三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法及固化用的微波爐的製作方法

2023-06-09 21:17:46

三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法及固化用的微波爐的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法及採用的微波爐，固化方法：首先製成預成型體；再浸漬摻有吸波添加劑的樹脂膠液；預成型體中插入塗有脫模劑的高導熱透波陶瓷條；將預成型體固定在模具上，並安裝在微波爐內可翻轉的支架上，將微波爐通入氮氣或惰性氣體並保持合適的壓力；啟動微波爐對其中的預成型體進行均勻加熱，在氣嘴噴出的氮氣或惰性氣體作用下，葉輪帶動整個支架進行翻轉，實現樹脂在預成型體的分布及固化均勻；最終製備出複合材料製件。本發明同時採用正多邊形截面、保持複合材料構件旋轉且間歇翻轉、磁控管間歇加熱、多種升溫速率、均勻內置高導熱性元件這五種措施來協同控制，保證構件的均勻固化。
【專利說明】三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法及固化用的微波爐
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及三維間隔連體織物增強樹脂複合材料構件的加工方法及相配套的微波爐，本發明應用於加工三維間隔連體織物增強的樹脂基複合材料構件。
【背景技術】
[0003]輕量化是複合材料發展的重要趨勢，常用的輕質複合材料多為蜂窩夾芯結構和泡沫夾芯結構，這些夾芯結構複合材料具有良好的輕質高強特性，得到了大量的應用。然而傳統夾層結構複合材料都是採用膠接的方式將蒙皮與芯材複合，因此使用過程中常發生面層與芯材脫黏問題，特別是溼熱及紫外輻射環境下易導致其強度和剛度下降.三維間隔連體織物複合材料(國外稱之為三明治結構(3_d sandwich structure),三維中空織物)是一種新型的夾層結構紡織複合材料，其增強基材為三維機織整體中空織物，是利用特殊三維機織工藝，將纖維聯結成厚度方向具有纖維增強的特種織物，即織物的纖維面板與芯材交織聯結在一起，面板和芯材纖維為整體連接，中空織物經樹脂複合後直接形成三維整體中空結構。
[0004]整體中空複合材料與傳統夾層材料相比有四大優點:(I)面板和芯層一次成型，織造效率高。(2)克服了傳統的夾層材料如蜂窩、泡沫夾層複合材料易分層、不耐衝擊的弱點。(3)夾芯層空間可以為設置預埋件、監視探頭、光纖、導線等提供空間。(4)材料具有優良的保溫、隔熱性能。目前該種材料的使用範圍越來越廣，在很多行業已經能夠取代傳統蜂窩夾層結構複合材料。但在製造該種複合材料構件過程中仍然存在一些問題。比如，由於整體中空複合材料的面板(毛面)在複合過程中由於重力的作用使得樹脂流失現象比較嚴重，聚集的樹脂相對較少，一定程度影響了材料的拉伸和側向壓縮性能，如何改進樹脂體系，增強樹脂體系的觸變性，使毛面聚集更多的樹脂將是一個亟待解決的問題。此外，傳統方法製造三維間隔連體織物增強複合材料構件時構件的芯柱不容易保持直立，從而影響複合材料構件的力學性能；三維間隔連體織物增強複合材料構件厚度較厚時，傳統的熱爐加熱效率比較低，耗費時間長，加熱不均勻，導致固化不均勻。
[0005]
【發明內容】

本發明所要解決的技術問題是提供一種新穎的三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法，該方法在高壓氮氣或惰性氣體環境下以微波加熱並固化處於運動狀態的複合材料預成型體，提高了複合材料預製件的質量和性能。此外，本發明還提供了使複合材料預成型體非常方便地處於運動狀態的專用微波爐。
[0006]本發明所述的一種三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法，其包括以下步驟:
I)按照合適的尺寸裁剪三維間隔連體織物和面層用玻璃纖維布，並使面層用玻璃纖維布粘附在三維間隔連體織物上下兩側，形成預成型體。三維間隔連體織物包括玻璃纖維、玄武巖纖維或芳綸纖維等高透波纖維。
[0007]2)稱量預成型體的重量，配製相應重量的樹脂膠液，通過浸潰工藝實現樹脂膠液對預成型體的浸潰；浸潰工藝包括手糊工藝或真空輔助成工藝或協同使用手糊、真空輔助成工藝實現。
