一種提高樹脂傳遞模塑工藝成型復合材料成品率的方法與流程

本發明屬于樹脂基復合材料液態成型技術，涉及一種提高樹脂傳遞模塑工藝成型復合材料成品率的方法。

背景技術：

碳纖維增強樹脂基復合材料具有輕質、高比強度、高比模量、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、便于大面積整體成形等獨特的優點，已廣泛應用于航空飛行器和發動機結構，成為航空裝備的關鍵材料，其用量也已成為航空裝備先進性的標志之一。

樹脂轉移模塑成型技術，簡稱rtm成型技術(resintransfermolding)是近年來在航空、航天等領域廣泛應用的一種液態成型復合材料制造技術。其原理是在剛性模具型腔內鋪放按性能和結構要求設計好的干態纖維預成型體，在特定的耐壓容器即樹脂貯存罐內將樹脂加熱到設定的注射溫度，然后采用注射設備將低粘度樹脂注入到模具型腔內，使樹脂與纖維充分浸潤，最后按照樹脂的工藝規范進行升溫固化，最后得到與模具型腔形狀一致的復合材料零件。為了保證樹脂能夠快速完全注射零件，通常在設定的注射溫度下樹脂具有較低的粘度，一般不高于300cp，更多的時候會低于100cp。然而在低粘度狀態下，熱固性的樹脂已具有一定的反應活性，隨脫泡和注射的進行開始緩慢反應并放熱，樹脂貯存罐為了耐壓和保溫通常設計為較厚的封閉的容器不利于散熱，故樹脂貯存罐內的樹脂的溫度會隨脫泡和注射的進行而緩慢升高，這種樹脂貯存罐內樹脂的自加速反應現象會隨著樹脂用量的增加而更明顯，當樹脂的溫度達到臨界值時，就會在樹脂貯存罐內發生樹脂的爆聚現象，不但會造成零件報廢，設備損壞，而且會出現安全事故。隨著rtm工藝在航空航天領域的廣泛采用，在成型較大尺寸的航空航天復合材料構件時，需要一次性使用較多的樹脂，樹脂貯存罐內樹脂爆聚的風險會大大的增加。

此外，樹脂在樹脂貯存罐內的自加速反應現象也會導致樹脂的粘度上升，從而降低了樹脂對預成型體的滲透速度，這種樹脂粘度的前后變化現象會對零件的成型造成不可控的風險，導致零件的廢品率升高。

再次，在使用某些特殊高溫高韌性短時效樹脂的時候，例如hexcel公司的rtm230st或cytec公司的pr520，由于該類型樹脂的注射溫度較高(超過160℃)，而固化溫度僅為180℃，樹脂在注射溫度下的反應活性很高，相比常規樹脂爆聚風險更高，同時該類型樹脂的有效注射期極短(35min內)，采用常規的樹脂脫泡工藝會進一步縮短樹脂的有效注射期，極大地增加了成型零件的難度。

技術實現要素：

本發明的目的是：針對傳統樹脂轉移模塑成型復合材料技術存在的不足，提出一種提高樹脂傳遞模塑工藝成型復合材料成品率的方法。

本發明的技術解決方案是，所述系統包括成型模具、樹脂、樹脂貯存罐、樹脂溢出罐、真空源和壓力源，在樹脂貯存罐和模具之間連接樹脂恒溫器，所述方法包括如下步驟：

1)制備樹脂恒溫器，所述樹脂恒溫器內部包含密閉的腔體，腔體的高度為0.1～2mm，寬度為10mm～500mm，長度為20mm～500mm；所述樹脂恒溫器采用油加熱、電加熱或蒸汽加熱的形式對腔體進行恒溫控制，腔體的材料為金屬材質；所述樹脂恒溫器能夠耐受工藝設定的最大注射壓力和最高注射溫度而不漏氣不變形；

