CN212288317U - 一种树脂基复合材料的热压固化成形模具 - Google Patents

Abstract

一种树脂基复合材料的热压固化成形模具，包括阴模腔和阳模，所述阴模腔为透空柱体结构，阴模腔壁设排气孔。本公开结构的设置，实现坯体均匀致密成形且不破坏预制体的结构，以适应新型复合材料的发展，突破传统的模具难以实现的纳米管预制体或纤维预制体增强树脂基复合材料的成形的问题。

Description

一种树脂基复合材料的热压固化成形模具

技术领域

本实用新型属于新材料模具领域，涉及一种树脂基复合材料的成型模具，具体涉及一种热压固化成型模具，特别是针对碳纳米管(CNT) 和/或碳纤维(CF)预制体增强树脂基复合材料在温度和压力作用下实现均匀致密化并限制预制体变形保持预制体的结构不被破坏。

背景技术

树脂必须固化才能使坯体产生强度。树脂在加热时固化。树脂固化为缩聚反应，化学反应过程中产生小分子气体如NH₃、H₂O等。这些气体都将在受热固化过程中往外逸出，在树脂基复合材料的坯体中留下孔隙，导致低密度和疏松多孔的结构。如果在树脂固化过程中施加一定压力，则可以得到致密的坯体。然而，树脂在受热后软化流动，使复合材料坯体变形，尤其在压力驱动下更易变形。尤其对于CNT 预制体，如CNT纸(CNT Buckypaper)增强的单层或多层树脂基复合材料，由于CNTs尺寸小(管径为几个纳米到几十个纳米，长度为几个微米到几十个微米)，宏观呈现为粉末，所以CNT预制体就是由 CNTs松散堆积而形成的预制体，这样的预制体中的CNTs彼此之间没有结合，CNTs仅在微区内彼此相互缠绕，在宏观范围内CNTs相互之间没有牵制，因此这样的预制体几乎没有强度。因此，复合材料坯体在树脂受热压驱动流动后会导致预制体显著变形，复合材料的结构遭受严重破坏。由CF编织而成的预制体，如三维针刺CF预制体，长纤维贯穿整个预制体且彼此交错搭接，使预制体本身具有一定强度，但是树脂软化流动时易导致预制体不同层间滑移变形。

热压固化指在压力作用下的加热固化，在压力作用下固化可使树脂基复合材料达到完全致密化。热压固化分为两个阶段，软固化和硬固化(见专利：201910114419.2)。软固化是在低于固化温度点的部分固化，是一个逐渐固化的较长的过程；而硬固化是在固化温度点的完全固化，是一瞬间的快速固化定型。软固化的作用：一是使树脂部分交联，以便树脂在硬固化时适当的软化并具有适当的流动性，树脂在坯体内适度流动并填充残留孔隙，因而坯体具有适度的柔软性，在压力作用下可被压薄压密实。而过分流动的树脂使坯体滑动并溢出模具外，而且会发生严重粘模，增大成型的困难；二是逐步释放小分子气体，减小硬固化过程的小分子气体排放量，不至于在快速固化定型过程来不及释放而变成闭气孔中的压缩气体而使样品层裂。

模具的好坏，直接影响产品的质量和成本。传统的用于模压成型模具多用于成形一般的树脂基复合材料，对于CNTs或CF预制体增强的树脂基复合材料在热压固化成形时要求不破坏预制体的结构，而 CNTs预制体在树脂的带动下可从模具缝隙间挤出来，且树脂固化过程因排气不畅易导致预制体局部分层和鼓包。因而，传统的模具难以满足这一要求。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种树脂基复合材料的热压固化成形模具，通过对部件结构的合理设置，实现坯体均匀致密成形且不破坏预制体的结构，以适用新型复合材料的发展，突破传统的模具难以实现的纳米管预制体和/或纤维预制体增强树脂基复合材料的成形的问题。