[0008]3)在浸潰透的預成型體中插入塗有脫模劑的高導熱透波陶瓷條，高導熱透波陶瓷條的上下表面與織物的上下面層保持接觸；保證浸潰樹脂後的織物的芯柱能夠在壓力環境下還能較好地直立，並能減小三維中空織物上下面板固化時的溫差。
[0009]4)將預成型體固定在模具上，並安裝在微波爐內可翻轉的支架上，將微波爐抽過真空後通入氮氣或惰性氣體並保持合適的壓力。
[0010]5)啟動微波爐對其中的預成型體進行均勻加熱。
[0011]6)加熱完成後，打開洩壓閥釋放罐體內壓力，將固化好的預成型體移出微波爐外冷卻，製備完成。
[0012]本發明採用在微波環境下固化樹脂，縮短了固化時間，加上翻轉支架的作用，改變樹脂在重力作用下的單向流動，減輕了上表面面板缺少樹脂呈現毛面而下表面面板富含樹脂呈現光面的現象。微波加熱是從複合材料構件內外同時加熱，該特性使得複合材料構件可以均勻固化，而且可以輕鬆高速效地加熱傳統熱爐很難加熱的大厚度製件。
[0013]在步驟2)配製樹脂膠液過程中，在膠液中添加重量為樹脂重量的0.5-2%的低密度高吸波率添加劑以提高微波對樹脂的加熱性能，並通過超聲振動確保添加劑在樹脂中分布均勻，之後再對樹脂進行脫氣。作為優選的材料，所述低密度高吸波率添加劑為磨碎的碳纖維或石墨纖維。
[0014]添加低密度高吸波率添加劑可以起到以下作用:
1.增加微波與複合材料的耦合，提高微波爐功率的利用率，可實現用較小的功率就能較快地加熱複合材料，從而實現加熱時間的縮短和能量的節省。
[0015]2.添加的是纖維顆粒(比較短的纖維)，比如碳纖維，不僅增加微波吸收率，而且幾乎不增加製件重量的情況，明顯改善製件的力學性能，如抗拉強度，壓縮強度，彎曲強度。
[0016]3.由於添加了纖維顆粒，縮短了固化時間，進一步減少了樹脂因重力作用向下流動的趨勢。
[0017]4.三維中空織物的材料，目前常用的是高透波性的無鹼性玻璃纖維，但也可以是芳綸纖維，玄武巖纖維，等其他纖維，只要是高透波性的纖維複合材料就可以添加吸波顆粒。
[0018]步驟3)中的高導熱透波陶瓷條為氧化鋁陶瓷條或氮化鋁陶瓷條，陶瓷元件的前端做成導引頭，稜邊需要倒圓角防止割斷纖維。
[0019]添加導熱元件可以起到以下作用:
1.由於存在導熱元件，使得微波加熱的均勻性改善，製件的力學性能也得到改善。
[0020]2.插入導熱元件後，由於支柱的支撐，使得織物的芯柱直立性好，直立性的好壞嚴重影響複合材料製件的力學性能，在織物的芯柱較高時，通過專門的方法來改善芯柱直立性是必須的，在用常規加熱的環境下固化時，已有人採取其他的方法來改善芯柱直立性，但效果沒有本發明好，此外，在常規加熱環境下是不能插入導熱元件的，因為會影響對流傳熱。
[0021]3.插入導熱元件使得織物增強樹脂複合材料能夠在較高的壓力下固化，特別是製件工作時對力學性能要求較高時，需要在三維連體織物增強的複合材料上鋪放額外的層合板，此時如果採用的是傳統加熱方式固化，是不能將它們同時固化的，因為如果同時固化，織物的芯柱會因重力作用被壓，直立性肯定不好。因此，如果想改善物的芯柱直立性，一般需要先固化中間的三維連體織物樹脂複合材料，然後在它的上、下兩面分別鋪放層合板，最後再固化，然而這樣分兩步比較費時間，也不能在太大的壓力環境下固化，所以目前沒有在常規加熱環境下高壓固化帶有額外面板層的連體織物增強樹脂複合材料的應用。而在微波加熱環境下，添加導熱元件，就可以實現在三維連體織物增強的複合材料以及鋪放的額外層合板的同時共固化，這樣節省生產時間.更重要的是添加導熱元件後，整個製件可在高壓下固化，這樣會使得額外面板鋪層與三維連體織物的結合層的結合強度更好，不容易分層，從而導致整個製件的力學性能更好。
[0022]步驟4)中微波爐的氣壓不低於0.1MPa。
[0023]步驟5)的加熱過程中使支架間歇翻轉，實現樹脂在預成型體的分布及固化均勻。
[0024]步驟5)中微波爐加熱過程中，保證微波爐中的磁控管按照設定的溫度時間曲線間歇地工作，溫度時間曲線包括在升溫加熱階段至少採用兩種不同升溫速率進行加熱，初始階段以較高的速率進行加熱，在第二階段以較低的升溫速率加熱。
[0025]此外，本發明還提供了 一種用於製造三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的微波爐，其特徵在於，所述微波爐包括由型腔壁圍成的殼體，在殼體內設有一旋轉軸，旋轉軸上安裝轉盤，轉盤上對稱設置兩個支架，兩個支架上支承著用於安裝模具的模具固定板，模具是用來安裝三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料預成型體的，模具固定板兩側的耳軸延伸出支架，並在延伸出的耳軸上分別安裝葉輪，對應葉輪的位置在殼體的型腔壁設有用於噴入氮氣或惰性氣體的氣嘴。
