CN117227215A - 一种降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法，本发明通过外阴模可实现缠绕制品尺寸的准确控制，在注胶之前，对缠绕张力进行控制，从而对内侧树脂提供驱动力抑制其缺陷生成；在注胶过程中，通过驱动压力将与缠绕树脂相匹配的树脂注入缠绕制品内部，注胶的驱动力与缠绕张力相互配合，从内外侧赶走气泡的同时平衡树脂的分布，解决了纤维缠绕制品空隙率高、树脂分布不均匀、层间性能低的问题，提高了缠绕制品的整体性、致密度及均匀性。本发明有力减少了产品裂纹萌生源，提高了制品内部的应力传递能力，提高了该类构件的承载能力，避免了内部孔隙相互贯通引起的压力媒介侵入导致的有效刚度的锐减现象，提高了该类产品的可靠性。

Description

一种降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法

技术领域

本发明涉及一种降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法。

背景技术

以碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等纤维为增强相，以环氧树脂、乙烯树脂、聚酯树脂等树脂为基体的复合材料具有轻质高强、耐腐蚀抗疲劳、可设计性等特点而受到航空航天、交通运输、医疗化工等领域的青睐。上述复合材料具有特殊的“材料-结构一体化”特点，即材料的制备过程亦是其结构的实现过程。因此，为充分发挥复合材料的优势需要严格控制内部缺陷如空隙、纤维褶皱、贫富胶区的数量、大小、分布等，避免构件的疲劳寿命和承载能力衰减。

气瓶、飞轮、管道、支柱等产品具有回转对称的特点，适合采用自动化缠绕工艺实现快速制备提高产品竞争力。采用缠绕工艺制备回转体结构的复合材料制品时，自动化缠绕的连续纤维将在极孔区域附近和纤维交叉点附近由于纤维堆积出现架空现象，在固化阶段将由于树脂流动而极易出现空隙、树脂分布不均等缺陷。当产品受到内压以外的载荷时，将由于应力无法有效传递而使该缺陷成为裂纹萌生源，加速了层间分层、树脂开裂、纤维断裂等损伤模式的出现，导致产品失效。尤其是受外压载荷的产品，将由于内部大量微小孔隙的相互贯通而使压力媒介侵入，导致构件的有效刚度迅速衰减，引起构件失效。

为了解决上述问题，公开号为CN113665095A的中国发明专利申请《一种降低复合材料缠绕制品内部缺陷的成型模具及方法》披露了一种方案，其成型模具包括回转体芯模和包裹回转体芯模的外阴模；回转体芯模包括内芯和设于内芯两端的芯轴，外阴模包括与内芯匹配的上壳体和下壳体，上壳体和下壳体对合包裹内芯，上壳体和下壳体通过密封连接件密封连接；上壳体和下壳体的内壁与内芯的外壁间设有填充间隙，下壳体上设有进胶口，上壳体上设有出胶口。上述方案通过自动化缠绕的连续纤维避免在极孔区域附近和纤维交叉点附近出现架空的现象，解决在固化阶段由于树脂流动而出现空隙、树脂分布不均等问题。

然而，上述方案仅主要针对外侧树脂的流动具有较好的驱动作用，而对于内侧树脂来说则难以实现有效驱动，导致内侧树脂仍旧容易产生空隙，影响产品整体的致密度及均匀性。

因此，对于目前复合材料缠绕制品的成型方法，有待于做进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法，该方法通过驱动压力将与缠绕树脂相匹配的树脂注入缠绕制品内部并结合缠绕张力的控制解决产品孔隙多、树脂含量不均问题，以提高产品的致密度及均匀性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法，包括以下步骤：

(1)将已浸渍树脂的缠绕纤维依据纤维强度1.8％～2.2％的张力按照每层4.5％～5.5％的递减顺序将其缠绕于芯模上；当缠绕层厚度达到3mm后，采用85％～95％初始张力将纤维纱按照90°缠绕于制品外表面且缠绕层数不少于2层；利用缠绕张力对内侧树脂提供驱动力抑制其缺陷生成；

