TWI524987B - 用於樹脂移轉模塑之定壓浸透法 - Google Patents

用於樹脂移轉模塑之定壓浸透法 Download PDF

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Description

用於樹脂移轉模塑之定壓浸透法
本發明之實施例係關於樹脂浸透法，且詳言之係關於使用真空壓力處理來製造纖維加強型複合物之樹脂浸透法。
纖維加強型聚合物基質複合物(PMC)為常用於需要耐侵蝕環境、高強度及/或低重量之應用中的高效能結構材料。該等應用之實例包括飛行器組件(例如尾翼、機翼、機身、螺旋槳)、船殼及腳踏車架。PMC包含與諸如聚合物樹脂之基質材料黏結之纖維層。該等纖維加強基質，承受由複合物支持之大部分負荷，同時該基質承受由複合物支持之小部分負荷且亦將負荷自破裂纖維移轉至完整纖維。以此方式，PMC可支持之負荷大於單獨基質或纖維可支持之負荷。此外，藉由將加強纖維修整為特定幾何形狀或定向，可有效地將複合物設計成最小重量及體積。
已開發用於製造PMC之眾多製程。實例可包括濕式疊層、預浸及液體浸透。在濕式疊層中，用基質材料濕潤加強纖維，置於模塑空腔中，且使其硬化或固化。此製程可以自動化方式執行，諸如使用接收乾燥纖維卷筒、使其穿過樹脂浸漬浴且將該等濕潤纖維置於模塑中之切碎機槍或機器來執行。或者可利用刷子手動塗覆樹脂。
在預浸時，使用預浸漬編織纖維或預浸物製造複合組份。以受控方式用基質樹脂浸漬加強纖維，且冷凍以抑制樹脂聚合。隨後運送冷凍預浸物並將其儲存於冷凍條件下直至需要。當由預浸物製造複合部分時，將預浸物解凍至室溫，切割至應有大小並置於模塑空腔中。就位後，將預浸物真空裝袋並在壓力下固化以達成具有最小空隙之所需纖維體積分率。
在液體浸透處理中，在乾燥條件下將加強纖維置於模塑空腔或其他用於淨形加工(net-shape tooling)之機構內，用基質樹脂濕潤並固化。液體浸透處理可藉由各種技術實現，包括高壓及低壓樹脂移轉模塑(RTM)、樹脂膜浸透(RFI)、真空輔助樹脂移轉模塑(VARTM)、拉擠成形、超VARTM、西曼(Seeman)複合樹脂浸透模塑法()、反應注射模塑法(RIM)或同樣合格的樹脂移轉模塑(SQUIRTM)。
然而，該等製程中之每一者皆可能有問題。相對廉價之濕式疊層製造法通常產生具有低纖維體積分率及高孔隙率之複合物，其降低如此製造之複合物的整體強度及品質。與此相比，經由預浸製造複合物可達成較高纖維體積分率及降低之空隙含量，但製造預浸物之成本顯著更高。此外，由於即使在冷凍狀態中亦持續聚合，故冷凍預浸物之存放期有限，且必須小心控制其處置。由於獲得並維持必要加工及液體注射系統之高成本，藉由浸透及其他閉合模塑法(諸如RTM)製造複合物亦較為昂貴。
在此項技術中存在對於複合物及處理此等材料之方法及裝置的需要，該等複合物將具有高纖維體積分率及低孔隙率，從而將增加所製造之複合物之強度及品質，同時降低產生該等材料之成本。
本發明之一個實施例中，本文中所論述之定壓浸透法(CPI VaRTM)可實質上減少聚合物基質複合物因內部壓力梯度而可能產生之性質變化，從而提供穩固、可重複、可預測且可控制之複合物製造法。在一個實施例中，在基質浸透或固化期間在整個纖維預成型坯上形成或持續存在壓力梯度的可能性可能受到抑制。此總是產生最高的可達成預成型坯壓實，其可抑制基質浸透製程期間抽空體積之潛在改變。此方法始終產出符合或超越由傳統預浸物製造且於高壓器中固化之複合層壓物的複合層壓物。另外，除包括在裝袋方案中之樹脂儲集器及相關聯饋料管道/流體壓縮器以外，CPI VARTM法之實施例不再需要任何額外設備。
此外，本發明之實施例亦允許一種顯著簡化之浸透法。此係經由將樹脂饋料源定位於組件之裝袋材料內來實現，其減少或實質上消除了使用外部管道或樹脂饋料源的需要。此允許待浸透之組件最佳地裝填入烘箱中，因為可由一次烘箱運轉提供更多組件，故其顯著降低產生複合物之成本。
如本文所用之術語「大致」、「約」及「實質上」表示接近所規定量且仍執行所要功能或達成所要結果的量。舉例而言，術語「大致」、「約」及「實質上」可指小於所規定量之10%以內、5%以內、1%以內、0.1%以內及0.01%以內的量。