[0026]在氣嘴噴出的氮氣或惰性氣體作用下，葉輪帶動整個支架進行翻轉，葉輪可以有多種形式，只要能在氣體的作用下能夠帶動模具固定板翻轉就可。整個翻轉支架安裝在旋轉的轉盤上，在微波爐加熱時，翻轉支架能跟隨轉盤一起轉動。
[0027]所述支架上所有部件採用高透波高比強的輕質材料製成。比如玻璃纖維增強聚四氟乙烯等。微波爐的殼體優選為正多邊形。
[0028]有益效果:
1、本發明在高壓惰性氣體環境下採用功率線形可調的微波磁控管以間歇、多個升溫速率方式加熱固化放在處於運動狀態的輕質模具上的複合材料預製件，提高了構件的質量和性能。
[0029]2、本發明可以成型高性能、尺寸穩定性好、幾何精度高的三維間隔連體纖維織物增強樹脂基複合材料構件，與傳統的熱固化複合材料構件工藝相比縮短了時間，減少了能
量消耗。
[0030]3、本發明採用了添加高透波、高導熱陶瓷來保持三維間隔連體纖維織物芯柱的直立性，改善了複合材料構件固化的均勻性，最終提高了三維間隔連體纖維織物增強複合材料的力學性能. 4、本發明在具有一定壓力的密閉環境下製造三維間隔連體纖維織物增強複合材料，與常規的大氣壓力環境下製造三維間隔連體纖維織物增強複合材料相比，帶有額外面板的三維間隔連體纖維織增強複合材料製件抗分層性能更好，製件更密實，保持了熱壓罐固化複合材料構件所具有的高密實性和高力學性能，解決了常壓環境下微波固化複合材料構件容易產生大量氣孔而影響力學性能的問題。
[0031]5、本發明同時採用正多邊形截面、保持複合材料構件旋轉及間歇翻轉、磁控管間歇加熱、多種升溫速率、高導熱性元件這五種措施來協同控制三維間隔連體纖維織物增強複合材料構件內部的溫度均勻性，保證構件的均勻固化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本發明的正多邊形諧振腔結構示意圖；圖中I型腔壁，2旋轉軸，3轉盤，4支架，5模具固定板，6葉輪，7氣嘴。
[0033]圖2是本發明加工的三維間隔連體纖維織物增強複合材料示意圖；圖中11額外面板，12三維間隔連體纖維織物，13額外面板，14導熱支撐元件。
【具體實施方式】
[0034]如圖1所示，本發明中的用於製造三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的微波爐，包括由型腔壁I圍成的殼體，殼體為正多邊形截面。在殼體內設有一旋轉軸2，旋轉軸上安裝轉盤3，轉盤3上對稱設置兩個支架4，兩個支架4上支承著用於安裝模具的模具固定板5，模具是用來安裝三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料預成型體的，模具固定板5兩側的耳軸延伸出支架4，並在延伸出的耳軸上分別安裝葉輪6，對應葉輪的位置在殼體的型腔壁I設有用於噴入氮氣或惰性氣體的氣嘴7。
[0035]本發明固化方法包括以下步驟:
1)按照合適的尺寸裁剪玻璃三維間隔連體織物12和面層用玻璃纖維布11，13，並使面層用玻璃纖維布11，13粘附在玻璃三維間隔連體織物12上下兩側，形成預成型體；
2)稱量玻璃纖維預成型體的重量，配製相應重量的樹脂膠液，在配製樹脂膠液過程中，在膠液中添加重量為樹脂重量的0.5-2%的磨碎的碳纖維，並通過超聲振動確保添加劑在樹脂中分布均勻，之後再對樹脂進行脫氣。再後，通過浸潰工藝實現樹脂膠液對預成型體的浸潰；
3)在浸潰透的預成型體中插入塗有脫模劑的高導熱透波陶瓷條14，高導熱透波陶瓷條14的上下表面與織物的上下面層保持接觸，高導熱透波陶瓷條為氧化鋁陶瓷條或化鋁陶瓷條，陶瓷元件的前端做成導引頭，稜邊需要倒圓角防止割斷纖維。
[0036]4)將預成型體固定在模具上，並安裝在微波爐內可翻轉的支架上，將微波爐抽過真空後通入氮氣或惰性氣體並保持不低於0.1MPa的壓力；
5)啟動微波爐對其中的預成型體進行均勻加熱；加熱過程中使支架間歇翻轉，實現樹脂在預成型體的分布及固化均勻。微波爐加熱過程中，保證微波爐中的磁控管按照設定的溫度時間曲線間歇地工作，溫度時間曲線包括在升溫加熱階段至少採用兩種不同升溫速率進行加熱，初始階段以較高的速率進行加熱，在第二階段以較低的升溫速率加熱。