为解决上述问题，本实用新型采取的技术方案为：

一种树脂基复合材料的热压固化成形模具，模具包括阴模腔和阳模，阴模腔为透空柱体结构，阴模腔壁设排气孔。

可选的，阳模包括第二阳模，第二阳模凸面套贴第二阳模套；第二阳模套外表面为锯齿状结构。

可选的，在阴模腔内壁环绕设置阴模隔离调节网。

可选的，在阴模隔离调节网内表面贴设锡纸，锡纸表面有排气孔。

可选的，阴模腔轴向分为多个部分，相互以阴模腔锯齿状结构连接。

可选的，还包括紧固夹具，夹固在阴模腔外缘。

可选的，阳模还包括第一阳模，第一阳模由阳模底盘和阳模凸台构成；第二阳模和第一阳模的结构一致，第一阳模和第二阳模分别卡插在阴模腔两端口。

可选的，还包括第一阳模套，第一阳模套套贴在第一阳模凸面。

可选的，在第一阳模套和第二阳模套凸面垫设阳模隔离排气网。

本实用新型的一种树脂基复合材料的热压固化成形模具，通过对部件结构的合理设置，实现坯体均匀致密成形且不破坏预制体的结构，以适用新型复合材料的发展，突破传统的模具难以实现的纳米管预制体和纤维预制体增强树脂基复合材料的成形的问题。

附图说明

图1为本实用新型的树脂基复合材料的热压固化成形模具的纵向剖视图；

图2为图1中阳模的主视图；

图3a为图1中圆柱体阴模腔的俯视图；

图3b为图1中长方体阴模腔的俯视图；

图4为图1中圆柱体阴模腔对应阳模的俯视图；

图5a位为图1中第一阳模套的纵向剖视图；

图5b位为图1中第二阳模套的纵向剖视图；

图5c位为图1中圆柱体阴模腔对应第二阳模套的俯视图；

图6a为圆柱体形阴模腔的紧固夹具；

图6b为长方体形阴模腔的紧固夹具；

图7为锡纸的裁剪。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做具体说明。

图中各标号表示为：1阴模腔、1-1排气孔、1-2阴模隔离调节网、 1-4阴模腔锯齿状结构；2阳模，2-1第一阳模、2-1-1阳模底盘、2-1-2 阳模凸台、2-1-3第一阳模套，2-2第二阳模、2-2-1第二阳模套、2-2-2 锯齿状结构，2-3阳模隔离排气网。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右、前、后”通常对应于车辆的上、下、左、右、前、后，其中，“上、下”对应于竖直方向或高度方向，“左、右”对应于横向方向，其中，“升、降”是指相应的部件在竖直方向上向上或向下的运动。但上述方位词仅用于解释和说明本公开，并不用于限制。

结合图1～7，一种树脂基复合材料的热压固化成形模具，模具包括阴模腔1和阳模2，阴模腔1为透空柱体结构，阴模腔1壁设排气孔1-1。阴模腔1为透空柱体结构，透空柱体结构为柱身封闭且内部轴向中空，两个柱端为敞口结构。阴模腔1可选透空圆柱体或长方体，阳模2紧密卡设在阴模腔1端口。通过模具组装后阴模腔内剩余空间高度以限定样品压制厚度防止过压，避免预制体因过压而变形，这种限位压制非常适合纳米管预制体或纤维预制体增强树脂基复合材料，这是传统的模具所无法做到的。在阴模腔1壁设多个排气孔1-1，排气孔1-1均匀分布的阴模腔1壁，排气孔1-1可选直径为5～6mm的圆形排气孔1-1。实现样品树脂固化过程的顺利排气，避免样品分层及在表面留下鼓包。

阳模2包括第二阳模2-2，第二阳模2-2凸面套贴第二阳模套2-2-1；第二阳模套2-2-1外表面为锯齿状结构。第二阳模套2-2-1用于保护第二阳模2-2；另外，第二阳模套2-2-1尺寸小所需材料少因而费用低，而第二阳模2-2厚制备费用高，当第二阳模套2-2-1使用后被样品树脂污染后可换用新的第二阳模套2-2-1。第二阳模套2-2-1外表面与阴模腔1内表面以锯齿状结构2-2-2连接，通常地，样品树脂液相对更容易从模具下方的缝隙渗入，而不易从模具上方缝隙渗入，锯齿状结构2-2-2能最大程度减小或避免样品树脂渗入阴模腔1和第二阳模套2-2-1外表面接触处。