如本文所用之術語「預浸物」具有如熟習此項技術者已知的諸如上述之普通含義。預浸物可包括在其體積之至少一部分內已用基質材料浸漬的纖維薄片或纖維薄層。基質可以部分固化狀態存在。在一個實施例中，預浸物具有以預浸物之總體積計約0.1體積%至1.5體積%之間的孔隙率。
如本文所用之術語「固化」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可包括聚合及/或交聯製程。固化可藉由包括(但不限於)加熱、曝露於紫外光及曝露於輻射之製程來執行。在某些實施例中，固化可在基質之內進行。在固化之前，基質可進一步包含一或多種在約室溫下為液體、半固體、結晶固體及其組合形態之化合物。在某些實施例中，浸透及固化可在單一製程中執行。
如本文所用之術語「基質」、「樹脂」及「基質樹脂」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可包括一或多種包含熱固性及/或熱塑性材料之化合物。實例可包括(但不限於)：環氧樹脂、環氧固化劑、酚醛樹脂、酚類、氰酸鹽、醯亞胺(例如聚醯亞胺、雙順丁烯二醯亞胺(BMI)、聚醚醯亞胺)、聚酯、苯并噁嗪、聚苯并咪唑、聚苯并噻唑、聚醯胺、聚醯胺亞胺、聚碸、聚醚碸、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯，及聚醚酮(例如聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEKK)及其類似物)，其組合及其前驅物。在一個實施例中，樹脂為單組份環氧樹脂系統。在另一實施例中，樹脂為低黏度、單組份環氧樹脂。在另一實施例中，樹脂在室溫下具有極高黏度，但在高溫下具有較低黏度及較長適用期。在此情況下，樹脂之高黏度可阻止樹脂在室溫下流動至預成型坯中。因此，在該製程期間，可將樹脂加熱至將使樹脂熔融至低黏度且允許樹脂流動至預成型坯中的溫度。高黏度樹脂在周圍溫度下可具有約3000cp至約20000cp之黏度，且高黏度樹脂在攝氏30至125度下可具有約50cp至約500cp之黏度。在另一實施例中，樹脂在室溫下具有低黏度。低黏度樹脂在周圍溫度下可具有約50cp至約700cp之黏度。在一個實施例中，複合物之基質含量以複合物體積計為約30體積%至70體積%。
如本文所用之術語「浸透」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可包括將樹脂引入預成型坯中。在一個實施例中，浸透樹脂可包括藉由真空壓力以機械方式將樹脂驅使至預成型坯中。在另一實施例中，可藉由對樹脂儲集器施加一或多種熱及外部壓力來進行浸透。施加熱或壓力可促進樹脂自儲集器行進至預成型坯。在一個實施例中，浸透在約40℃至約120℃之間發生。在另一實施例中，浸透在約周圍溫度下發生。
如本文所用之術語「儲集器」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可包括可卸儲集器(諸如可卸膜片)或其他可撓性儲集器，或活塞驅動儲集器。在另一實施例中，儲集器為具有樹脂溢出系統之可卸標準浸透裝袋方案的一部分。本文所論述之方法及裝置可包括一或多個樹脂儲集器。多個樹脂儲集器可以諸如串聯或並聯或菊鏈在一起的方式與一或多個預成型坯連接，以輸送充足的樹脂並完全浸透預成型坯。
在本發明之一個實施例中，樹脂饋料系統包含與待浸透之預成型坯維持相同真空狀態之可卸樹脂袋或儲集器。此外，樹脂儲集器通常置於與所浸透之預成型坯相同之袋內。該製程按照習知方法進行，其中預成型坯經由先前技術中所涵蓋之多種先前所述方法壓緊。本發明之一個實施例不使用受控或未受控的外部樹脂饋料源，而是使用內部源，其依賴於樹脂儲集器在真空袋下方無法抵抗施加於儲集器上之大氣壓力。此系統允許預成型坯得以完全壓緊且保持在全部大氣壓下以持續整個製程。在一個實施例中，樹脂饋料儲集器亦保持在相同的全部大氣條件下；然而，施加真空後樹脂無法填充抽空空間。