2)將壓力源、樹脂貯存罐、閥門、樹脂恒溫器、閥門、模具、閥門、樹脂溢出罐和真空源采用管道依次連接，閥門、閥門和閥門處于關閉狀態；

3)參照樹脂的升溫粘度-溫度曲線，將樹脂貯存罐的溫度升高至t1，在溫度t1下，樹脂的粘度在300cp～500cp范圍內；將模具的溫度升高至t2，在溫度t2下，樹脂的粘度在60cp～150cp范圍內；將樹脂恒溫器的溫度升高至t3，在溫度t3下，樹脂的粘度在60cp～150cp范圍內；

4)將配制好的樹脂倒入樹脂貯存罐中，并對樹脂進行脫泡處理；

5)打開真空源、閥門和閥門，對模具、樹脂恒溫器和樹脂溢出罐進行抽真空處理；

6)待樹脂脫泡處理完畢后，打開壓力源，按照預先設定的工藝調整壓力源的輸出壓力值，打開閥門，使樹脂貯存罐中的樹脂流經樹脂恒溫器并向模具內進行注射；

7)待樹脂溢出罐開始有樹脂溢出后，依次關閉閥門、閥門和閥門，按照樹脂的工藝要求對模具進行升溫固化并得到最終零件。

腔體采用導熱性好的金屬材質制造，如鋼、銅、鋁及其合金。

所述溫度t1＜溫度t2。

所述溫度t3≥溫度t2，樹脂在溫度t3下的粘度≤在溫度t2下的粘度。

本發明的優點和有益效果是：

1、本發明通過增加樹脂恒溫器降低了樹脂貯存罐內樹脂的溫度，在較低的溫度下樹脂的反應活性較低，自加速反應現象被極大地抑制，減少了樹脂爆聚的風險，提高了樹脂傳遞模塑工藝成型復合材料的成品率；

2、本發明通過增加樹脂恒溫器降低了樹脂貯存罐內樹脂的溫度但維持在合理的粘度范圍內，不但不會不影響樹脂的脫泡效果，而且還可以延長樹脂的脫泡時間，進一步降低樹脂內含有氣體的比率；

3、本發明所涉及的樹脂恒溫器的溫度t3等于或稍高于模具的注射溫度t2，但控制在樹脂的可注射溫度范圍的上限內，使流經樹脂恒溫器的樹脂安全可靠；

4、本發明所涉及的樹脂恒溫器采用薄腔體大接觸面的物理導熱的方法對流經的樹脂進行快速加熱，不但所需的樹脂量少，浪費少，而且物理導熱的方法安全可靠；

5、本發明在較低溫度條件下對樹脂脫泡幾乎不會影響樹脂的注射操作期，可以使樹脂的有效操作期全部應用在零件注射工序，延長了零件的有效注射時間，降低了樹脂有效操作期不夠導致零件未完全注射而產生廢品的風險，提高了rtm工藝成型復合材料成品率；

6、本發明特別適用于快速rtm成型工藝或高溫rtm成型工藝，快速rtm工藝的樹脂操作時間極短，對樹脂的有效操作期要求較高；而高溫rtm工藝的樹脂注射溫度較高，爆聚風險大于普通rtm工藝；

7、本發明涉及的樹脂恒溫器可設計性好，可以根據樹脂的升溫要求對腔體的材質和結構進行選擇和設計，也可以在樹脂的注射溫度范圍內對模具注射溫度t2和樹脂恒溫器溫度t3進行設計；

8、本發明實施簡單，僅僅需要增加樹脂恒溫器即可，不需對現有的rtm工藝設備和模具進行改造，具有良好的rtm工藝普適性；

綜上所述，本發明通過在樹脂貯存罐和模具之間增加樹脂加熱裝置，降低了樹脂貯存罐內樹脂的注射溫度，減小了樹脂貯存罐內樹脂爆聚的風險，延長了樹脂的有效注射期，并可精確控制樹脂的注射溫度和注射粘度，顯著提高了復合材料零件的成型質量。本發明提出了一種提高樹脂傳遞模塑工藝成型復合材料成品率的方法，降低了rtm工藝樹脂爆聚的風險，延長了樹脂的有效操作期，實施簡單可靠，能顯著提高rtm成型復合材料制件的成品率。