在阴模腔1内壁环绕设置阴模隔离调节网1-2。阴模隔离调节网 1-2可选规格为120目、钢丝直径～70μm的不锈钢丝网，阴模隔离调节网1-2紧贴阴模腔1内壁环绕，既不阻止排气，而且由于其孔径特别微小可阻止样品树脂及预制体成分逸出。而且，阴模隔离调节网 1-2将坯体样品与模具隔离，可最大程度减小样品树脂粘模。

在阴模隔离调节网1-2内表面贴设锡纸，锡纸表面有排气孔。锡纸表面光滑，因此贴设锡纸可使第一阳模及第一阳模套顺利在阴模腔内下移压制样品，而且锡纸还可起到固定阴模隔离调节网1-2的作用。在阴模隔离调节网1-2内表面再紧贴一圈光滑的锡纸，锡纸下方用剪刀均匀剪成短的细长条，包住阴模隔离调节网1-2底部夹在阴模隔离调节网1-2与阴模腔1内壁之间；锡纸上方露出阴模腔1壁，露出来的锡纸用剪刀均匀地剪成细长条，用胶带贴紧在阴模腔1外壁上，这样将锡纸固定在阴模腔1里，同时锡纸也将阴模隔离调节网1-2紧压在阴模壁上。阴模壁的排气孔处将锡纸剪出小孔，以方便排气。同时样品直接接触的是光滑的锡纸，用锡纸将样品与阴模隔离调节网1-2 隔开，只在排气孔处无锡纸隔离。排气孔处压强大，但因排气孔面积小，因此仅有极少量的样品树脂渗入排气孔处的钢丝网孔中，整个样品可以顺利与阴模隔离调节网1-2分离。

阴模腔1轴向分为多个部分，相互以阴模腔锯齿状结构1-4连接。当阴模腔1为空心圆柱体，可将阴模腔1轴向分为3部分，当阴模腔 1为空心长方体，可将阴模腔1轴向分为2部分；相互以阴模腔锯齿状结构1-4连接，阴模腔锯齿状结构1-4可阻止样品树脂渗入相邻两部分阴模壁间的缝隙。同时阴模腔1由2～3部分组成，因此阴模腔1 可自由开合，方便脱模。

还包括紧固夹具，夹固在阴模腔1外缘。所述紧固夹具可根据阴模腔1的结构设置，当阴模腔1为空心圆柱体结构，所述紧固夹具可选一个环形紧固夹具；当阴模腔1为空心长方体结构，所述紧固夹具可选至少两个紧固夹具，上述紧固夹具均为常规部件。将阴模各部分组合在一起，用紧固夹具夹紧，防止在热压固化过程中模具被胀开。

阳模2还包括第一阳模2-1，第一阳模2-1由阳模底盘2-1-1和阳模凸台2-1-2构成；第二阳模2-2和第一阳模2-1的结构一致，第一阳模2-1和第二阳模2-2分别卡插在阴模腔1两端口。所述阳模2包括结构一模一样的第一阳模2-1和第二阳模2-2，均由阳模底盘2-1-1和阳模凸台2-1-2构成。根据阴模腔1结构的不同，对应的第一阳模 2-1结构也不同，当阴模腔1为空心圆柱体，对应的阳模底盘2-1-1 和阳模凸台2-1-2均为圆柱体结构；当阴模腔1为空心长方体，对应的阳模底盘2-1-1和阳模凸台2-1-2均为长方体结构。第一阳模2-1 和第二阳模2-2分别卡插在阴模腔1两端口，防止样品树脂及预制体成分逸出。

还包括第一阳模套2-1-3，第一阳模套2-1-3套贴在第一阳模2-1凸面。第一阳模套2-1-3用于保护第一阳模2-1；另外，第一阳模套2-1-3 所需材料少因而费用低，而第一阳模2-1厚制备费用高，当第一阳模套2-1-3使用后被样品树脂污染后可换用新的第一阳模套2-1-3。

