一種聚合物基復合材料的成型裝置及成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復合材料的制備裝置及方法，尤其涉及一種聚合物基復合材料的成型裝置及成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聚合物基復合材料因其具有高比強度、高比模量、性能可設(shè)計和輕質(zhì)高強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、能源和軌道交通等領(lǐng)域。制備是最終實現(xiàn)復合材料優(yōu)越性能的關(guān)鍵，為此國內(nèi)外學者開發(fā)了一系列復合材料制備技術(shù)，典型的有手糊工藝、模壓工藝、熱壓罐工藝、纏繞工藝、拉擠工藝、自動鋪絲/鋪帶技術(shù)和液相成型技術(shù)等。熱壓罐和自動鋪絲/鋪帶技術(shù)屬于預(yù)浸料成型技術(shù):纖維預(yù)先浸漬，浸漬充分，分布均勻，制備的復合材料質(zhì)量穩(wěn)定性高，缺點是價格昂貴。液相成型技術(shù)是一種低成本復合材料制備技術(shù)，其原理是將液態(tài)樹脂體系注入鋪放好纖維增強材料預(yù)成型體(簡稱增強體)的閉合成型模腔中，或加熱熔化預(yù)先放入模腔內(nèi)的樹脂膜，樹脂膠液流動浸潤模腔中的增強材料和排除模腔中的氣體，浸潤完成后固化成型得到復合材料制品的一類制備工藝。液相成型技術(shù)是一種低成本的先進復合材料成型工藝，可一步浸漬成型帶有夾芯、加筋和預(yù)埋件的大型復合材料構(gòu)件，可按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計和鋪放增強材料，具有高性能、低成本的制造優(yōu)勢。常見的液相成型技術(shù)主要有樹脂膜恪滲工藝(Resin Film Infus1n, RFI)、樹脂傳遞模塑工藝(Resin TransferMolding, RTM)和真空導入模塑工藝(VIMP，Vacuum Infus1n Molding Process)。
[0003]液相成型技術(shù)雖然具有高性能、低成本的制造優(yōu)勢，但制備過程中產(chǎn)生的氣泡難以脫除，容易導致復合材料制品缺陷。除此之外，目前典型的幾種液相成型技術(shù)還存在自身不足的缺點:(1)RFI工藝需要加熱熔滲和特殊的樹脂膜，且只能制備單面光滑的復合材料制品；(2)RTM (其工藝流程如圖5所示)工藝能夠制備雙面光滑的復合材料制品，但難以保證樹脂充分浸潤增強材料和避免氣泡缺陷；(3) VIMP工藝利用真空負壓灌注樹脂，極限灌注壓力不可能超過一個大氣壓，因而樹脂的灌注速度以及樹脂對增強材料的浸潤效果都會受到限制，而且只能制備單面光滑的復合材料制品。
[0004]為了實現(xiàn)制備低成本化，有效避免制備過程中的氣泡缺陷，獲得質(zhì)量穩(wěn)定、浸漬充分、纖維分布均勻和雙面表面光滑的高性能復合材料制品，開發(fā)和研制新的液相成型技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服以上【背景技術(shù)】中提到的不足和缺陷，提供一種能夠有效避免氣泡缺陷、成本低、質(zhì)量穩(wěn)定均勻、一步整體成型、工藝效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好的聚合物基復合材料構(gòu)件的制備方法及成型裝置，該制備方法能夠?qū)崟r排出制備過程中產(chǎn)生的氣泡，制備出浸漬充分、纖維分布均勻、而且雙表面光滑的高性能復合材料制品。