一種復合材料c型制件的預成型方法

一種復合材料c型制件的預成型方法
【專利摘要】本發明公開了適用于一種復合材料C型制件的預成型方法，所述方法包括：將壓實的預浸料疊層夾于聚四氟乙烯布之間；再置于兩層隔膜間形成層板；用固定框四周夾緊層板并固定于真空箱；在一定溫度和真空下成型為預定的C型制件；冷卻至室溫。本發明實現了不同尺寸復合材料C型制件坯料的快速成型，可以成型尺寸精度高，缺陷程度低的C形制件預成型體，對于實現具有復雜結構的復合材料構件的快速成型具有重要的意義。
【專利說明】一種復合材料C型制件的預成型方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及復合材料的預成型方法，更具體地說，是指纖維或樹脂基復合材料C型制件的預成型方法。

【背景技術】
[0002]復合材料C型制件是飛機上常用的復合材料結構件，如用于長桁、機翼翼梁等。在復合材料結構件的成型過程中，采用預浸料的層合結構是最主要的形式之一。在制造過程中，應按照設計要求將裁剪好的預浸料在模具上鋪疊成具有一定形狀、層數和尺寸的坯料，然后再將坯料放入熱壓罐等設備進行成型固化，得到最終的產品。傳統的制備坯料的預成型工藝主要采用手工鋪疊的方式，其生產效率低、勞動強度大，并且預成型后型面精度不容易控制，容易出現纖維褶皺等質量問題，而對于含有曲率結構的C型復合材料制件，這類問題尤為突出。因此，如何提供一種能夠解決上述問題的復合材料C型制件的預成型工藝，成為目前急需解決的問題。


【發明內容】

[0003]本發明的目的是提供一種復合材料C型制件的預成型方法，該方法通過熱輻射和真空共同作用，使平板預浸料疊層在聚四氟乙烯布和隔膜的包覆下預成型為C型制件，實現了不同尺寸復合材料C型制件坯料的快速制備。
[0004]為實現上述目的，本發明的一種復合材料C型制件的預成型方法，包括如下步驟:
[0005]步驟1:將預定尺寸的預浸料鋪疊為平板疊層；
[0006]步驟2:在室溫和真空下，對所述疊層進行預壓實；
[0007]步驟3:將預壓實的預浸料疊層夾在兩層聚四氟乙烯布之間，再置于兩層隔膜間形成層板；
[0008]步驟4:用固定框從層板的外側將四周夾緊并固定于內置有模具的真空箱中，使層板處于模具的上方；
[0009]步驟5:將裝有模具和層板的真空箱置于成型室內；
[0010]步驟6:模具預熱到預定溫度后，加熱層板，使預浸料疊層達到設定溫度，然后對真空箱抽真空，使其達到預定的真空度；由于大氣壓的作用隔膜拉伸變形，使得預浸料疊層形成預定的C型；
[0011]步驟7:將層板冷卻至室溫后，釋放真空，取出預浸料C型制件。
[0012]本發明通過將壓實的預浸料疊層夾在兩層聚四氟乙烯布之間后，再置于兩層隔膜間形成層板，然后用固定框從層板的外側將四周夾緊并固定于真空箱上方，將模具置于真空箱中以及層板下方，再通過熱輻射和真空共同作用進行預成型。這樣的方式能夠使其避免邊角發生滑移并拉散的現象，從而確保C型制件的制造質量。
[0013]根據本發明的優選方式，所述預浸料的材料為纖維與樹脂的組合。
[0014]根據本發明的優選方式，所述纖維選自玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維或其組合。
[0015]根據本發明的優選方式，所述樹脂選自環氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂、苯并噁嗪樹脂、雙馬樹脂或其組合。
[0016]本發明的預浸料是由上述纖維和樹脂作為基體而制備。
[0017]本發明中，優選的，根據設計要求預浸料疊層的尺寸最大為模具尺寸的0.8倍以內；聚四氟乙烯布的尺寸與預浸料的尺寸相適應，通常是預浸料疊層尺寸的1.1-1.3倍；隔膜的尺寸通常大于預浸料和四氟布的尺寸，優選是預浸料尺寸的1.5-2.5倍。