在第一阳模套2-1-3和第二阳模套2-2-1凸面垫设阳模隔离排气网 2-3。阳模隔离排气网2-3可选规格为120目、钢丝直径～70μm的不锈钢丝网，阳模隔离排气网2-3垫设在第一阳模套2-1-3和第二阳模套2-2-1凸面，既不阻止排气，而且由于其孔径特别微小可阻止样品树脂及预制体成分逸出；阳模隔离排气网2-3将坯体样品与阳模套隔离，可最大程度减小样品树脂粘模。进一步的，阳模隔离排气网2-3 可选设多个，灵活调节样品压实后的厚度。

实施例1：以CNT纸/树脂叠层复合材料的热压固化为例来说明模具的组装和使用

(1)组装模具

结合图1～7，先组装好模具。将阴模腔1各部分组合在一起，用紧固夹具夹紧。阳模底盘2-1-1在第二阳模2-2阳模凸台2-1-2朝上，第二阳模套2-2-1凹槽朝下。将第二阳模套2-2-1套在第二阳模2-2 上。阴模腔1内壁紧贴三圈阴模隔离调节网1-2，阴模隔离调节网1-2 与第二阳模套2-2-1上方的阴模腔1同高。在阴模隔离调节网1-2表面再紧贴一圈锡纸。锡纸下方用剪刀均匀剪成短的细长条，包住阴模隔离调节网1-2底部夹在阴模隔离调节网1-2与阴模腔1内壁之间；锡纸上方露出阴模腔1腔壁，露出来的锡纸用剪刀均匀地剪成细长条，用胶带贴紧在阴模腔1外壁上，这样将锡纸固定在阴模腔1腔里，同时锡纸也将阴模隔离调节网1-2紧压在阴模腔1腔内壁上。阴模腔1 壁的排气孔1-1处将锡纸剪出小孔，以方便排气。将第二阳模套2-2-1 和阳模从阴模腔1下方插入阴模腔1腔。第二阳模套2-2-1凹槽朝下，第二阳模2-2阳模凸台2-1-2朝上。第二阳模套2-2-1上表面垫上若干层数的阳模隔离排气网2-3。阳模隔离排气网2-3的形状与阴模腔 1的形状相同，其直径略大于阴模腔1腔内壁紧贴阴模隔离调节网1-2 和锡纸后剩余底面的直径，这样第二阳模套2-2-1上垫的阳模隔离排气网2-3对阴模腔1内壁紧贴的阴模隔离调节网1-2和锡纸亦有紧固作用。

将CNT纸/树脂层状复合材料(圆柱体状或长方体状)从阴模腔 1上方放进阴模腔1腔中。

在样品上表面垫上若干层阳模隔离排气网2-3。样品上/下表面所垫阳模隔离排气网2-3的层数(厚度)由样品压实后的经验厚度决定。因树脂更易从下方模具缝隙渗入，故样品下方所垫阳模隔离排气网 2-3的厚度要大于上方阳模隔离排气网2-3的厚度。

将第一阳模套2-1-3插入阴模腔1腔内，压在样品上表面的阳模隔离排气网2-3上。将第一阳模2-1插入第一阳模套2-1-3中。第一阳模套2-1-3凹槽朝上，第一阳模2-1的阳模凸台2-1-2朝下。

(2)软固化

将整个组装后的模具置于烘箱中，自室温逐步升温至70080℃, 每隔1-2h升温5-10℃，在第一阳模2-1上逐渐增加重物，给坯体样品一定压力。这样完成软固化过程。经软固化后，CNT纸/树脂层状复合材料坯体具有一定柔韧度，但因部分固化树脂的流动性变差，也就是，坯体比软固化前变硬了。

(3)硬固化

将经软固化后的坯体样品从模具中取出。第二阳模2-2及第二阳模套2-2-1与阴模腔1如前所述组装好，第一阳模2-1与第一阳模套2-1-3不必插入阴模腔1。第一阳模套2-1-3的上底面垫有适当层数的阳模隔离排气网2-3，阴模腔1腔内壁也紧贴有约3层的阴模隔离调节网1-2，且不锈钢丝外面贴有光滑的锡纸。然后分别置于热压机上加热，升温至180℃左右。