(2)随后将缠绕完成后的回转体产品置于工装架，并于其表面依次铺覆脱模布、连续毡或导流网；便于树脂迅速覆盖缠绕制品；

(3)将已涂敷脱模剂的组合式外阴模具或真空袋膜与缠绕产品相装配，该外阴模具或真空袋膜将与包含缠绕制品的芯模相结合形成一个封闭的模腔，其中具体尺寸需满足产品要求；

(4)连接进胶口与出胶口，其中进胶口与出胶口的连线与缠绕中心轴相交并分别位于缠绕制品的最低点和最高点；

(5)通过压力设备(注胶机或真空泵)将不小于5min真空脱泡且粘度不高于5Pa·s的树脂导入模腔，若树脂粘度较高可通过烘箱适当升温提高树脂在产品内部的流动速度；

(6)当出胶口流出连续且无气泡的树脂后停止注胶，关闭阀门，按照相应的要求进行固化、脱模。

优选地，步骤(1)中，所述的缠绕纤维展开至单层厚度不超过0.3mm。

优选地，步骤(1)中，将已浸渍树脂的缠绕纤维依据纤维强度2％的张力按照每层5％的递减顺序将其缠绕于芯模上。步骤(1)中，当缠绕层厚度达到3mm后，采用90％初始张力将纤维纱按90°缠绕于制品外表面且层数不少于4层。采用上述方案，以利用缠绕张力对内侧树脂提供驱动力抑制其缺陷生成。

优选地，步骤(4)中，在连接进胶口与出胶口之前，将已组合后的模具进行气密检验，5分钟内压力变化小于1％。

优选地，步骤(6)中，停止注胶后关闭进胶阀门但保持出胶阀门与真空系统连通，避免由于溶解度变化产生的空隙。

优选地，步骤(6)完毕后，若制品的缠绕厚度已达到设计厚度则将产品连同外侧密封系统进入烘箱完成固化、脱模工序；若未达到设计厚度则待树脂粘度大于100pa·s后拆除外侧密封系统开始后续的缠绕、固化和脱模工序。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过外阴模可实现缠绕制品尺寸的准确控制，在注胶之前，对缠绕张力进行控制，从而对内侧树脂提供驱动力抑制其缺陷生成；在注胶过程中，通过驱动压力将与缠绕树脂相匹配的树脂注入缠绕制品内部，注胶的驱动力与缠绕张力相互配合，从内外侧排除气泡的同时平衡树脂的分布，解决了纤维缠绕制品空隙率高、树脂分布不均匀、层间性能低的问题，提高了缠绕制品的整体性、致密度及均匀性，有利于增强缠绕制品抵抗外部载荷和疲劳寿命的能力。

本发明有力减少了产品裂纹萌生源，提高了制品内部的应力传递能力，提高了该类构件的承载能力，尤其是对于承受外压荷载的构件，避免了内部孔隙相互贯通引起的压力媒介侵入导致的有效刚度的锐减现象，提高了该类产品的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例中缠绕纤维在芯模上的缠绕过程图；

图2为本发明实施例中缠绕过程中的模具剖面图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1、2所示，本实施例降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法包括以下步骤：

(1)将缠绕纱按照2％的纤维张力按照5％的递减顺序缠绕于芯模2上，并将纤维束展纱至单层厚度不超过0.3mm；当缠绕层6厚度达到3mm后采用90％的初始缠绕张力将纤维纱按照90°缠绕于制品表面，且缠绕层数为4层，对内侧树脂产生流动的驱动力抑制缺陷生成；

(2)将缠绕完成后的回转体产品置于工装架，并于其表面依次铺覆脱模布、连续毡或导流网，便于树脂迅速覆盖缠绕制品；

(3)将已涂敷脱模剂的组合式外阴模具或真空袋膜与缠绕制品相装配，该外阴模具或真空袋膜将与回转体产品的芯模相结合形成一个封闭的模腔4，其中具体尺寸需满足产品要求；

(4)将已组合后的模具进行气密检验，5分钟内压力变化小于1％，连接进胶口1与出胶口5，其中进胶口1与出胶口5的连线与缠绕中心轴相交且分别位于缠绕制品的最低点和最高点；

(5)通过压力设备(注胶机或真空泵)将已经历不小于5min真空脱泡且粘度不高于5Pa·s的树脂导入模腔4，若树脂粘度较高可通过烘箱适当升温提高树脂在产品内部的流动速度；

