複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法

2023-09-09 22:29:00

專利名稱：複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法
複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法技術領域
本發明屬於芯模製作技術領域，具體涉及一種複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法。
背景技術：
纖維纏繞成型技術是指將連續的纖維經浸漬樹脂膠液後，在一定的張力作用下， 按照一定的規律纏繞到芯模上，然後固化成型的工藝技術。分幹法、溼法和半乾法三種纏繞形式。適用於製造圓柱體、圓筒體、球體和某些正曲率迴轉體製品。該成型技術具有纖維含量高、纖維強度發揮好、纖維纏繞方向可改變以及適合大批量生產等優點，在航空航天及民用領域有著廣泛的應用。
複合材料構件纏繞成型用芯模直接影響產品的尺寸精度、內表面質量、成本以及生產周期。目前國內複合材料構件的纏繞成型技術大多採用金屬芯模、水溶性砂芯模以及金屬骨架外敷石膏層組合式芯模。組合式芯模的優點是骨架可以重複利用，但其結構複雜， 無論拆裝或者石膏層刮制都需手工操作，機械化程度低，同時石膏層非常脆，容易開裂，芯模成品率不高。水溶性砂芯模相對於金屬組合芯模的最大優點是從複合材料製品中拆除比較容易，但芯模重量過大一直是制約水溶砂芯模發展的關鍵，並且其製作過程大都屬於人工操作，效率非常低下，也制約了其發展。金屬芯模成本高、重量大且不利於長徑比較大的構件成型，使其應用範圍也大大受限。
隨著複合材料應用要求的不斷提高，複合材料構件纏繞成型對芯模材料及芯模的整體剛度、同軸度及組裝、拆除等要求越來越高，而現有芯模成本高、結構沉笨、重量大，芯模的組裝、拆除及變形均無法滿足複合材料纏繞技術的進一步發展，因此開展輕質高剛度芯模材料研究很有必要。同時複合材料應用範圍的不斷擴大，需求量持續增加，要求其快速批量化生產，這對易成型、易脫模、輕質、低成本芯模材料的應用研究提出了迫切需求。發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術的不足，提供一種複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法。該方法採用形狀記憶聚合物製作複合材料纏繞構件芯模，可實現芯模的快速成型，製作的芯模通過形狀記憶聚合物在彈性和剛性間進行轉換，容易實現拆模，並達到重複使用的目的，最終實現複合材料產品的快速、高效、低成本製造，進而推動先進材料技術的推廣應用和更新換代。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟
步驟一、配製氫化環氧樹脂體系將氫化環氧樹脂、己二醇二縮水甘油醚和順丁烯二酸酐按0. 5 1. 0 0 0. 4 2.0的摩爾比混合均勻後放入真空乾燥箱中，在溫度為 50°C 60°C的條件下脫除氣泡5min 15min，得到氫化環氧樹脂體系；
步驟二、製作氫化環氧樹脂坯件將步驟一中所述氫化環氧樹脂體系澆注至圓筒狀模具，然後將澆注後的模具置於烘箱中固化，冷卻至室溫後脫模得到氫化環氧樹脂坯件；
步驟三、製作芯模根據所需芯模的形狀選擇芯模成型模具，將步驟二中所述氫化環氧樹脂坯件與芯模成型模具組裝，採用吹塑工藝將組裝後的氫化環氧樹脂坯件在溫度為 90°C 140°C，壓力為0. 2MPa 0. 6MPa的條件下保壓IOmin 20min，使氫化環氧樹脂坯件變形成芯模形狀，冷卻後脫模得到形狀記憶聚合物芯模。