将软固化后的CNT纸/树脂层状复合材料坯体放入阴模腔1腔内第二阳模套2-1-3的上底面上的阳模隔离排气网2-3上，然后在样品上表面放上适当层数的阳模隔离排气网2-3。再将第一阳模套2-1-3 插入阴模腔1腔中，再将第一阳模2-1的阳模凸台2-1-2插入第一阳模套2-1-3的凹槽中。样品坯体在热的模具中预热10-30s，然后，热压机的压头接触第一阳模2-1，快速施加压力4MPa，直到第一阳模 2-1底盘紧压第一阳模套2-1-3边缘，而第一阳模套2-1-3边缘紧压在阴模腔1壁上。CNT纸/树脂层状复合材料坯体在一瞬间固化成型。样品置于模具中，在180℃左右保温3h。这样完成硬固化过程。

硬固化后的样品，连同模具一起置于烘箱中，第一阳模2-1上压上适当重物，在250下保温5h，完成后固化处理过程。

(4)脱模

脱模时，先将第一/第二阳模2-2取出。再将紧固阴模腔1壁的紧固夹具放松并卸下。将阴模腔1壁一块一块取下。再将第一阳模套 2-1-3/第二阳模套2-2-1从样品表面的阳模隔离排气网2-3上拿下。热压过程中，第一阳模套2-1-3在热压机的强压下插入阴模腔1，且第一阳模套2-1-3与阴模腔1内壁间有若干层阴模隔离调节网1-2，使第一阳模套2-1-3难以顺利拔出，阴模腔1壁分开后，第一阳模套2-1-3 即可顺利取下。只要模具组装后阴模腔1的空间大小适当(这由多次热压固化试验的经验值得出)，坯体样品既可压实，且树脂液逸出很少；在阴模隔离调节网1-2的保护下，CNT纸预制体基本不变形，也不会随树脂渗入模具缝隙。阴模腔锯齿状结构1-4本身就可阻止熔融树脂的渗入。阳模隔离排气网2-3直接接触样品，表面会粘接有树脂。样品上/下表面积大，故压强小，而阳模隔离排气网2-3编织密集网孔很小，因而与样品粘接不紧密；样品侧面在排气孔处压强大，但样品直接接触的是光滑的锡纸，用锡纸将样品与阴模隔离调节网1-2隔开，只在排气孔1-1处无锡纸隔离，因此仅少量的树脂渗入排气孔处的钢丝网孔中。故而，整个样品可以顺利与阳模隔离排气网2-3和阴模隔离调节网1-2分离。

CNT纸/树脂层状复合材料无论是圆柱形还是长方体形，经上述方法固化后，表面平整，样品无变形，开气孔率低于1％，致密度不低于98％。

实施例2：以CNT纸-CF布/树脂三明治复合材料的热压固化为例来说明模具的组装和使用

(1)组装模具

将阴模腔1各部分组合在一起，用紧固夹具夹紧。阳模底盘2-1-1 在第二阳模2-2的阳模凸台2-1-2朝上，第二阳模套2-2-1凹槽朝下。将第二阳模套2-2-1套在第二阳模2-2上。阴模腔1内壁紧贴三圈阴模隔离调节网1-2，阴模隔离调节网1-2与第二阳模套2-2-1上方的阴模腔1同高。在阴模隔离调节网1-2表面再紧贴一圈锡纸。第二阳模套2-2-1的上底面上垫上若干层阳模隔离排气网2-3。

(2)软固化

将三维(3D)针刺C纤维毡酚醛树脂浸渍坯体作为上、下表层， CNT纸/树脂单层酚醛树脂浸渍坯体(圆柱体状或长方体状)作为夹层，靠各层表面的树脂连成一个整体，从阴模腔1上方放进阴模腔1 腔中。在坯体样品上表面垫若干层阳模隔离排气网2-3。

将整个组装后的模具置于烘箱中，自室温逐步升温至70-80℃, 每隔1-2h升温5-10℃，在第一阳模2-1上逐渐增加重物，给坯体样品一定压力。这样完成软固化过程。