樹脂流可經由若干方法中斷。舉例而言，在一個實施例中，可使用在室溫下具有抑制流動之高黏度且隨後在浸透製程期間加熱後熔融或變為低黏度的樹脂。在另一實施例中，可在樹脂儲集器與預成型坯之間使用藉由熱或藉由外部影響啟動之流體壓縮器。諸如外部閥之節流裝置可安置於儲集器與預成型坯之間的饋料管道上，其在關閉時防止樹脂流動至預成型坯中。
在另一實施例中，樹脂在剛施加真空後就立即開始浸透預成型坯，然而，在另一實施例中，樹脂在預成型坯已完成、經壓縮且準備浸透之後開始流動。
如本文所用之術語「流體連通」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可與諸如自儲集器連接至預成型坯之饋料管道之饋料管道的結構相關。在一個實施例中，樹脂自儲集器流至預成型坯之速率介於10毫升/分鐘至1000毫升/分鐘之間。
如本文所用之術語「預成型坯」或「纖維預成型坯」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可包括已準備接收樹脂之諸如單向纖維及編織纖維之纖維總成。本文所論述之方法及裝置可包括一或多個預成型坯。
如本文所用之術語「真空」或「真空壓力」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可包括1個大氣壓或更小的真空壓力。在浸透步驟期間，可在整個浸透步驟期間施加實質上相同的真空壓力。在一個實施例中，真空之量為約0-1atm。在另一實施例中，可藉由諸如加壓單元(例如高壓器)之二級構件增加更大壓力。亦涵蓋1atm、0.9atm、0.8atm、0.7atm、0.6atm、0.5atm、0.4atm、0.3atm、0.2atm、0.1atm之真空壓力。在一個實施例中，在浸透步驟期間預成型坯中實質上不形成壓力梯度。在一個實施例中，該方法係關於(但不限於)製造纖維加強型複合物之僅使用真空之樹脂浸透法。在一個實施例中，真空壓力在整個浸透及固化週期內完全保持於整個乾燥纖維預成型坯上方。
本文所用之術語「外殼」或「真空袋」各具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可包括在浸透或固化步驟期間能夠維持儲集器及預成型坯之實質上相同的真空壓力的任何外殼或真空袋。在一個實施例中，外殼或真空袋壓縮預成型坯。舉例而言，在一個實施例中，當經受真空壓力時外殼之至少一部分實質上與預成型坯之形狀相符。在另一實施例中，外殼或真空袋包含聚乙烯、聚胺基甲酸酯、乳膠、聚矽氧及乙烯樹脂中之至少一者，諸如塑膠袋。在另一實施例中，外殼或真空袋包含半剛性材料，其覆蓋預成型坯之全部或部分以創建真空膜。
在一個實施例中，預成型坯及樹脂儲集器處於相同的外殼或真空袋中。本文所論述之方法及裝置可包括一或多個外殼或真空袋。在另一實施例中，預成型坯及樹脂儲集器處於分離的外殼或真空袋中。
在一個實施例中，可耗空儲集器且可填充預成型坯，且隨後可接著固化完成組件部分。在固化組件之後，其可用超音波法進行非破壞性檢驗，且量測厚度、纖維體積及空隙含量中之至少一者。在一個實施例中，組件包含一或多個併入其中之加強構件。在固化製程期間可用浮動墊板(caul)拉緊組件以支持加強件。組件部分較佳具有最少變化以符合航空太空要求。
如本文所用之術語「複合物」各具有如熟習此項技術者已知的諸如上述之普通含義，且包括層壓物及聚合物基質複合物。在一個實施例中，複合物具有以複合物之總體積計至少55%之纖維含量，且在其他實施中為60%或更高、65%或更高、70%或更高、75%或更高、80%或更高。在一個實施例中，複合物具有以複合物之總體積計約0.1體積%至1.5體積%之間的孔隙率。本方法可產出具有符合或超越於高壓器中製造之習知複合物之高纖維體積及低空隙含量的複合物。所得複合物可用於包括(但不限於)航空太空應用之應用。
