方式的改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，该方法包括缝合制备工序和VARI成型工序。
参考图1所示，该方法中的该缝合制备工序包括以下步骤：
采用带有定型剂的干纤维材料铺叠形成预成型体；
在真空压力下对预成型体进行热处理，以对预成型体进行热压预定形，其中可例如借助真空袋使得预成型体保持在真空压力下，并且优选地，热压预定形包括使得定型剂经历加热软化及冷却重塑，从而压实预成型体中的纤维并对纤维进行定位；和
缝合经过热压预定形的预成型体。
该方法中的该VARI成型工序包括以下步骤：
对经缝合的预成型体进行注胶操作；
在气密性条件下加热经注胶操作的预成型体，以使得预成型体固化成型。
对于缝合预成型体的真空辅助树脂渗透(VARI)成型，采用高温固化的树脂体系，得以满足航空业中对于缝合复合材料的制造要求。在通常的VARI工艺过程中，注胶结束后通常在诸如固化炉(或烘箱)内使用辅助工具夹紧注胶管和出胶管，再升至高温进行固化成型。然而，对于高温固化液体成型中所用的大部分导流管材质而言，导流管材质在高温、夹紧力作用下会发生蠕变(冷流动)，这很可能导致夹紧处的导流管漏气而使诸如真空袋的气密性降低，这进一步有可能严重影响VARI成型的质量。
其中，干纤维材料可以采用诸如碳纤维织物或玻璃纤维织物。
为此，根据本发明的一些优选实施方式，该VARI成型工序还包括以下步骤：
在注胶完成后，先使导胶管降温至室温，然后阻断导胶管，以起到止流或限流的作用。
其中，优选地，导胶管包括进胶管和出胶管。并且，应理解的是，上述阻断进胶管和出胶管的操作可在加热固化步骤之前完成。可选地，可采用大力钳、阀门等工具阻断导胶管。
根据以上优选实施方式，可通过先使得导胶管降温至室温，例如0-30℃的温度范围区间，然后再利用工具阻断导胶管，由此降低导流管材质在高温、夹紧力作用下会发生蠕变(冷流动)的风险或程度，从而为VARI成型过程提供更为可靠的气密性条件。
尤其是，对于导流管的材料为聚四氟乙烯的情形，尤为容易在VARI工艺过程中产生上述缺陷。更特别地，复合材料预成型体缝合后厚度方向的渗透率会明显增大，将更易受到气密性条件不佳或不完全符合工艺的理想条件的影响，这可能导致VARI成型制件的缝合区域出现严重贫胶，导致缝合/VARI成型的制成品的良率或合格率不高。
相应地，相比前述现有技术的解决方案，根据本发明的上述优选实施方式在这些方面提供的技术效果的改进和对VARI成型的质量以及高温固化树脂基复合材料制成品的质量的改进也将尤为显著。
上述方法整体上，一方面通过定型剂以及利用真空袋进行的热压预定形，可减少缝合引起的弯曲、扭结、凹陷、褶皱等变形，从而改善预成型体的缝合质量。另一方面，通过例如在VARI工艺注胶结束后在室温下使用辅助工具阻断固化炉(或烘箱)外的进胶管和出胶管，可更好地保证升温固化时真空袋的气密性，进而改善VARI成型质量及制成品的质量。
根据本发明的一些进一步优选的实施方式，上述方法中，真空压力热处理的加热目标温度在60℃～140℃的温度范围内，加热目标温度的保持时间为至少20分钟。
根据本发明的一些进一步优选的实施方式，上述方法中，在60℃～130℃的温度范围内对经缝合的预成型体进行注胶。
根据本发明的一些进一步优选的实施方式，上述方法中，该VARI成型工序中使得导胶管降温至室温可采用以下任意方式。例如可在相关加工工序或步骤中使得部分导胶管位于诸如固化炉或者烘箱以外的室温或低温区域，这样只需注意在该室温或低温区域用工具阻断导胶管即可；或者，可将预成型体连同导胶管移出固化炉或者烘箱，以使得导胶管降温至室温的方式；或者，也可仅使得部分导胶管移出固化炉或者烘箱以局部降温，并且随后在降温至室温的局部区域用工具阻断导胶管。
根据本发明的一些进一步优选的实施方式，上述方法中，在气密性条件下加热经注胶操作的预成型体，包括将预成型体加热至固化温度并保持固化时间，以使得预成型体固化成型；
其中，固化温度在150℃～220℃的范围内，固化时间不小于2小时。
以下通过对应用根据本发明的上述优选实施方式的三个应用实例的介绍以进一步举例说明根据本发明的如上实施例的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法在实际应用中所能够取得的较佳的技术效果和改进。
应用实例1：将单面自带定型剂的碳纤维双轴向无褶皱(NCF)织物铺叠成[(+45/-45)/(0/90)]2s的600mm×600mm层合板预成型体，制作真空袋封装，在真空压力作用下加热至120℃并保持30min，冷却后采用Kevlar缝线、5mm×8mm的缝合密度进行改进锁式缝合。应理解的是，上文中“[(+45/-45)/(0/90)]2s”中的角标2是指括号中的铺层角度重复两次，s则代表对称，即“[(+45/-45)/(0/90)]2s”表示了(+45/-45)/(0/90)/(+45/-45)/(0/90)/(90/0)/(-45/+45)/(90/0)/(-45/+45)的铺层角度。对于缝合预成型体的VARI工艺，90℃下注胶结束后使用大力钳夹紧固化炉外的聚四氟乙烯进胶管和出胶管，启动固化程序升至180℃进行固化成型。固化结束后降至室温，拆开真空袋取出高温固化树脂基复合材料层合板，无任何贫胶，无明显翘曲和褶皱，厚度接近理论值，缝合/VARI成型质量良好。