上述步驟一中所述氫化環氧樹脂、己二醇二縮水甘油醚和順丁烯二酸酐的摩爾比為 0. 6 0. 9 0. 1 0. 3 2. 0。
上述步驟二中所述固化的制度為在溫度為60°C 80°C的條件下固化池 4h， 然後在溫度為110°c 130°c的條件下固化 4h，最後在溫度為150°C 180°C的條件下固化0. 5h 1. 5h。
上述步驟三中所述芯模成型模具採用分瓣陰模的形式，芯模成型模具內表面的形狀與所要製作的芯模外表面形狀相同。
上述步驟三中所述冷卻的方式為採用氮氣吹拂或採用自來水冷卻，或者為採用氮氣吹拂後再採用自來水冷卻。
本發明氫化環氧樹脂體系澆注所用的圓筒狀模具由圓筒狀陽模和圓筒狀陰模通過螺栓固定連接而成。
本發明的形狀記憶聚合物芯模的使用方法為按照常規方法將複合材料纏繞至形狀記憶聚合物芯模上製備複合材料構件，然後將形狀記憶聚合物芯模加熱至氫化環氧樹脂體系的玻璃化轉變溫度以上，芯模形狀即可回復至初始的圓筒狀，最後將形狀回復的芯模從複合材料構件的開口處取出。
本發明與現有技術相比具有以下優點
1、本發明採用形狀記憶聚合物製作複合材料纏繞構件芯模，可實現芯模的快速成型，製作的芯模通過形狀記憶聚合物在彈性和剛性間進行轉換，容易實現拆模，並達到重複使用的目的，最終實現複合材料產品的快速、高效、低成本製造，進而推動先進材料技術的推廣應用和更新換代。
2、採用本發明方法製作的形狀記憶聚合物芯模質量輕，比重小於1. 2g/cm3，約為金屬芯模比重的1/7，砂芯模比重的1/3。
3、採用本發明方法製作的形狀記憶聚合物芯模結構簡單，採用吹塑工藝整體成型，避免了工作量較大的人工組裝與拆卸工序。
4、本發明製作的形狀記憶聚合物芯模成本低，效率高，可重複使用，製作周期短， 脫模方便，具有明顯的經濟效益。
下面結合附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細說明。


圖1為本發明採用的圓筒狀模具的結構示意圖。
圖2為本發明第一種具體實施方式
採用的芯模成型模具的結構示意圖。
圖3為本發明第二種具體實施方式
採用的芯模成型模具的結構示意圖。
附圖標記說明
1-陽模； 2-陰模；3-封頭陰模；
4-筒段模具；5-上陰模；6-下陰模。
具體實施方式
實施例1
用於複合材料壓力容器纏繞成型的形狀記憶聚合物芯模的製備
步驟一、配製氫化環氧樹脂體系將氫化環氧樹脂、己二醇二縮水甘油醚和順丁烯二酸酐按0.9 0. 1 2.0的摩爾比混合均勻後放入真空乾燥箱中，在溫度為55°C的條件下脫除氣泡lOmin，得到氫化環氧樹脂體系；
步驟二、製作氫化環氧樹脂坯件將步驟一中所述氫化環氧樹脂體系澆注至圓筒狀模具，然後將澆注後的模具置於烘箱中固化，冷卻至室溫後脫模得到氫化環氧樹脂坯件； 所述固化的制度為在溫度為80°C的條件下固化池，然後在溫度為120°C的條件下固化池， 最後在溫度為180°C的條件下固化Ih ；如圖1所示，所述圓筒狀模具由圓筒狀陽模1和圓筒狀陰模2通過螺栓固定連接而成；
步驟三、製作芯模根據所需芯模的形狀選擇芯模成型模具，如圖2所示，該芯模成型模具由封頭陰模3和筒段模具4組成，芯模成型模具內表面的形狀與所要製作的芯模外表面形狀相同，將步驟二中所述氫化環氧樹脂坯件與封頭陰模3和筒段模具4組裝，然後採用吹塑工藝將組裝後的氫化環氧樹脂坯件在溫度為140°C，壓力為0. 5MPa的條件下保壓 lOmin，使氫化環氧樹脂坯件變形成芯模形狀，接著將保壓後的氫化環氧樹脂坯件採用氮氣吹拂後置於自來水中快速冷卻，最後脫模得到用於複合材料壓力容器纏繞成型的形狀記憶聚合物芯模。
本實施例採用吹塑工藝整體成型，避免了工作量較大的人工組裝與拆卸工序，製作的形狀記憶聚合物芯模結構簡單，質量輕，比重小於1. 2g/cm3，約為金屬芯模比重的1/7， 砂芯模比重的1/3，並且芯模可重複使用，具有明顯的經濟效益。