如本文所用之術語「纖維體積分率」各具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且包括以纖維體積所占總複合物體積之百分比計的複合物纖維量。在一些實施例中，複合物之纖維體積分率大於含有相同組份但藉由其中儲集器及預成型坯在浸透步驟期間未維持在實質上相同的真空壓力下之方法產生之複合物的纖維體積分率。用於複合物中之纖維或織物類型影響纖維體積分率計算，且因此在一些實施例中，相同的纖維或織物用於比較藉由本文中所揭示之方法產生之複合物之纖維體積分率與藉由習知方法產生之複合物之纖維體積分率。在其他實施例中，本文所述之方法達成1%或更高之複合物之纖維體積分率，諸如2%或更高、3%或更高、4%或更高、5%或更高、6%或更高、7%或更高、8%或更高、9%或更高或10%或更高，諸如約3-5%或大於利用習知VARTM法(諸如其中儲集器及預成型坯在浸透步驟期間未維持在實質上相同的真空壓力下之方法)達成之纖維體積分率。在另一實施例中，纖維體積分率以體積計為58%或更高，包括以體積計59%或更高、60%或更高、61%或更高、62%或更高、63%或更高、64%或更高或65%或更高。
如本文所用之術語「厚度」各具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且包括一或多層(包含複合物)中之每一層的厚度。在一些實施例中，該一或多層具有實質上均一之厚度，例如，在該等層中之每一層之整個面積上厚度實質上無變化。在一些實施例中，在該等層中之每一層之面積上存在約3%或更小、2.5%或更小、2%或更小、1.5%或更小、1%或更小、或0.5%或更小的變化。層可包括可稱為包覆層之較厚層。
本文所述之製程可包括額外步驟。舉例而言，即使在浸透步驟之前或浸透步驟期間，預成型坯亦可經受壓緊及壓實。在一個實施例中，在整個浸透步驟持續期間，壓緊壓力實質上為恆定的。大體而言，與習知製程(亦即其中樹脂儲集器及預成型坯不在實質上相同的真空壓力下)相比，壓緊壓力在浸透步驟期間更大。
本文所述之製程可進一步包含在浸透步驟之前加熱樹脂之至少一部分。在一個實施例中，可將在預成型坯中包括樹脂儲集器之整個總成置放於烘箱中，且加熱至使樹脂熔融至低黏度且允許樹脂流動至預成型坯中的溫度。
如本文所用之術語「至少一部分」表示整體的一個量，其包含該整體之可能包括該整體的一個量。舉例而言，術語「一部分」可指大於整體之0.01%、大於0.1%、大於1%、大於10%、大於20%、大於30%、大於40%、大於50%、大於60%、大於70%、大於80%、大於90%、大於95%、大於99%及大於100%的量。
如本文所用之術語「室溫」或「周圍溫度」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可包括在約16℃(60℉)至32℃(90℉)範圍內的溫度。如本文所用之術語「纖維」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可包括一或多種適合於複合物加強之纖維性材料。纖維可採用顆粒、片狀、鬚晶、短纖維、連續纖維、薄片、層及其組合之任何形式。連續纖維可進一步採用單向、多維(例如二維或三維)、非編織、編織、針織、綁結、捲繞、編結構型以及捲曲纖維薄氈、氈氈及短切氈結構中之任一者。編織纖維結構可包含複數個具有小於約1000長絲、小於約3000長絲、小於約6000長絲、小於約12000長絲、小於約24000長絲、小於約48000長絲、小於約56000長絲、小於約125000長絲，及大於約125000長絲的編織纖維束。在其他實施例中，纖維束可藉由交叉纖維束綁結、織物嵌入針織綁結或諸如膠料(sizing)之少量樹脂保持在適當位置上。
根據需要，可改變纖維之組成。該纖維組合物之實施例可包括(但不限於)玻璃、碳、芳族聚醯胺、石英、聚乙烯、聚酯、聚對伸苯基-苯并二噁唑(PBO)、硼、碳化矽、聚醯胺、碳及石墨，及其組合。在一個實施例中，該纖維為碳、玻璃纖維、芳族聚醯胺或其他熱塑性材料。加強纖維可為有機或無機的。另外，纖維可包括包括形式上持續或不連續之彼等者的織物架構。