[0018]根據本發明的優選方式，所述預浸料疊層在0.085-0.1MPa真空壓力下進行10-40min的預壓實
[0019]本發明中，在形成預浸料疊層時，對于纖維鋪層方向沒有特別限定。
[0020]本發明中，預浸料疊層的層數沒有特殊限制，典型值為8-64層。
[0021]本發明中，所述模具尺寸小于真空箱體尺寸，通常是箱體尺寸的0.8倍以內，優選是 0.5-0.8 倍。
[0022]本發明中，在成型時抽真空速率為0.l-120L/min，優選是10_50L/min，可以兼顧成型的效率和成型的質量。
[0023]本發明中，模具的預定溫度為25_100°C。
[0024]本發明中，層板的成型溫度為室溫_200°C。
[0025]本發明中，優選地，通過紅外輻射加熱層板。
[0026]本發明中，成型時，真空室中的真空度為0.085-0.1MPa，最優選為約0.1MPa，有利于減小層板中的夾雜空氣、保證預浸料疊層的表面質量。
[0027]根據本發明的優選方式，在兩層隔膜之間以及層板和模具之間分別設置抽真空，以排除平板預浸料疊層內部的夾雜空氣，同時保證成型過程中預浸料疊層表面的平整度。
[0028]根據本發明的優選方式，在當預浸料達到成型設定溫度后，對隔膜和真空箱進行抽真空，抽真空速率優選為0.l_120L/min，達到的真空度優選為0.085-0.1MPa。
[0029]在大氣壓的作用下，隔膜被拉伸，從而使得預浸料疊層在該拉伸力的作用下逐漸形成C形結構，在達到預定的C型結構后，將預浸料疊層溫度降低至室溫，關閉真空裝置并取出制件。通常成型的時間為10-250S。
[0030]本發明復合材料C型制件的預成型工藝方法的優點在于:(1)實現不同尺寸復合材料C型制件的預成型；(2)適用于玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等各種纖維及環氧樹脂、酚醛樹脂、苯并噁嗪樹脂、雙馬樹脂等不同類型基體制備的預浸料；(3)預成型制件尺寸精度高，缺陷程度低；(4)成型迅速，操作方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是根據一個【具體實施方式】的預成型流程圖。
[0032]圖2是根據一個【具體實施方式】的模具裝配示意圖。
[0033]圖3是根據一個【具體實施方式】的C型制件的預成型裝置示意圖。
[0034]圖4a和4b是根據本發明的實施例1，采用兩層聚四氟乙烯布和兩層隔膜進行預成型，得到的預浸料C型制件的照片，其中沒有邊角滑移和拉散現象。
[0035]圖5a和5b是根據對比例1，未采用聚四氟乙烯布，僅采用兩層隔膜，得到的C型制件的照片，從圖中可見，具有嚴重的邊角滑移和拉散現象。
[0036]圖6a和6b是根據本發明的實施例1，采用固定框夾緊，而得到的C型制件的局部照片和拐角照片，從圖中可見所述成型件沒有明顯褶皺，而且孔隙缺陷減少。
[0037]圖7a和7b是根據對比例2，未采用固定框夾緊，而得到的C型制件的局部照片和拐角照片，從圖中可見所述成型件具有明顯褶皺和孔隙缺陷。
[0038]附圖標記:
[0039]101:紅外燈102:預浸料層板
[0040]103:熱隔膜104:真空箱
[0041]105:C型模具106:加熱片
[0042]107:成型室
[0043]201:上隔膜202:下隔膜
[0044]203:預浸料層板 204:C型模具
[0045]205:真空箱206:聚四氟乙烯布
[0046]2O7:固定框

【具體實施方式】
[0047]下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。