採用本實施例製作的形狀記憶聚合物芯模製備複合材料壓力容器，按照常規方法將複合材料纏繞至形狀記憶聚合物芯模上製備複合材料壓力容器，然後將形狀記憶聚合物芯模加熱至140°C，芯模形狀即可回復至初始的圓筒狀，最後將形狀回復的芯模從複合材料壓力容器的開口處取出。
實施例2
用於複合材料管件纏繞成型的形狀記憶聚合物芯模的製備
步驟一、配製氫化環氧樹脂體系將氫化環氧樹脂、己二醇二縮水甘油醚和順丁烯二酸酐按0.6 0.3 2. O的摩爾比混合均勻後放入真空乾燥箱中，在溫度為50°C的條件下脫除氣泡5min，得到氫化環氧樹脂體系；
步驟二、製作氫化環氧樹脂坯件將步驟一中所述氫化環氧樹脂體系澆注至圓筒狀模具，然後將澆注後的模具置於烘箱中固化，冷卻至室溫後脫模得到氫化環氧樹脂坯件； 所述固化的制度為在溫度為65°C的條件下固化池，然後在溫度為120°C的條件下固化池， 最後在溫度為150°C的條件下固化Ih ；如圖1所示，所述圓筒狀模具由圓筒狀陽模1和圓筒狀陰模2通過螺栓固定連接而成；
步驟三、製作芯模根據所需芯模的形狀選擇芯模成型模具，如圖3所示，該芯模成型模具由上陰模5和下陰模6組成，芯模成型模具內表面的形狀與所要製作的芯模外表面形狀相同，將步驟二中所述氫化環氧樹脂坯件與上陰模5和下陰模6組裝，然後採用吹塑工藝將組裝後的氫化環氧樹脂坯件在溫度為100°C，壓力為0. 4MPa的條件下保壓lOmin，使氫化環氧樹脂坯件變形成芯模形狀，接著將保壓後的氫化環氧樹脂坯件置於自來水中快速冷卻，最後脫模得到用於複合材料管件纏繞成型的形狀記憶聚合物芯模。
本實施例採用吹塑工藝整體成型，避免了工作量較大的人工組裝與拆卸工序，製作的形狀記憶聚合物芯模結構簡單，質量輕，比重小於1. 2g/cm3，約為金屬芯模比重的1/7， 砂芯模比重的1/3，並且芯模可重複使用，具有明顯的經濟效益。
採用本實施例製作的形狀記憶聚合物芯模製備複合材料管件，按照常規方法將複合材料纏繞至形狀記憶聚合物芯模上製備複合材料管件，然後將形狀記憶聚合物芯模加熱至110°c，芯模形狀即可回復至初始的圓筒狀，最後將形狀回復的芯模從複合材料管件的開口處取出。
實施例3
用於複合材料壓力容器纏繞成型的形狀記憶聚合物芯模的製備
步驟一、配製氫化環氧樹脂體系將氫化環氧樹脂和順丁烯二酸酐按1. O 2. O的摩爾比混合均勻後放入真空乾燥箱中，在溫度為60°C的條件下脫除氣泡15min，得到氫化環氧樹脂體系；
步驟二、製作氫化環氧樹脂坯件將步驟一中所述氫化環氧樹脂體系澆注至圓筒狀模具，然後將澆注後的模具置於烘箱中固化，冷卻至室溫後脫模得到氫化環氧樹脂坯件； 所述固化的制度為在溫度為60°C的條件下固化4h，然後在溫度為110°C的條件下固化4h， 最後在溫度為160°C的條件下固化1. 5h ；如圖1所示，所述圓筒狀模具由圓筒狀陽模1和圓筒狀陰模2通過螺栓固定連接而成；
步驟三、製作芯模採用與實施例1相同的芯模成型模具，芯模成型模具內表面的形狀與所要製作的芯模外表面形狀相同，將步驟二中所述氫化環氧樹脂坯件與封頭陰模3 和筒段模具4組裝，然後採用吹塑工藝將組裝後的氫化環氧樹脂坯件在溫度為120°C，壓力為0. 6MPa的條件下保壓20min，使氫化環氧樹脂坯件變形成芯模形狀，接著將保壓後的氫化環氧樹脂坯件採用氮氣吹拂快速冷卻，最後脫模得到用於複合材料壓力容器纏繞成型的形狀記憶聚合物芯模。
本實施例採用吹塑工藝整體成型，避免了工作量較大的人工組裝與拆卸工序，製作的形狀記憶聚合物芯模結構簡單，質量輕，比重小於1. 2g/cm3，約為金屬芯模比重的1/7， 砂芯模比重的1/3，並且芯模可重複使用，具有明顯的經濟效益。