如本文所用之術語「疊層」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可包括一或多種彼此相鄰安置的預浸物。在某些實施例中，疊層內之預浸物可定位於彼此相對之選定定向。在另一實施例中，預浸物可視情況與螺紋材料綁結在一起，以抑制其自選定定向之相對運動。在額外實施例中，「疊層」可包含如本文中論述之完全浸漬預浸物、部分浸漬預浸物及穿孔預浸物之任何組合。疊層可藉由可包括(但不限於)手動疊層、自動帶疊層(ATL)、高級纖維鋪放(AFP)及長絲捲繞之技術製造。
如本文所用之術語「固結」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且因此包括其中樹脂或基質材料流動以便移置相鄰纖維內之空隙空間的製程。舉例而言，「固結」可包括(但不限於)基質流動至纖維及預浸物、穿孔及其類似物之間及之內的空隙空間中。「固結」可在加熱、真空及施加壓力中之一或多者之作用下進一步進行。
如本文所用之術語「液體浸透處理」具有如熟習此項技術者已知的普通含義，且可包括習知液體浸透處理。液體浸透製程可包括藉由其使加強纖維首先在乾燥條件下置放於模塑空腔、模頭或任何其他網狀加工構件中且隨後用樹脂質基質濕潤且隨後固化的任何製程。此製程可藉由許多不同處理策略實現，包括RTM、RFI、VARTM、輕型RTM、拉擠成形、超VARTM、SCRIMP、RIM、SQUIRTM，以及液體浸透製程之變體的大量其他製程。該等習知製程中之每一者皆有優點及缺點。大部分製程之間的主要差異在於精度及加工成本。
對於習知RTM及閉合模塑法而言，實現及維持加工係昂貴的，然而加工為該方法之最中心部分。該機構確定組件之最終形狀及表面控制，且在判定樹脂如何填充並濕潤其內密封之乾燥纖維中亦起到主動作用。習知地，因為加工變得難以管理，故對於用該等閉合模塑法制成之組件之大小及形狀存在限制。除加工之外，購買並維持在溫度及高壓下注入樹脂所需之習知設備(諸如壓力機及注射機)亦可能極其昂貴。在使用較低成本加工並消除樹脂注入系統之閉合模塑製程內存在一些變化，但與其他液體浸透製程相比其通常更昂貴。然而，該等製程通常產出所需的高纖維體積及航空太空級層壓物所需的最小空隙。
液體浸透處理亦包括單側液體浸透法，其為閉合模塑法之變體。替代2側工具，此方法中使用具有用於相對側上之可撓性袋之單側工具。此方法為閉合模塑法之低成本版本，因為其僅需要單側模塑，需要支持該方法之額外設備最少，且具有極少的限制。該方法僅僅利用真空(大氣壓力)來對樹脂濕潤之乾燥纖維進行饋入及填充。藉由利用低黏度樹脂材料及維持層壓物上之真空壓力之適當浸透技術，可製造航空太空級層壓物。
因為樹脂饋料系統通常在裝袋預成型坯外部且樹脂饋料通常藉由逐份監視，故隨著此習知方法出現一併發問題。此系統產生眾多入口及出口管道，該等管道在製程期間必須經監視及控制且存在形成洩漏及發生錯誤的機會。此額外併發問題限制了可一次浸透的組件數目，且歸因於烘箱中之空間之低效使用因此招致成本增加。如先前所述，高壓器中製造之預浸物層壓物通常經排列以使最大數目之組件得以立刻固化。
另一習知液體浸透法為拉擠成形，其與其他液體浸透法相比非常受限制。拉擠成形之方法包含將乾燥纖維引入具有某一橫截面之模具，且隨後就位後即引入樹脂且隨後固化。此方法通常用於製造具有典型/恆定橫截面之較長、連續的組件。
上述僅僅依賴真空(例如大氣壓力)來饋料且濕潤乾燥纖維之習知單側液體浸透方法於下文中更詳細地論述。利用真空(大氣壓力)作為主要力量來饋料且濕潤預成型坯之乾燥纖維的習知乾燥纖維之液體浸透為本工業內所熟知的。已授予圍繞此方法之眾多專利，其以首次用於20世紀40年代及50年代之Marco方法(美國專利第2,495,640號)及Smith(美國專利第2,913,036號)開始直至自Palmer(美國專利第4,942,013號)及Seeman(美國專利第4,902,215號)之更多近期專利。亦存在該方法之眾多變體，其已於描述將樹脂引入且分布至乾燥纖維中之方法的技術簡報及期刊中詳述。
使用大氣壓力來浸透或浸漬乾燥纖維(預成型坯)為一種利用大氣壓力與真空之間存在的自然壓差之相當直接的轉運法。在一典型的習知浸透法中，樹脂容器或液體樹脂饋料系統靜止在大氣條件下，且預成型坯處於真空條件中之袋的下方。如圖1A中所示，預成型坯藉由大氣壓力抵抗裝袋進行壓縮，且因此產生相等的反作用力至裝袋。