(3)硬固化

将经软固化后的坯体样品从模具中取出。第二阳模2-2及第二阳模套2-2-1与阴模腔1如前所述组装好，第一阳模2-1与第二阳模套 2-2-1不必插入阴模腔1腔。第二阳模套2-2-1的上底面垫有适当层数的阳模隔离排气网2-3，阴模腔1腔内壁也紧贴有约3层的阴模隔离调节网1-2，且阴模隔离调节网1-2外面贴有光滑的锡纸。然后分别置于热压机上加热，升温至180℃左右。

将软固化后的CNT纸/树脂层状复合材料坯体放入阴模腔1腔内第二阳模套2-2-1的上底面上的阳模隔离排气网2-3上，然后在样品上表面放上适当层数的阳模隔离排气网2-3，样品上、下表面所垫阳模隔离排气网2-3的层数根据样品压实后的厚度和组装模具后阴模腔 1腔内的空间高度决定。再将第一阳模套2-1-3插入阴模腔1腔中，再将第一阳模2-1的阳模凸台2-1-2插入第一阳模套2-1-3的凹槽中。样品坯体在热的模具中预热10-30s，然后，热压机的压头接触第一阳模2-1，快速施加压力8MPa，直到第一阳模2-1底盘紧压第一阳模套 2-1-3边缘，而第一阳模套2-1-3边缘紧压在阴模腔1壁上。CNT纸/ 树脂层状复合材料坯体在一瞬间固化成型。样品置于模具中，在180℃左右保温3h。这样完成硬固化过程。

硬固化后的样品，连同模具一起置于烘箱中，第一阳模2-1上压上适当重物，在250下保温5h，完成后固化处理过程。

(4)脱模

脱模时，先将第一/第二阳模2-2取出。再将紧固阴模腔1壁的紧固夹具放松并卸下，将阴模腔1壁一块一块取下，再将第一/第二阳模套2-2-1取下。最后将第一阳模套2-1-3/第二阳模套2-2-1从样品表面的阳模隔离排气网2-3上拿下。

因3D C纤维预制体结构远比CNT纸预制体强，因此三明治结构不易变形，树脂在较强结构的预制体约束下也不易溢出，因而可更顺利地脱模。

热压固化后的CNT纸-CF布/树脂基复合材料的致密度达到96％以上，开气孔率低于2％。

Claims (6)

1.一种树脂基复合材料的热压固化成形模具，所述的模具包括阴模腔(1)和阳模(2)，其特征在于，所述阴模腔(1)为透空柱体结构，阴模腔(1)壁设排气孔(1-1)；

所述阴模腔(1)轴向分为多个部分，相互以阴模腔锯齿状结构(1-4)连接；

所述阳模(2)包括第二阳模(2-2)，第二阳模(2-2)凸面套贴第二阳模套(2-2-1)，所述第二阳模套(2-2-1)外表面为锯齿状结构(2-2-2)；

所述阳模(2)还包括第一阳模(2-1)，第一阳模(2-1)由阳模底盘(2-1-1)和阳模凸台(2-1-2)构成；

所述第二阳模(2-2)和第一阳模(2-1)的结构一致，第一阳模(2-1)和第二阳模(2-2)分别卡插在阴模腔(1)两端口。

2.如权利要求1所述的树脂基复合材料的热压固化成形模具，其特征在于，在所述阴模腔(1)内壁环绕设置阴模隔离调节网(1-2)。

3.如权利要求2所述的树脂基复合材料的热压固化成形模具，其特征在于，在所述阴模隔离调节网(1-2)内表面贴设锡纸，锡纸表面有排气孔。

4.如权利要求1所述的树脂基复合材料的热压固化成形模具，其特征在于，还包括紧固夹具，夹固在阴模腔(1)外缘。

5.如权利要求1所述的树脂基复合材料的热压固化成形模具，其特征在于，还包括第一阳模套(2-1-3)，第一阳模套(2-1-3)套贴在第一阳模(2-1)凸面。

6.如权利要求5所述的树脂基复合材料的热压固化成形模具，其特征在于，在所述第一阳模套(2-1-3)和第二阳模套(2-2-1)凸面垫设阳模隔离排气网(2-3)。

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