(6)为确保模腔4内填满树脂可将缠绕制品倾斜放置，使进胶口1位于最低点而出胶口5位于最高点；当出胶口5流出连续且无气泡的树脂后停止注胶，关闭进胶阀门但保持出胶阀门与真空系统连通，避免由于溶解度变化产生的空隙；

(7)若该制品的缠绕厚度已达到设计厚度则将产品连同外侧密封系统进入烘箱完成固化、脱模等工序，若未达到设计厚度则待树脂粘度大于100pa·s后拆除外侧密封系统开始后续的缠绕、固化和脱模等工序。

本实施例通过外阴模可实现缠绕制品尺寸的准确控制，在注胶之前，对缠绕张力进行控制，从而对内侧树脂提供驱动力抑制其缺陷生成；在注胶过程中，通过驱动压力将与缠绕树脂相匹配的树脂注入缠绕制品内部，注胶的驱动力与缠绕张力相互配合，从内外侧赶走气泡的同时平衡树脂的分布，解决了纤维缠绕制品空隙率高、树脂分布不均匀、层间性能低的问题，提高了缠绕制品的整体性、致密度及均匀性，有利于增强缠绕制品抵抗外部载荷和疲劳寿命的能力。

本实施例有力减少了产品裂纹萌生源，提高了制品内部的应力传递能力，提高了该类构件的承载能力，尤其是对于承受外压荷载的构件，避免了内部孔隙相互贯通引起的压力媒介侵入导致的有效刚度的锐减现象，提高了该类产品的可靠性。

在本发明的说明书及权利要求书中使用了表示方向的术语，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“侧”、“顶”、“底”等，用来描述本发明的各种示例结构部分和元件，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，是基于附图中显示的示例方位而确定的。由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。

Claims (7)

1.一种降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将已浸渍树脂的缠绕纤维依据纤维强度1.8％～2.2％的张力按照每层4.5％～5.5％的递减顺序将其缠绕于芯模上；当缠绕层厚度达到3mm后，采用85％～95％初始张力将纤维纱按照90°缠绕于制品外表面且缠绕层数不少于2层；

(2)随后将缠绕完成后的回转体产品置于工装架，并于其表面依次铺覆脱模布、连续毡或导流网；

(3)将已涂敷脱模剂的组合式外阴模具或真空袋膜与缠绕产品相装配，该外阴模具或真空袋膜将与包含缠绕制品的芯模相结合形成一个封闭的模腔；

(4)连接进胶口与出胶口，其中进胶口与出胶口的连线与缠绕中心轴相交并分别位于缠绕制品的最低点和最高点；

(5)通过压力设备将不小于5min真空脱泡且粘度不高于5Pa·s的树脂导入模腔；

(6)当出胶口流出连续且无气泡的树脂后停止注胶，关闭阀门，按照相应的要求进行固化、脱模。

2.根据权利要求1所述的降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的缠绕纤维展开至单层厚度不超过0.3mm。

3.根据权利要求1所述的降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法，其特征在于：步骤(1)中，将已浸渍树脂的缠绕纤维依据纤维强度2％的张力按照每层5％的递减顺序将其缠绕于芯模上。

4.根据权利要求1所述的降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法，其特征在于：步骤(1)中，当缠绕层厚度达到3mm后，采用90％初始张力将纤维纱按90°缠绕于制品外表面且层数不少于4层。

5.根据权利要求1所述的降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法，其特征在于：步骤(4)中，在连接进胶口与出胶口之前，将已组合后的模具进行气密检验，5分钟内压力变化小于1％。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法，其特征在于：步骤(6)中，停止注胶后关闭进胶阀门但保持出胶阀门与真空系统连通，避免由于溶解度变化产生的空隙。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的降低复合材料缠绕制品内部缺陷的方法，其特征在于：步骤(6)中，若制品的缠绕厚度已达到设计厚度则将产品连同外侧密封系统进入烘箱完成固化、脱模工序；若未达到设计厚度则待树脂粘度大于100pa·s后拆除外侧密封系统开始后续的缠绕、固化和脱模工序。