採用本實施例製作的形狀記憶聚合物芯模製備複合材料壓力容器，按照常規方法將複合材料纏繞至形狀記憶聚合物芯模上製備複合材料壓力容器，然後將形狀記憶聚合物芯模加熱至130°C，芯模形狀即可回復至初始的圓筒狀，最後將形狀回復的芯模從複合材料壓力容器的開口處取出。
實施例4
用於複合材料管件纏繞成型的形狀記憶聚合物芯模的製備
步驟一、配製氫化環氧樹脂體系將氫化環氧樹脂、己二醇二縮水甘油醚和順丁烯二酸酐按0.5 0.4 2. O的摩爾比混合均勻後放入真空乾燥箱中，在溫度為50°C的條件下脫除氣泡lOmin，得到氫化環氧樹脂體系；
步驟二、製作氫化環氧樹脂坯件將步驟一中所述氫化環氧樹脂體系澆注至圓筒狀模具，然後將澆注後的模具置於烘箱中固化，冷卻至室溫後脫模得到氫化環氧樹脂坯件； 所述固化的制度為在溫度為70°C的條件下固化池，然後在溫度為130°C的條件下固化池， 最後在溫度為150°C的條件下固化0. 5h ；如圖1所示，所述圓筒狀模具由圓筒狀陽模1和圓筒狀陰模2通過螺栓固定連接而成；
步驟三、製作芯模採用與實施例2相同的芯模成型模具，芯模成型模具內表面的形狀與所要製作的芯模外表面形狀相同，將步驟二中所述氫化環氧樹脂坯件與上陰模5 和下陰模6組裝，然後採用吹塑工藝將組裝後的氫化環氧樹脂坯件在溫度為90°C，壓力為 0. 2MPa的條件下保壓15min，使氫化環氧樹脂坯件變形成芯模形狀，接著將保壓後的氫化環氧樹脂坯件採用氮氣吹拂後置於自來水中快速冷卻，最後脫模得到用於複合材料管件纏繞成型的形狀記憶聚合物芯模。
本實施例採用吹塑工藝整體成型，避免了工作量較大的人工組裝與拆卸工序，製作的形狀記憶聚合物芯模結構簡單，質量輕，比重小於1. 2g/cm3，約為金屬芯模比重的1/7， 砂芯模比重的1/3，並且芯模可重複使用，具有明顯的經濟效益。
採用本實施例製作的形狀記憶聚合物芯模製備複合材料管件，按照常規方法將複合材料纏繞至形狀記憶聚合物芯模上製備複合材料管件，然後將形狀記憶聚合物芯模加熱至100°C，芯模形狀即可回復至初始的圓筒狀，最後將形狀回復的芯模從複合材料管件的開口處取出。
實施例5
用於複合材料管件纏繞成型的形狀記憶聚合物芯模的製備
步驟一、配製氫化環氧樹脂體系將氫化環氧樹脂、己二醇二縮水甘油醚和順丁烯二酸酐按0.8 0.2 2. O的摩爾比混合均勻後放入真空乾燥箱中，在溫度為50°C的條件下脫除氣泡lOmin，得到氫化環氧樹脂體系；
步驟二、製作氫化環氧樹脂坯件將步驟一中所述氫化環氧樹脂體系澆注至圓筒狀模具，然後將澆注後的模具置於烘箱中固化，冷卻至室溫後脫模得到氫化環氧樹脂坯件； 所述固化的制度為在溫度為80°C的條件下固化池，然後在溫度為130°C的條件下固化池， 最後在溫度為150°C的條件下固化Ih ；如圖1所示，所述圓筒狀模具由圓筒狀陽模1和圓筒狀陰模2通過螺栓固定連接而成；
步驟三、製作芯模採用與實施例2相同的芯模成型模具，芯模成型模具內表面的形狀與所要製作的芯模外表面形狀相同，將步驟二中所述氫化環氧樹脂坯件與上陰模5和下陰模6組裝，然後採用吹塑工藝將組裝後的氫化環氧樹脂坯件在溫度為110°C，壓力為 0. 3MPa的條件下保壓lOmin，使氫化環氧樹脂坯件變形成芯模形狀，接著將保壓後的氫化環氧樹脂坯件採用氮氣吹拂後置於自來水中快速冷卻，最後脫模得到用於複合材料管件纏繞成型的形狀記憶聚合物芯模。
本實施例採用吹塑工藝整體成型，避免了工作量較大的人工組裝與拆卸工序，製作的形狀記憶聚合物芯模結構簡單，質量輕，比重小於1. 2g/cm3，約為金屬芯模比重的1/7， 砂芯模比重的1/3，並且芯模可重複使用，具有明顯的經濟效益。