最終結果為藉由預成型坯之纖維以某百分比填充且剩餘體積為開放空間之抽空空間的淨體積。抽空空間之體積視若干變量而定，其包括確定壓縮預成型坯之大氣壓力之量之空間內之真空的量及所壓縮之預成型坯之回彈性。此回彈性一般稱為預成型坯之「體積因素(Bulk Factor)」。為達到航空太空品質層壓物，體積中之纖維百分比通常需要大於55%。纖維百分比隨構建預成型坯中存在之許多變量而變，如織物構造、纖維/纖維束大小及纖維對準。
存在用於將預成型坯壓緊至55%或更高纖維體積之狀態的若干方法。如Woods(美國專利公開申請案第2005/0073076 A1號)中所述其可包括多次壓實循環。壓緊亦可能涉及隨著壓實循環施加熱以幫助預成型坯結合在一起。另一方法涉及設計緊密嵌套(nest)在一起之織物。眾多其他方法已描述於技術文獻中，但所有該等方法之目標皆為增加抽空體積內之纖維百分比。藉由增加纖維百分比，可歸因於主要承載構件(纖維)之密度增加而改良層壓物之機械性質。
預成型坯之壓緊之自然損壞為真空降低及大氣壓力壓縮預成型坯產生之損失。當真空降低時，預成型坯之回彈性與裝袋相抵作用，其有效地增加纖維體積且降低纖維密度。該自然降低為典型浸透法中之重要問題，因為其恰為將樹脂饋入且填充預成型坯之主要力量。
在一典型浸透法中，當樹脂饋料開放，圖1A中所示之穩態變為開放系統，且如圖1B中所示大氣壓力造成壓力梯度促使樹脂進入經壓縮之預成型坯時，開始浸透。
特定言之，圖1A-1B說明關於習知浸透法之問題。圖1A為經真空裝袋且準備浸透之穩態條件下之習知浸透法示意圖。在一種情況下，可施加真空且可關閉樹脂饋料，其中無壓力梯度跨越預成型坯。大氣壓力(PA)以1個大氣壓之淨合成袋壓力處處存在。預成型坯以機械阻力FP抵抗工具及袋。
圖1B為當樹脂饋料管道開放且壓力梯度形成時初始開放狀態中之浸透製程的示意圖。壓力梯度自真空出口PA至樹脂入口跨越預成型坯以樹脂壓力之壓力PR=PA+(壓頭)形成。此導致樹脂自高壓區流至低壓區。壓頭為歸因於進入預成型坯之前饋料管中之樹脂管柱之高度而產生的任何+/-壓力。若料罐(bucket)高於饋料點，則在饋料點處存在導致大於1個大氣壓之樹脂壓力的正壓頭。若料罐低於進料點，則存在負壓頭且樹脂將處於低於大氣壓之壓力下。應注意，黏性效應通常引起一些(-)壓頭每滲透率損失及達西定律(Darcys Law)。若黏性損失或(-)壓頭符合或超越真空所引起之壓力梯度，則浸透將停頓。亦應注意，若在浸潤期間預成型坯之反作用力(FP)持續且真空壓力降低(回到PA)，FP將有效地降低至未壓縮的實體狀態。
跨越預成型坯之所得壓力梯度不僅驅使樹脂進入抽空體積，且亦降低壓縮預成型坯之真空壓力。此真空損失允許預成型坯之回彈性相抵袋起作用，從而增加真空已降低處的體積。如圖1C及圖1D中所示，隨著浸透持續，降低之真空面積變大且使更多樹脂吸入抽空體積中。
如圖1C及圖1D所示，在浸透製程期間預成型坯內之壓力梯度及預成型坯厚度及纖維體積之所得改變變化且難以控制。變化視眾多輸入而定，包括部件大小、厚度、滲透率、流動介質材料、裝袋方案、樹脂入口及出口位置以及影響樹脂如何引入且饋送至預成型坯中之其他眾多因素。此非受控變化已為在航空太空組件中採用浸透製程之重要障礙，因為其產生不均一的厚度或較低纖維體積。
更特定言之，圖1C為開放狀態中隨著樹脂吸入抽空體積、填充開放空間且降低該區域中之真空壓力之浸透製程的示意說明。跨越預成型坯之壓力梯度引起樹脂流動通過預成型坯，從而積聚黏性損失。具有黏性損失之壓力梯度之後跟隨著樹脂壓力PR。隨著浸透期間之時間增加，預成型坯反作用力FP自真空點開始至饋料點逐漸地降低。應注意，黏性損失隨樹脂流動波前(flow front)至樹脂饋料點之長度而變。隨著長度增加，損失積聚而導致通過預成型坯之流率降低。若長度過長，樹脂損失克服壓力梯度，則導致流動波前停頓。預成型坯之此進行性填充通常持續直至以下中之一者發生：1)適當量的樹脂饋入且樹脂饋料管道關閉；2)預成型坯完全浸透且樹脂退出真空端口；3)樹脂流動波前到達死區且樹脂饋料管道關閉。
圖1D為樹脂已填充抽空體積且填充預成型坯之後的浸透製程的示意說明。該示意圖展示結束浸透製程之各種選項之壓力梯度。
