一種複合材料真空輔助成型工藝方法

2023-04-23 15:01:41

專利名稱：一種複合材料真空輔助成型工藝方法
技術領域：
本發明屬於複合材料成型工藝技術領域，涉及真空輔助成型工藝技術，特別涉及用於提高真空輔助成型製品的內部和表面質量的方法。
背景技術：
真空輔助成型工藝是一種僅利用真空負壓作為動力實現樹脂導入、纖維浸漬、樹脂固化的複合材料成型工藝。以真空負壓作為動力，通過預設的樹脂流動通道，將樹脂吸入布設在真空袋內的預製件內，實現樹脂對纖維的浸潤，在不需要額外施加壓力的條件下固化成型。在諸多影響真空輔助成型複合材料製品質量的因素中，樹脂流動控制系統和真空排氣系統的設計與模式，對製品的內在質量具有重要影響。
在樹脂流動控制系統中，導流結構是影響成型質量的關鍵因素。通常採用的方法有兩種，一是在預製件表面鋪放樹脂導流介質，樹脂沿導流介質迅速充滿其表面，在負壓作用下浸漬預製件，使用該方法進行大面積製件加工，在樹脂尚未完成對預製件的完全浸漬時，樹脂便沿流動阻力較小的預製件邊緣直接進入排氣通道造成樹脂短路，製品成型後在內部產生孔隙、幹斑等質量缺陷。另一種方法是在模具表面按一定的方式設計加工出大量尺寸不等的網狀導流槽，形成主、支流道作為樹脂的流動通道，在模具和預製件之間鋪放樹脂導流介質，使樹脂迅速充滿靠近模具的預製件表面，然後樹脂從下表面自下而上浸漬預製件，使用該方法進行大厚度製件加工，雖可以有效改善樹脂短路問題，但由於樹脂流道凹陷，在複合材料表面易產生槽痕等缺陷影響產品外觀質量。
在真空排氣系統中，常用的工藝方法是將真空嘴放置在預製件的邊角位置，抽空排出預製件內的氣體，在負壓作用下，實現樹脂對預製件的快速浸漬。
針對大尺寸複合材料製件，中國專利01120577.6提出了一種真空滲透成型工藝，將注膠嘴改為注膠管，解決了大尺寸製件寬度方向上樹脂的流動問題，有效改善了複合材料的內部及外觀質量。
針對大厚度複合材料製件，中國專利01120575.x提出了一種真空滲透成型工藝，將排氣通道由僅設在預製件的邊角位置，改為在與注膠嘴相對的方向並在複合材料預製件的上部增設排氣通道，有效降低了大厚度製件的孔隙率和幹斑缺陷，改善了複合材料的內部及外觀質量。
上述兩項專利公開的工藝方法，對於減輕成型製品內部及表面缺陷，改善成型質量具有一定的作用，但是沒有克服在採用上述成型工藝進行複合材料製品成型時，由於樹脂流動狀態不易控制而產生的樹脂短路現象。樹脂短路易使複合材料預製件內夾裹氣泡而產生孔隙、幹斑等質量缺陷，影響了產品質量的穩定性，嚴重時甚至導致成型失敗，工藝的可靠性不高。

發明內容
本發明針對真空輔助成型技術存在的問題，提出了一種經濟有效的真空輔助成型方法，在基本不增加工藝成本和工裝投入的前提下，有效提高成型工藝的可靠性，顯著改善複合材料製品的質量。
本發明涉及的成型工藝方法(基本結構示意於附圖1)以通用的真空輔助成型方法為基礎，包括在單面模具1上依次鋪放下層脫模布3、預製件4、上層脫模布5及樹脂導流系統6，樹脂導流系統6連接預製件4和注膠系統7，在遠離注膠系統的方向設置排氣口9，用真空袋2將整個系統密封，抽空使樹脂在負壓下作用下通過注膠系統7沿樹脂導流系統6迅速分布，實現樹脂對預製件4的浸潤。本發明的特點在於在預製件4上方不設置注膠系統7的方向上設置樹脂阻流區8——即上層脫模布5、樹脂導流系統6沿預製件4的邊沿向鋪層中心縮進一段距離，在接近預製件4的邊緣部分，預製件4表面無導流系統，降低樹脂在流程接近尾聲時的流動速度，避免由於樹脂流動速度過快直接進入排氣口9產生樹脂短路造成製品缺陷，確保在預製件4有效區域內實現樹脂對纖維的完全、良好浸漬。