[0048]本發明是一種復合材料C型制件的預成型工藝方法，一個【具體實施方式】的流程如圖1所示，包括如下步驟:
[0049]按照設計要求的尺寸裁剪預浸料；
[0050]將裁剪為預定尺寸的預浸料按照設計要求的方向和層數鋪疊為平板疊層；
[0051]在室溫和真空下，對所述疊層進行預壓實；
[0052]將預壓實的預浸料疊層夾在兩層聚四氟乙烯布之間，再置于兩層隔膜間形成層板；
[0053]用固定框從層板的外側將四周夾緊并固定于內置有模具的真空箱中，使層板處于模具的上方；
[0054]將裝有模具和層板的真空箱置于成型室內；
[0055]模具預熱到預定溫度后，加熱層板，使預浸料疊層達到設定溫度，然后對真空箱抽真空，使其達到預定的真空度；由于大氣壓的作用隔膜拉伸變形，使得預浸料疊層形成預定的C型；
[0056]將層板冷卻至室溫后，釋放真空，取出預浸料C型制件。
[0057]預浸料疊層
[0058]將預浸料按照設計要求進行裁剪并鋪層。所述預浸料中的纖維是玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維或者玄武巖纖維等；所述預浸料增強體是單向纖維、纖維織物等；所述預浸料中樹脂是環氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂、苯并噁嗪樹脂、雙馬樹脂等。可以根據所期望的C型制件的要求以及模具，采用各種尺寸、鋪層方向以及層數形成疊層。本發明中，根據設計要求預浸料疊層的尺寸最大為模具尺寸的0.8倍以內；聚四氟乙烯布的尺寸與預浸料疊層的尺寸相適應，通常是預浸料疊層疊層尺寸的1.1-1.3倍；隔膜的尺寸通常大于預浸料疊層和聚四氟乙烯布的尺寸，優選是預浸料疊層尺寸的1.5-2.5倍。
[0059]鋪疊平板預浸料疊層
[0060]將裁剪好的預浸料按照一定的鋪層順序鋪覆為平板預浸料疊層，在室溫下對預浸料疊層在0.085-0.1MPa真空壓力下進行10_40min的預壓實處理，制備完畢。
[0061]裝配模具
[0062]圖2為模具裝配示意圖，將預浸料疊層203置于兩層聚四氟乙烯布206之間；然后再置于上隔膜201和下隔膜202之間形成層板，例如預浸料疊層尺寸為200 X 140mm，聚四氟乙烯布尺寸為240 X 170mm，隔膜尺寸為400 X 280mm。C型模具204置于真空箱205的中央。用固定框207從隔膜的外側在層板四周夾緊，并鎖緊在真空箱205上方。在兩層隔膜之間，在隔膜和真空箱之間形成兩個封閉的空間。
[0063]溫度和真空控制
[0064]將裝配好的模具105和層板102放入如圖3所示的成型箱體107內，打開控制兩層隔膜(201和202)間真空的真空閥(抽真空1)，排除平板疊層內部的夾雜空氣，同時保證成型過程中預浸料疊層表面的平整度。而后，通過設置于模具中的加熱片106開始模具預熱過程，從室溫升到模具預熱溫度，由于升溫速度高時，制件溫度均勻性差，升溫速度低時，加熱時間長，因此，本發明中優選以1_3°C/min的速率進行升溫，升溫到如25-100°C，優選為35-80°C，更特別是60°C，預熱系統保持保溫狀態。當模具達到預熱溫度時，打開紅外加熱燈101，溫度迅速升高。當包含預浸料203室溫層板102達到成型設定溫度時，打開控制隔膜與真空箱之間真空的真空閥(抽真空2)，以一定的抽真空速率抽真空，真空度達到0.085-0.1MPa，優選為0.1MPa。成型設定溫度依材料流變特性和固化特性等而定，本發明中優選成型溫度范圍:室溫-200°C。真空度:0.085-0.1MPa。抽真空速率:0.l_120L/min。
[0065]C型制件成型