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種聚合物基復合材料的成型裝置，包括注射系統(tǒng)、模具系統(tǒng)和真空系統(tǒng)，所述模具系統(tǒng)包括成型模具、半透模腔和袋膜模腔，所述成型模具包括陰模、陽模和成型模腔，所述成型模腔上、下端分別設(shè)有出膠口、注膠口 ；所述注膠口連接成型模腔與注射系統(tǒng)，所述出膠口連接成型模腔與半透模腔，所述半透模腔被袋膜模腔包裹，并通過氣體通道與真空系統(tǒng)連接；所述半透模腔采用半透膜I和密封膠帶I封裝，所述半透膜I為氣體能夠透過但樹脂膠液不能透過的薄膜(例如上海賽贏實業(yè)有限公司半透膜L100m/Wl.47m)。(該薄膜材料一般為兩層結(jié)構(gòu)，屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員可以市購和常規(guī)選擇的產(chǎn)品)。
[0007]在出膠口所在模具面上，采用柔性半透膜和密封膠帶封裝，得到出膠口模具面-半透膜-密封膠帶形成的半透模腔，半透模腔與成型模腔相通，聯(lián)通通道即為出膠口。在相同的出膠口模具面上，半透模腔外圍，采用真空袋膜和密封膠帶封裝，得到出膠口模具面-真空袋膜-密封膠帶形成的袋膜模腔，包裹半透模腔。所述袋膜模腔與半透模腔之間為半透膜，半透膜能夠透過氣體，因此，成型模腔、半透模腔和袋膜模腔形成的總模腔之間氣道相通。
[0008]上述的成型裝置中，優(yōu)選的，所述真空系統(tǒng)包括真空泵和連接管，所述注膠口下端設(shè)有一帶閥門接頭IV，所述帶閥門接頭IV與真空泵的連接管路上設(shè)有半透性閥門接頭，所述半透性閥門接頭為氣體能透過但樹脂膠液不能透過的帶閥門的連接接頭，由內(nèi)至外分別包括透氣氈、半透膜I1、密封膠帶II與剛性外套。
[0009]所述真空袋膜和密封膠帶I (例如上海瀝高科技股份有限公司真空袋膜R90HA)、密封膠帶II (例如上海瀝高科技股份有限公司密封膠帶LG1502W)為制備用輔助材料，屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員可以市購和常規(guī)選擇的產(chǎn)品。
[0010]上述的成型裝置中，優(yōu)選的，所述注射系統(tǒng)包括靜力壓滲裝置與儲膠罐，所述靜力壓滲裝置包括高壓氣瓶與調(diào)壓連接接頭，所述儲膠罐上端與調(diào)壓連接接頭的連接管路上設(shè)有帶閥門接頭II ;所述儲膠罐上、下端的連接管路(耐壓連接管)由液面計連通，(所述液面計是根據(jù)連通器原理設(shè)置在儲膠罐上與儲膠罐連通的透明連通管，連通管內(nèi)樹脂膠液的液面與儲膠罐內(nèi)樹脂膠液的液面平齊)。
[0011]上述的成型裝置中，優(yōu)選的，所述儲膠罐下端有一帶閥門接頭III，所述帶閥門接頭III與帶閥門接頭IV之間的連接管路上設(shè)有帶閥門接頭V，所述氣體通道與真空泵之間的連接管路上設(shè)有帶閥門接頭I，所述半透性閥門接頭與真空泵之間的連接管路上設(shè)有帶閥門接頭VI ;所述陰模和陽模均為剛性模具，所述儲膠罐由金屬制成，所述高壓氣瓶為高壓氮氣瓶。(陰模、陽模的形狀、大小依據(jù)制品進行設(shè)計、加工，陰、陽模具都是剛性模具時，制備的復合材料制品具有雙面光滑的優(yōu)點。)
作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種利用上述成型裝置制備成型聚合物基復合材料的方法，包括以下步驟:
(I)打磨成型模具表面，涂覆脫模劑或脫模蠟(根據(jù)復合材料制品表面光潔度的要求，修整和將模具表面打磨光滑，清理干凈，涂覆封孔劑，然后涂覆脫模劑或脫模蠟，完成模具準備。)；剪裁增強材料(按制品結(jié)構(gòu)和性能要求裁剪纖維、織物等增強材料，并進行烘干處理、稱重和記錄。所述增強材料是指在聚合物基復合材料中起主要承載作用的成份，通常是各種纖維及其織物，例如玻璃纖維、碳纖維和石英纖維等。)；選擇基體樹脂體系，測試樹脂體系的粘度、凝膠時間和樹脂用量；(測試樹脂體系的粘度-溫度特性曲線、粘度-時間特性曲線和凝膠時間，確定其工藝操作窗口(溫度和時間)；根據(jù)設(shè)計的纖維體積分數(shù)和上述稱量的增強材料重量，計算和確定樹脂膠液的用量。所述樹脂體系是指各種高分子聚合物，通常由樹脂和固化劑、添加劑等成份組成，例如不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等)；
(2)采用有限元分析軟件(商用ANSYS或ABQUS軟件平臺)對復合材料構(gòu)件的鋪層結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)鋪層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，在成型模具內(nèi)進行鋪層、縫合、纏繞、編織處理，制備得到纖維預(yù)成型體，(所述纖維預(yù)成型體由干態(tài)纖維增強材料鋪放、構(gòu)筑而成，初步具有最終制品的結(jié)構(gòu)和形狀，樹脂膠液將其浸潤后、固化即可得到復合材料制品)。纖維預(yù)成型體制備完成后，進行陰、陽模具系統(tǒng)的合模和裝配，使纖維預(yù)成型體恰好置于閉合成型模腔中，關(guān)閉帶閥門接頭IV，密封成型模具的模腔、半透模腔與袋膜模腔，連接真空泵，打開帶閥門接頭I，關(guān)閉帶閥門接頭VI，抽真空，檢驗氣密性；
(3)真空吸滲:混配樹脂膠液，攪拌均勻后注入儲膠罐，抽真空，依次打開帶閥門接頭II1、V和IV，利用真空吸力將樹脂膠液注入成型模具的模腔，浸漬所述纖維預(yù)成型體；
(4)半透真空脫泡:樹脂膠液注射完成后，關(guān)閉帶閥門接頭IV和帶閥門接頭V，繼續(xù)保持抽真空，排出模腔內(nèi)樹脂膠液中的氣泡；
(5)循環(huán)浸漬:所述半透真空脫泡后，關(guān)閉真空泵，打開抽氣口與大氣相通，采用半透性閥門接頭連接注膠口和真空泵，打開帶閥門接頭IV和帶閥門接頭VI，開啟真空泵抽真空，利用樹脂自身重力和真空吸力使樹脂膠液向下回流浸潤纖維預(yù)成型體；
(6)關(guān)閉帶閥門接頭IV和帶閥門接頭VI，連接氣體通道與真空泵，開啟真空泵吸滲樹脂膠液，使樹脂膠液向上浸潤纖維預(yù)成型體；
(7)重復步驟(5)、(6)，反復循環(huán)浸潤纖維增強材料，具體循環(huán)次數(shù)根據(jù)樹脂體系凝膠時間確定；
(8)再脫泡:所述循環(huán)浸漬完成后，關(guān)閉帶閥門接頭IV和帶閥門接頭VK20)，保持抽真空狀態(tài)，排出模腔內(nèi)樹脂膠液中的氣泡；
(9)固化:保持抽真空狀態(tài)，直至樹脂完全固化(為避免樹脂膠液局部固化反應(yīng)過于激烈，通常將樹脂體系的固化過程分為預(yù)固化、固化和后固化三個階段)；
(10)脫模及后處理:固化完全后，冷卻至室溫狀態(tài)，脫除成型模具，清除飛邊，得到所述聚合物基復合材料。
[0012]上述的成型方法中，優(yōu)選的，所述真空吸滲時，實時觀察和監(jiān)測儲膠罐的液面下降速度，若液面勻速持續(xù)下降，則直接利用真空吸滲方式完成樹脂注射和浸潤纖維預(yù)成型體；若液面只是在開始吸滲時持續(xù)下降，然后下降非常緩慢或基本停止下降，則開啟靜力壓滲系統(tǒng):保持抽真空，開啟帶閥門接頭II，向儲膠罐加壓，加載壓力驅(qū)使罐內(nèi)樹脂膠液勻速地注入成型模具的模腔，浸漬纖維預(yù)成型體。
[0013]上述的