採用本實施例製作的形狀記憶聚合物芯模製備複合材料管件，按照常規方法將複合材料纏繞至形狀記憶聚合物芯模上製備複合材料管件，然後將形狀記憶聚合物芯模加熱至120°C，芯模形狀即可回復至初始的圓筒狀，最後將形狀回復的芯模從複合材料管件的開口處取出。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明做任何限制，凡是根據發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。
權利要求
1.一種複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟步驟一、配製氫化環氧樹脂體系將氫化環氧樹脂、己二醇二縮水甘油醚和順丁烯二酸酐按0.5 1.0 0 0.4 2.0的摩爾比混合均勻後放入真空乾燥箱中，在溫度為50°C 60°C的條件下脫除氣泡5min 15min，得到氫化環氧樹脂體系；步驟二、製作氫化環氧樹脂坯件將步驟一中所述氫化環氧樹脂體系澆注至圓筒狀模具，然後將澆注後的模具置於烘箱中固化，冷卻至室溫後脫模得到氫化環氧樹脂坯件；步驟三、製作芯模根據所需芯模的形狀選擇芯模成型模具，將步驟二中所述氫化環氧樹脂坯件與芯模成型模具組裝，採用吹塑工藝將組裝後的氫化環氧樹脂坯件在溫度為 90°C 140°C，壓力為0. 2MPa 0. 6MPa的條件下保壓IOmin 20min，使氫化環氧樹脂坯件變形成芯模形狀，冷卻後脫模得到形狀記憶聚合物芯模。
2.根據權利要求1所述的複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法， 其特徵在於，步驟一中所述氫化環氧樹脂、己二醇二縮水甘油醚和順丁烯二酸酐的摩爾比為 0. 6 0. 9 0. 1 0. 3 2. 0。
3.根據權利要求1所述的複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法， 其特徵在於，步驟二中所述固化的制度為在溫度為60V 80°C的條件下固化 4h，然後在溫度為110°c 130°c的條件下固化 4h，最後在溫度為150°C 180°C的條件下固化 0. 5h 1. 5ho
4.根據權利要求1所述的複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法， 其特徵在於，步驟三中所述芯模成型模具採用分瓣陰模的形式，芯模成型模具內表面的形狀與所要製作的芯模外表面形狀相同。
5.根據權利要求1所述的複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法， 其特徵在於，步驟三中所述冷卻的方式為採用氮氣吹拂冷卻或採用自來水冷卻，或者為採用氮氣吹拂後再採用自來水冷卻。
全文摘要
本發明公開了一種複合材料構件纏繞成型用形狀記憶聚合物芯模的製作方法，該方法為一、將氫化環氧樹脂、己二醇二縮水甘油醚和順丁烯二酸酐按0.5～1.0∶0～0.4∶2.0的摩爾比混合均勻後放入真空乾燥箱脫除氣泡，得到氫化環氧樹脂體系；二、將氫化環氧樹脂體系澆注至圓筒狀模具，然後將澆注後的模具置於烘箱中固化，冷卻至室溫後脫模得到氫化環氧樹脂坯件；三、根據所需芯模的形狀選擇芯模成型模具，將氫化環氧樹脂坯件與芯模成型模具組裝，採用吹塑工藝使氫化環氧樹脂坯件變形成芯模形狀，然後冷卻，得到形狀記憶聚合物芯模。本發明製作的形狀記憶聚合物芯模成本低，效率高，可重複使用，製作周期短，脫模方便，具有明顯的經濟效益。
文檔編號B29C39/02GK102514132SQ20111044855
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者周偉江, 廖英強, 張世傑, 張曉虎, 張陽, 李鏘, 程勇, 高克洲 申請人:西安航天複合材料研究所