樹脂阻流區8的設置方式靈活多樣，可以直接在預製件4上設置，也可以緊靠預製件4邊緣單獨鋪設纖維織物實現，樹脂阻流區8的厚度可以小於預製件4的厚度。根據樹脂注入方式的不同，可以在預製件4表面遠離注膠系統7的方向上設置阻流區8，也可在除樹脂注入系統7以外的任何方向上設置樹脂阻流區8。樹脂阻流區8的寬度與被成型製品的結構、尺寸、厚度有關，結構簡單、厚度薄、尺寸小的製品所需樹脂阻流區8的寬度小，結構複雜、厚度大、尺寸大的製品所需樹脂阻流區8的寬度大。一般情況下，樹脂阻流區8的寬度不小於製件的厚度，樹脂阻流區8的寬度不得小於10mm。
本發明採用的樹脂導流系統6由單層或多層導流介質構成，對於結構簡單的小尺寸製品，通過篩選導流介質網格結構，鋪設單層導流介質即可滿足工藝要求，對於結構複雜的大型製品，樹脂流程長、影響因素複雜，單層導流介質對樹脂流動的導引作用不足以滿足製品成型要求，可採用多層導流介質(一般兩層即可達到設計要求，必要時可鋪設三層或三層以上導流介質)的協同作用，實現對樹脂流程的有效導引和對樹脂流動狀態、路線的有效控制，在要求樹脂優先流到或難以流到的部位，鋪設多層樹脂導流介質，在部分表面形成雙層甚至多層導流通道，樹脂在雙層(或多層)導流通道中的流動速度較在單層導流介質中的流動速度顯著加快，實現樹脂對預製件4的依次浸漬，對複雜製品的工藝穩定性和製品內在質量的改善和提高具有顯著效果。
附圖2給出樹脂導流系統6採用雙層導流介質的一種鋪放結構，在預製件4上依次鋪放脫模布5、下層樹脂導流介質13、上層樹脂導流介質(類似三角形)14，上層樹脂導流介質14對頂鋪放在下層樹脂導流介質13上，不與預製件4相接觸，在預製件4上鋪有上層樹脂導流介質14的邊緣同時設置注膠系統7，注膠系統7由注膠口11和注膠管路12組成，注膠管路12布設在上層樹脂導流介質14上，在不設置注膠管路的方向設置樹脂阻流區8。
上層樹脂導流介質14為類似三角形的結構，具有一條接近直線(或直線)的底邊和一個尖頂，兩邊可以是直線也可以是曲線，頂角一般小於90°，兩塊對頂鋪放。類似三角形的底邊與注膠管路12在預製件4上鋪設形狀一致或接近，長度與注膠管路12的長度相當，高度以兩尖接觸為宜，結構原則以為樹脂提供對稱流動通道為目的，儘量對稱設置。
對於結構複雜製品，應根據製品的結構形式，設計不同的上層導流介質結構，通過多層導流介質的複合，實現樹脂的預期流動。
在排氣系統中，本發明採用在預製件邊緣鋪設排氣通道的方法使傳統工藝中的「點」排氣變為「線型」排氣，通過調整氣路結構，實現樹脂的穩定、有序流動和對真空袋2內氣體的快速有效排放。在預製件4上遠離注膠系統的邊緣以搭接方式鋪設排氣通道10(結構示意於附圖3)，排氣通道10和樹脂導流系統6之間留足樹脂阻流區8，排氣通道10連接預製件4和居中設置的排氣口9，排氣口9通過排氣通道10快速有效地排出真空袋2內的氣體。
排氣通道10與預製件4的邊緣部分搭接，搭接尺寸以保證排氣通道10與預製件4在全部搭接邊緣均實現有效搭接為準，搭接寬度一般在10mm～400mm之間。
排氣通道10採用透氣性材料，具有與預製件4對應邊緣相協調的長條形結構。長度不大於同方向上導流系統6的尺寸，寬度不小於10mm。當預製件4尺寸較大時，根據實際情況可均勻對稱布置多個排氣口9(結構示意於附圖4)。