[0066]在大氣壓的作用下，隔膜103 (即圖1中的201和202)被拉伸，預浸料疊層203在該拉伸力的作用下逐漸形成C形結構，成型時間為10-250S。最后，關閉紅外加熱燈和模具預熱系統，預浸料溫度降低至室溫，關閉真空裝置并取出制件。
[0067]以下結合具體實施例說明書本發明的C型之間的預成型方法的優點。
[0068]實施例1:
[0069]采用T300碳纖維/雙馬樹脂單向預浸料(QY8911，可商購自北京航空制造工程研究所)為測試對象，在室溫下將預浸料裁成200X 140_大小并鋪疊為平板預浸料疊層，鋪層方式為[45/-45]4s(即由底面向上至頂面的鋪設順序，具體為[45/-45/45/-45/45/-45/45/-45/-45/45/-45/45/-45/45/-45/45])。鋪層層數為16層。聚四氟乙烯布尺寸為240 X 170mm，隔膜尺寸為400 X 280mm。C型模具拐角半徑為6mm。模具預熱溫度為35°C，成型溫度為45°C，以120L/min的速率進行抽真空，成型時間為12s。
[0070]實施例2:
[0071]采用S-2玻璃纖維/環氧樹脂平紋織物預浸料(12500，可商購自山東光威有限公司)為測試對象在室溫下將預浸料裁成300X240mm大小并鋪疊為平板預浸料疊層，鋪層方式為準各向鋪層(如[±45/90/0]s，具體為[45/-45/90/0/0/90/-45/45])，層數16層。聚四氟乙烯布尺寸為330X270mm，隔膜尺寸為500X400mm。C型模具拐角半徑為8mm。模具預熱溫度為60°C，成型溫度為80°C，以0.36L/min的速率進行抽真空，成型時間為77s。
[0072]實施例3:
[0073]采用T800碳纖維/環氧單向預浸料(X850,可商購自美國Cytec公司)，在室溫下將預浸料裁成10XlOOmm大小并鋪疊為平板預浸料疊層，鋪層方式為單向鋪層(即，鋪層中纖維方向均為0° )，層數為64層。聚四氟乙烯布尺寸為120X 120mm，隔膜尺寸為200X200mm。C型模具拐角半徑為8mm。C型模具拐角半徑為4mm。模具預熱溫度為48°C，成型溫度為60°C，以0.18L/min的速率進行抽真空，成型時間為140s。
[0074]上述實施例中所用聚四氟乙烯布為RELEASE 234TFP，可商購自美國Airtech公司。隔膜為SL850,可商購自美國Airtech公司。
[0075]以上實施例得到的C型制件均具有良好的型面精度，通常誤差在±0.1mm以內，型面平整未發現任何皺褶，以及沒有邊角滑移拉散現象。采用本發明的方法可以制備各種尺寸的精度良好的不同復合材料的C型制件。
[0076]以下通過與對比例的對比進一步說明本發明的有益效果。
[0077]對比例I
[0078]圖5a和5b是將預浸料疊層直接夾在隔膜之間，其他同實施例1，而得到的成型制件照片。
[0079]從圖5a和5b可見，成型的預浸料疊層具有邊角處纖維拉散現象。這是因為成型過程中預浸料疊層與隔膜之間有很大的摩擦力，兩者貼合過緊，導致隔膜拉伸變形帶動粘附在其上的預浸料疊層變形，使預浸料疊層的邊角處發生滑移，容易發生拉散現象，發生這種情況，容易導致制件報廢。
[0080]而圖4a和4b為實施例1得到的成型制件照片。由于采用了與預浸料疊層和隔膜粘合性均不大的聚四氟乙烯布，先將預浸料疊層包裹，然后再用隔膜包裹，從而避免了預浸料疊層與隔膜的直接接觸，成型過程中預浸料疊層邊角處的變形。從圖中可以明顯看出，所得到的預成型體的表面光滑度明顯提高，預成型體尺寸均勻，邊角的纖維拉散現象也消除。
[0081]對比例2
[0082]圖7a和7b是未采用固定框從層板的外側將四周夾緊并固定，其他同實施例1，而得到的成型制件得局部照片和拐角處照片。