应用实例2：将自带定型剂的碳纤维织物铺叠成16层的800mm×800mm层合板预成型体，制作真空袋封装，在真空袋压下加热至110℃并保持90min，冷却后采用Kevlar缝线、5mm×5mm的缝合密度进行临缝式缝合；在缝合预成型体的高温固化VARI工艺过程中，100℃下注胶结束后使用夹持工具夹紧烘箱外的聚四氟乙烯注胶管和出胶管，再升至180℃保温2h进行固化成型。固化结束后降至室温，拆开真空袋取出缝合复合材料层合板，无任何贫胶，无明显翘曲和褶皱，厚度接近理论值，缝合/VARI成型质量良好。
应用实例3：将自带定型剂的玻璃纤维织物铺叠成12层的500mm×500mm层合板预成型体，制作真空袋封装，在真空压力作用下加热至100℃并保持60min，冷却后采用碳纤维缝线、5mm×5mm的缝合密度进行改进锁式缝合；对于缝合预成型体的高温固化VARI工艺，80℃下注胶结束后使用阀门阻断固化炉外的聚四氟乙烯进胶管和出胶管，后续固化制度为160℃保温2h+180℃保温2h。固化结束后降至室温，拆开真空袋取出缝合复合材料层合板，无任何贫胶，无明显翘曲和褶皱，厚度接近理论值，缝合/VARI成型质量良好。
根据本发明的上述优选实施方式的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，通过对带有定型剂的干纤维材料的真空热压预定型以及在更好保障气密性条件的情况下实施VARI成型工艺，从而有效改善了经缝合及VARI成型工艺制成的高温固化树脂基复合材料制成品的质量，减少甚至消除制成品的质量缺陷。
经一些实例测试，由此改进的方法加工高温固化树脂基复合材料加工制成的制成品成型质量良好、厚度均匀可控、缝合复合材料的缝合区域无任何贫胶，同时缝合/VARI成型工艺的稳定性或者可靠性更高，可使得缝合/VARI成型工艺加工制成制成品的良率/合格率更高。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，所述方法包括缝合制备工序和VARI成型工序，其特征在于，所述缝合制备工序包括以下步骤：
采用带有定型剂的干纤维材料铺叠形成预成型体；
在真空压力下对所述预成型体进行热处理，以对所述预成型体进行热压预定形；和
缝合经过热压预定形的所述预成型体，
所述VARI成型工序包括以下步骤：
对经缝合的所述预成型体进行注胶操作；
在气密性条件下加热经注胶操作的所述预成型体，以使得所述预成型体固化成型。
2.如权利要求1所述的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，其特征在于，所述热压预定形包括使得所述定型剂经历加热软化及冷却重塑，从而压实所述预成型体中的纤维并对纤维进行定位。
3.如权利要求1所述的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，其特征在于，所述VARI成型工序还包括以下步骤：
在注胶完成后，先使导胶管降温至室温，然后阻断所述导胶管。
4.如权利要求1所述的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，其特征在于，所述真空压力热处理的加热目标温度在60℃～140℃的温度范围内，所述加热目标温度的保持时间为至少20分钟。
5.如权利要求3所述的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，其特征在于，在60℃～130℃的温度范围内对经缝合的所述预成型体进行注胶。
6.如权利要求5所述的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，其特征在于，在固化炉或者烘箱内对经缝合的所述预成型体进行注胶。
7.如权利要求6所述的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，其特征在于，所述VARI成型工序还包括以下步骤：
使导胶管降温至室温后，在所述固化炉或者烘箱外阻断所述导胶管；或者，
通过将所述预成型体连同所述导胶管移出所述固化炉或者烘箱，以使得所述导胶管降温至室温，然后阻断所述导胶管。
8.如权利要求1所述的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，其特征在于，在气密性条件下加热经注胶操作的所述预成型体，包括将所述预成型体加热至固化温度并保持固化时间，以使得所述预成型体固化成型；
其中，所述固化温度在150℃～220℃的范围内，所述固化时间不小于2小时。
9.如权利要求3所述的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，其特征在于，所述导流管的材料为聚四氟乙烯。
10.如权利要求1所述的用于改善高温固化树脂基复合材料的缝合及VARI成型质量的方法，其特征在于，所述干纤维材料为碳纤维织物或玻璃纤维织物。
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