[0037]6)加熱完成後，打開洩壓閥釋放罐體內壓力，將固化好的預成型體移出微波爐外冷卻，製備完成。
[0038]本發明具體應用途徑很多，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法，其特徵在於包括以下步驟: 1)按照合適的尺寸裁剪三維間隔連體織物(12)和面層用玻璃纖維布(11，13)，並使面層用玻璃纖維布(11，13)粘附在三維間隔連體織物(12)上下兩側，形成預成型體； 2)稱量預成型體的重量，配製相應重量的樹脂膠液，通過浸潰工藝實現樹脂膠液對預成型體的浸潰； 3)在浸潰透的預成型體中插入塗有脫模劑的高導熱透波陶瓷條，高導熱透波陶瓷條的上下表面與織物的上下面層保持接觸，； 4)將預成型體固定在模具上，並安裝在微波爐內可翻轉的支架上，將微波爐抽成真空後通入氮氣或惰性氣體並保持合適的壓力； 5)啟動微波爐對其中的預成型體進行均勻加熱； 6)加熱完成後，打開洩壓閥釋放罐體內壓力，將固化好的預成型體移出微波爐外冷卻，製備完成。
2.根據權利要求1所述的三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法，其特徵在於，在步驟2)配製樹脂膠液過程中，在膠液中添加重量為樹脂重量的0.5-2%的低密度高強度高吸波率添加劑，並通過超聲振動確保添加劑在樹脂中分布均勻，之後再對樹脂進行脫氣。
3.根據權利要求2所述的三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法，其特徵在於，所述低密度高強度高吸波率添加劑為磨碎的碳纖維或石墨纖維。
4.根據權利要求1、2或3所述的三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法，其特徵在於，步驟3)中的高導熱透波陶瓷條為氧化鋁陶瓷條或氮化鋁陶瓷條，陶瓷元件的前端做成導引頭，稜邊需要倒圓角防止割斷纖維。
5.根據權利要求1、2或3所述的三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法，其特徵在於，步驟4)中微波爐的氣壓不低於0.1MPa0
6.根據權利要求1、2或3所述的三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法，其特徵在於，步驟5)的加熱過程中使支架間歇翻轉，實現樹脂在預成型體的分布及固化均勻。
7.根據權利要求1、2或3所述的三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的固化方法，其特徵在於，所述步驟5)中微波爐加熱過程中，保證微波爐中的磁控管按照設定的溫度時間曲線間歇地工作，溫度時間曲線包括在升溫加熱階段至少採用兩種不同升溫速率進行加熱，初始階段以較高的速率進行加熱，在第二階段以較低的升溫速率加熱。
8.一種用於製造三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的微波爐，其特徵在於，所述微波爐包括由型腔壁(I)圍成的殼體，在殼體內設有一旋轉軸(2)，旋轉軸上安裝轉盤(3)，轉盤(3)上對稱設置兩個支架(4)，兩個支架(4)上支承著用於安裝模具的模具固定板(5)，模具是用來安裝三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料預成型體的，模具固定板(5)兩側的耳軸延伸出支架(4)，並在延伸出的耳軸上分別安裝葉輪(6)，對應葉輪的位置在殼體的型腔壁(I)設有用於噴入氮氣或惰性氣體的氣嘴(7)。
9.根據權利要求8所述的用於製造三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的微波爐，其特徵在於，所述支架上所有部件採用高透波高比強的輕質材料製成。
10.根據權利要求8或9所述的用於製造三維間隔連體織物增強樹脂基複合材料的微波爐，其特徵在於，微波爐 的殼體為正多邊形。
【文檔編號】B29C70/44GK103991225SQ201410187547
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】袁鐵軍, 周來水, 鄭偉鋒, 譚昌柏, 安魯陵, 蔣麒麟, 徐永坤, 張桂書 申請人:南京航空航天大學