‧選項1：(關閉樹脂饋料，存在或不存在死區，伴隨溢出)當藉由真空源移除過量樹脂時非剛性袋隨時間陷縮(損失體積)。袋再次嚙合預成型坯後，預成型坯施加反作用力FR至袋上直至在預成型坯上創建PA為止。體積受限且系統現為剛性容器後，樹脂壓力PR返回至真空壓力-PA。
‧選項2：(關閉樹脂饋料，存在或不存在死區，關閉真空)大於真空壓力之樹脂壓力PR隨時間跨越預成型坯到達平衡。
‧選項3：(開放樹脂饋料，存在或不存在死區，伴隨溢出)歸因於經由較高滲透率之最小反抗力之路徑，樹脂壓力PR隨時間在流動介質中到達平衡梯度([PA+壓頭]至-PA)，且樹脂必須連續饋入且在固化期間溢出。
‧選項4：(開放樹脂饋料，存在或不存在死區，關閉真空)樹脂隨時間跨越預成型坯到達平衡(PA+壓頭)。
選項1及選項2可使用淨樹脂法來執行，其中浸透精確量之樹脂且隨後關閉樹脂饋料。選項1可在浸透完成之後達成真空狀態後引起過量樹脂溢出(排流)或產生揮發物。
在製程期間對內部壓力梯度提供有限控制或無控制之習知上述浸透法具有有限的成功率。該等方法可產生適於航空太空組件之層壓物性質，然而，該等方法為不穩固、不可重複或不可預測的。此不確定性持續阻止該方法在航空太空工業內獲得廣泛使用。
為改良樹脂之流動及增加方法之可預測性/重複能力，在控制樹脂流動及樹脂流動路徑上已進行眾多改進。此方法描述於Seeman的(美國專利第4,902,215號)中，其係關於用於在裝袋方案及該裝袋本身內經由流動介質之網狀物引起流動及壓力梯度。Woods(美國專利公開申請案第2005/0073076 A1號)詳細描述了此問題，且提出於樹脂饋料罐上使用部分真空以便控制施加於預成型坯之大氣壓力。此方法稱為CAPRI(受控制大氣壓力樹脂浸透)法，且預期減少經浸透之層壓物內之可變性。除該等習知方法之外，亦存在眾多已用於調節饋料壓力之常識性方法。其包括使用饋料管道上之流量調節器或改變樹脂饋料罐相對於預成型坯之高度以造成正或負的壓頭壓力。
不管裝袋方案、入口及出口端口設定，或藉由控制/調節其之饋料罐上之壓力如何，所有先前已知技術中之主要驅動力皆為某種類型的壓力梯度。不管在浸透及固化製程期間是否跨越整個預成型坯一直維持全部大氣壓力，此方法內之梯度將始終為問題所在。
本文所述之經改良之方法係關於上述液體浸透法。本發明之一個實施例可適用於本方法內之所有變化形式且不限於一種較佳方法。
實例
已使用本文所述之CPI VARTM法之實施例執行眾多試驗來製造航空太空品質層壓物。此等實例經論述用於說明性目的，且不應理解為限制所揭示實施例之範疇。
實例1
使用單組份環氧樹脂系統(Cytec Engineered Materials CYCOM 977-20)，其在室溫下展現極高的黏度，但在高溫下具有較低黏度及較長適用期。此樹脂最初以250公克至1000公克範圍內之量封裝於聚丙烯塑膠袋中。該等袋以此方式熱封：在一端存在一旦切斷即允許管道插入之收縮。聚丙烯為用於CYCOM 977-20之所要固化循環中之可接受材料。接著將預封裝可卸樹脂儲集器與工具上之預成型坯相鄰置放，且饋料管道自儲集器連接至預成型坯之饋料管道。預成型坯於每一併入樹脂溢出系統之典型浸透方案中裝袋，且如圖2A所示將真空袋置放於預成型坯及樹脂儲集器上方。將預成型坯壓實且壓緊且隨後檢查洩漏並準備固化。樹脂之高黏度可阻止樹脂在此製程期間流動至預成型坯中。
準備好後，可將整個總成置放於烘箱中，且加熱至使樹脂熔融至低黏度且允許樹脂流動至預成型坯中的溫度。耗空儲集器且預成型坯經填充後，隨後固化組份至完成。固化後，組件可用超音波法進行非破壞性檢驗，且量測厚度、纖維體積及空隙含量。檢驗及量測之結果展示整個層壓物符合航空太空要求，其具有所量測性質之最少變化。層壓物展現超過58%之纖維體積分率(其變化小於1%)以及0.018吋之固化層厚度量測(其跨越面板之變化小於2%)。
實例2
使用與實例1中相同之單組份環氧樹脂及樹脂袋以浸透更大的組件。根據圖2B設定組件並進行裝袋，其併入具有樹脂溢出系統之標準浸透裝袋方案。為浸透此組件，使用連接或菊鏈在一起的多個樹脂儲集器以輸送充足的樹脂並完全浸透預成型坯。本方法產出具有最少變化之航空太空品質層壓物。