[0083]從圖7a和7b可見，這樣得到的成型制件，容易導致隔膜與預浸料疊層的變形不一致，在制件拐角處容易出現褶皺和更多的孔隙缺陷(3.5%左右)。
[0084]圖6a和6b是根據實施例1得到的成型制件的局部照片和拐角處照片。由于采用固定框從層板的外側將四周夾緊并固定于真空箱上方，如圖5a和5b可見，該措施保證隔膜與預浸料疊層的協同變形，沒有褶皺，且孔隙缺陷減少(1.8%左右)。
[0085]實施例2和3得到的成型制件也達到了與實施例類似的效果。
[0086]綜上所述，采用本發明的方法，特別是采用聚四氟乙烯布和隔膜結合使用，以及采用固定框將預浸料疊層固定于真空箱體的方式，可以得到表面性能令人滿意的成型制件。
【權利要求】
1.一種復合材料C型制件的預成型方法，包括如下步驟: 步驟1:將預定尺寸的預浸料鋪疊為平板疊層； 步驟2:在室溫和真空下，對所述疊層進行預壓實； 步驟3:將預壓實的預浸料疊層夾在兩層聚四氟乙烯布之間，再置于兩層隔膜間形成層板； 步驟4:用固定框從層板的外側將四周夾緊并固定于內置有模具的真空箱中，使層板處于模具的上方； 步驟5:將裝有模具和層板的真空箱置于成型室內； 步驟6:將模具預熱到預定溫度后，加熱層板，使預浸料疊層達到設定溫度，然后對真空箱抽真空到預定的真空度，隔膜拉伸變形，使得預浸料疊層形成預定的C型； 步驟7:將層板冷卻至室溫后，釋放真空，取出預浸料C型制件。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預浸料疊層在0.085-0.1MPa真空壓力下進行10-40min的預壓實。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預浸料的材料為纖維與樹脂的組合。
4.權利要求3所述的方法，其特征在于，所述纖維選自玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維或其組合。
5.權利要求3所述的方法，其特征在于，所述樹脂選自環氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹月旨、苯并噁嗪樹脂、雙馬來酰胺樹脂或其組合。
6.權利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述預浸料的最大尺寸為模具尺寸的0.8倍以內；聚四氟乙烯布的尺寸是預浸料疊層尺寸的1.1-1.3倍；隔膜的尺寸是預浸料尺寸的1.5-2.5倍。
7.權利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，所述預浸料的層數為8-64層。
8.權利要求1-7任一所述的方法，其特征在于，所述模具尺寸為真空箱體尺寸的0.8倍以內。
9.權利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，用紅外燈照射加熱層板。
10.權利要求1-9任一所述的方法，其特征在于，抽真空速率為0.l-120L/min。
11.權利要求1-10任一所述的方法，其特征在于，所述成型溫度為室溫-200°c。
12.權利要求1-11任一所述的方法，其特征在于，所述成型的真空度為0.085-0.1MPa0
13.權利要求1-12任一所述的方法，其特征在于，所述成型的時間為10-250S。
【文檔編號】B29C70/44GK104441697SQ201410653172
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月17日 優先權日:2014年11月17日
【發明者】張冬梅, 李敏, 馬曉星, 顧軼卓, 陳吉平, 張佐光 申請人:上海飛機制造有限公司, 中國商用飛機有限責任公司