採用上述技術方案，通過多層導流介質實現對樹脂流動狀況的有效控制，通過線型排氣通道和對稱設置的排氣口，保證預製件內的氣體被快速有效排出，有效避免由於樹脂短路現象引發的預製件內裹進氣泡產生幹斑現象，實現樹脂對預製件有效區域的完全、良好浸漬，提高成型過程的可靠性，對製品進行檢驗發現，製品厚度均勻，外觀良好，製品內部無孔隙、幹斑等質量缺陷，成型成功率達到99％以上。
採用本發明涉及的工藝方法，無需在模具上加工導流槽或者真空通道，節省模具製造成本，具有一定的經濟性；採用本發明涉及的工藝方法，對成型工裝沒有特殊要求，輔材消耗低，經濟性好，同時可有效避免樹脂流入排氣通道，汙染工裝設備。


附圖1 一種複合材料真空輔助成型工藝方法的基本結構示意圖附圖2 一種雙層導流介質鋪放結構示意圖附圖3 一種線型排氣系統結構示意圖附圖4 另一種線型排氣結構示意圖附圖5 實施例一採用工藝方法結構示意圖附圖6 實施例二採用工藝方法結構示意圖具體實施方式
下面將結合實施例對本發明作進一步說明。實施例僅對發明內容作進一步說明，不作為對發明內容的限制。
實施例一製備一塊尺寸為400mm×300mm×10mm玻璃纖維增強複合材料平板原材料預製件採用面密度為400的玻璃纖維織物製備；樹脂體系196#聚酯樹脂100份；過氧化甲乙酮1份；環烷酸鈷1份；脫模布3採用0.1mm厚的聚四氟乙烯玻纖布；脫模布5採用0.08mm厚的聚酯薄膜；網狀樹脂導流介質13採用40目編織網格布；排氣通道10採用60目的編織網格布；成型過程各層鋪放結構示意於附圖5。將纖維增強織物剪裁成420mm×310mm的布片若干，製成預製件4，準備420mm×310mm脫模布3一塊，400mm×300mm的脫模布5和網狀樹脂導流介質13各一塊，300mm×100mm排氣通道10一塊。
在平面模板1上，依次鋪放脫模布3、預製件4，在纖維預製件4上表面靠短邊居中依次鋪放脫模布5和樹脂導流介質13，在邊緣鋪放樹脂分配管路12，在樹脂分配管路12中間連接樹脂注入嘴11；在樹脂分配管路12的對邊沿預製件邊緣鋪放排氣通道10，排氣通道10與預製件4搭接10mm，在排氣通道10的中間位置安放排氣口9，用真空袋2密封以上系統，並將排氣口9及樹脂注入嘴11與外部對應系統連接。對上述密封系統按普通成型方式進行抽空，注膠，樹脂凝膠後停止抽真空，常溫固化1小時。經檢驗，製得的板材纖維體積含量50％以上，厚度均勻，製品內部無空隙、幹斑等質量缺陷，製品外觀質量良好。
實施例二製備一塊尺寸為4000mm×2000mm×25mm玻璃纖維增強複合材料平板所用原材料同實施例一。
成型過程成型過程各層鋪放結構示意於附圖6。將纖維增強織物剪裁成4100mm×2100mm的布片若干，製成預製件4，準備4100mm×2100mm脫模布3一塊，4000mm×2100mm的脫模布5和網狀樹脂導流介質13各一塊，外形尺寸為底×高＝4000mm×1050mm的三角形網狀樹脂導流介質14兩塊，500mm×200mm排氣通道10兩塊。