實例3
使用實例1-2中所使用之相同單組份環氧樹脂來製造併入一些加強構件之更複雜的組件。組件可用浮動墊板拉緊以支持加強件，並根據圖2C裝袋。如圖所示，將樹脂儲集器相鄰浮動墊板定位以將樹脂饋入至預定位置。本方法再次產出具有最少變化之航空太空品質層壓物。
實例4
使用樹脂在室溫下為低黏度之低黏度單組份環氧樹脂及樹脂袋。根據圖2D設定組件，圖2D詳述了併入在閉合時阻止樹脂流動至預成型坯中的外部閥。將整個預成型坯及樹脂儲集器裝袋並使其準備浸透。準備好後，打開閥且浸透預成型坯。此變體產出具有最少變化之航空太空品質層壓物。
眾所周知，熟習此項技術者將認識到可對本發明及較佳實施例中所描述之實例進行的變化。此文獻中所提供之上述方法、裝置及實例並不將本發明限於彼等方法，且基本概念適用於全部可能的修改。本發明不限於任何方法群組且適用於全部液體浸透方法。
圖1A為在樹脂浸透製程期間樹脂浸透之前的纖維預成型坯內壓力之示意說明；
圖1B為在樹脂浸透製程期間壓力梯度形成之後纖維預成型坯內壓力的示意說明；
圖1C為在樹脂浸透製程期間將樹脂吸入纖維預成型坯之抽空區域時纖維預成型坯內壓力的示意說明；
圖1D為樹脂已填充纖維預成型坯之抽空區域之至少一部分之後纖維預成型坯內壓力的示意說明；
圖2A為本發明之樹脂浸透系統之一個實施例的示意說明；
圖2B為本發明之具有多個樹脂儲集器之樹脂浸透系統之另一實施例的示意說明；
圖2C為本發明之包含支持加強件之樹脂浸透系統之另一實施例的示意說明；及
圖2D為本發明之包含一外部閥之樹脂浸透系統之另一實施例的示意說明。
(無元件符號說明)

Claims (9)

  1. 一種製造複合物之方法，其包含：將纖維預成型坯封閉於真空袋，該纖維預成型坯具有含相對端的縱向長度；置放至少一個可卸式、填充有樹脂之裝袋於該真空袋中，該填充有樹脂之裝袋包含封閉在可撓性裝袋中的樹脂；提供將該填充有樹脂之裝袋連接至該纖維預成型坯的饋料管，藉此該填充有樹脂之裝袋與該纖維預成型坯流體連通，該饋料管具有鄰近於該預成型坯之縱向長度之一相對端的樹脂入口；藉由使該樹脂得以自該填充有樹脂之裝袋流入該纖維預成型坯以使該樹脂浸透該纖維預成型坯，同時將該填充有樹脂之裝袋及該纖維預成型坯維持在實質上相同之真空壓力下，藉此該浸透樹脂實質上沒有在該纖維預成型坯中產生壓力梯度；及固化該經樹脂浸透之纖維預成型坯以形成複合物。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包含在該浸透步驟之前壓實該纖維預成型坯。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該填充有樹脂之裝袋包含具有於周圍溫度下3000cp至20,000cp的高黏度之樹脂，且該黏度防止該樹脂於室溫下流入該纖維預成型坯，且該樹脂於該浸透步驟前被進一步加熱以降低黏度並使 該樹脂於該浸透步驟期間得以流入該纖維預成型坯。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包含一或多個額外的可卸式、填充有樹脂之裝袋被放置於該真空袋內部，如此其等被串聯在一起以使各填充有樹脂之裝袋分別藉由分離的饋料管與該纖維預成型坯流體連通。
  5. 如請求項1之方法，其中該饋料管進一步包含閥門，該閥門於該浸透步驟前係被關閉且在該浸透步驟期間被打開以使該樹脂得以流入該纖維預成型坯。
  6. 如請求項1或5之方法，其中該填充有樹脂之裝袋中之樹脂具有於周圍溫度下50cp至700cp之黏度。
  7. 如請求項1之方法，其中該浸透步驟進一步包含以機械方式將該樹脂驅使進入該預成型坯中。
  8. 如請求項1、2、4、5及7項中任一項之方法，其中該真空壓力為1個大氣壓或更小。
  9. 如請求項1、2、4、5及7項中任一項之方法，其中該複合物具有以該複合物硬化後之總體積計0.1體積%至1.5體積%之間的孔隙率。
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