在平面模板1上，依次鋪放脫模布3、預製件4，在預製件4上依次居中鋪放脫模布5和下層樹脂導流介質13，在下層樹脂導流介質區域內，對頂鋪放三角形上層樹脂導流介質14；在上層樹脂導流介質14上沿預製件4寬度方向，在邊緣鋪放樹脂分配管路12，在樹脂分配管路12中間連接樹脂注入嘴11；在預製件4長度方向上，沿預製件4邊緣兩邊各居中鋪放一組排氣通道10，排氣通道10與預製件4搭接20mm，在排氣通道10上遠離預製件4的位置居中對稱各安放一個排氣口9，用真空袋2密封以上系統，並將排氣口9及樹脂注入嘴11與外部對應系統連接。對上述密封系統按普通成型方式進行抽空，注膠，固化。經檢驗，製得的板材纖維體積含量50％以上，厚度均勻，製品內部無空隙、幹斑等質量缺陷，製品外觀質量良好。
權利要求
1.一種複合材料製品的真空輔助成型工藝方法，包括單面模具(1)、在模具上依次鋪放的預製件(4)、脫模布(5)、樹脂導流系統(6)，以及在成型過程中的工藝裝備包括注膠系統(7)，排氣口(9)和用於系統密封的真空袋(2)，其特徵在於在樹脂注入系統中，在除樹脂注入端以外的其它方向上，設置樹脂阻流區(8)。
2.如權利要求1所述複合材料製品的真空輔助成型工藝方法，其特徵是樹脂阻流區(8)的寬度不小於製件的厚度。
3.如權利要求1所述複合材料製品的真空輔助成型工藝方法，其特徵是樹脂阻流區(8)的寬度不小於10mm。
4.如權利要求1所述複合材料製品的真空輔助成型工藝方法，其特徵是排氣口(9)與預製件(4)通過排氣通道(10)連接，預製件(4)的邊緣與排氣通道(10)搭接。
5.如權利要求4所述的複合材料製品的真空輔助成型工藝方法，其特徵是排氣通道(10)具有與預製件(4)對應邊緣相協調的長條形結構，長度不大於同方向上導流系統(6)的尺寸，寬度不小於10mm。
6.如權利要求4所述的複合材料製品的真空輔助成型工藝方法，其特徵是預製件(4)的邊緣與排氣通道(10)的搭接寬度為10mm～400mm。
7.如權利要求1所述的複合材料製品的真空輔助成型工藝方法，其特徵是樹脂導流系統(6)採用多層導流介質疊合鋪放形式。
8.如權利要求7所述的複合材料製品的真空輔助成型工藝方法，其特徵是樹脂導流系統(6)採用雙層導流介質疊合結構，由下層導流介質(13)、上層導流介質(14)疊和構成，上層導流介質(14)不與預製件(4)接觸。
9.如權利要求8所述的複合材料製品的真空輔助成型工藝方法，其特徵是上層導流介質(14)為類似三角形結構，具有一條接近直線(含直線)的底邊和頂角小於90°的尖頂，兩塊導流介質(14)對頂鋪放，點接觸。
全文摘要
本發明屬於複合材料成型工藝技術領域，涉及真空輔助成型工藝技術，特別涉及用於提高真空輔助成型製品的內部和表面質量的方法。本發明涉及的工藝方法基本要求與傳統工藝相同，本發明的顯著特點在於採用在預製件邊緣設置樹脂剎閘區的方法，降低樹脂在製件邊緣的流動速度，實現樹脂對預製件的完全良好浸漬；通過在排氣系統中設置排氣通道的方法，使傳統工藝中的「點」排氣結構變為「線型」排氣結構，通過氣路結構調整，實現對真空袋內氣體的快速有效排放；根據被成型製品的結構，設計樹脂導流介質多層疊和鋪放結構，實現對樹脂的流動狀態的有效控制，從而提高複雜製品成型工藝的可靠性和產品質量。本發明涉及的工藝方法，輔材消耗低，經濟性好，同時可有效避免樹脂流入排氣通道，汙染工裝設備。
文檔編號B29C70/48GK1554531SQ20031011449
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月19日 優先權日2003年12月19日
發明者鄭威, 張銳, 袁秀梅, 高泉喜, 王昭亮, 鄭 威 申請人:中國兵器工業集團第五三研究所