本發明的工作原理為：

1、本發明在較低溫度t1下在對樹脂11進行脫泡，樹脂11的反應活性較低，提高了使用樹脂11的安全性；

2、本發明所涉及的樹脂恒溫器5采用金屬薄腔體大接觸面的物理導熱的方法對流經樹脂恒溫器的樹脂進行快速加熱，換熱效率高，樹脂11升溫快且均勻；樹脂恒溫器5的腔體6的結構尺寸可以根據樹脂11的初始溫度t1、樹脂11的注射溫度t2、樹脂11的流量、樹脂11的換熱系數、腔體6所用金屬的換熱系數等參數計算出腔體6的最小接觸面積，因此腔體6的厚度和面積可根據樹脂11的工藝要求進行設計；

3、本發明所涉及的樹脂恒溫器5的溫度t3可大于或等于模具4的溫度t2，當樹脂11從溫度t1快速升至溫度t2的相對值較小時，需要交換的熱能較少，腔體6提供的換熱能足夠多，則樹脂恒溫器5的溫度t3與模具4的溫度t2相等即可；而當樹脂11從溫度t1快速升至溫度t2的相對值較大時，需要交換的熱能較多，若腔體6接觸面積不夠大，無法提供足夠交換熱能時，可以使樹脂恒溫器5的溫度t3略高于注射溫度t2，提高腔體6的可交換熱能，最終使樹脂11在樹脂恒溫器5的出口溫度達到t2。

附圖說明

圖1為本發明采用的rtm成型方法的示意圖；

圖2為本發明采用的樹脂恒溫器的接觸面的示意圖；

具體實施方式

本發明為一種提高樹脂傳遞模塑工藝成型復合材料成品率的方法，所述系統包括成型模具4、樹脂11、樹脂貯存罐30、樹脂溢出罐20、真空源60和壓力源70，其特征在于：在樹脂貯存罐30和模具4之間連接樹脂恒溫器5，所述方法包括如下步驟：

1)制備樹脂恒溫器5，所述樹脂恒溫器5內部包含密閉的腔體6，腔體6的高度為0.1～2mm，寬度為10mm～500mm，長度為20mm～500mm；所述樹脂恒溫器5采用油加熱、電加熱或蒸汽加熱的形式對腔體6進行恒溫控制，腔體6的材料為金屬材質；所述樹脂恒溫器5能夠耐受工藝設定的最大注射壓力和最高注射溫度而不漏氣不變形；

2)將壓力源70、樹脂貯存罐30、閥門40、樹脂恒溫器5、閥門41、模具4、閥門42、樹脂溢出罐20和真空源60采用管道10依次連接，閥門40、閥門41和閥門42處于關閉狀態；

3)參照樹脂11的升溫粘度-溫度曲線，將樹脂貯存罐30的溫度升高至t1，在溫度t1下，樹脂11的粘度在300cp～500cp范圍內；將模具4的溫度升高至t2，在溫度t2下，樹脂11的粘度在60cp～150cp范圍內；將樹脂恒溫器5的溫度升高至t3，在溫度t3下，樹脂11的粘度在60cp～150cp范圍內；

4)將配制好的樹脂11倒入樹脂貯存罐30中，并對樹脂11進行脫泡處理；

5)打開真空源60、閥門41和閥門42，對模具4、樹脂恒溫器5和樹脂溢出罐20進行抽真空處理；

6)待樹脂11脫泡處理完畢后，打開壓力源70，按照預先設定的工藝調整壓力源70的輸出壓力值，打開閥門40，使樹脂貯存罐30中的樹脂11流經樹脂恒溫器5并向模具4內進行注射；

7)待樹脂溢出罐20開始有樹脂11溢出后，依次關閉閥門42、閥門41和閥門40，按照樹脂11的工藝要求對模具4進行升溫固化并得到最終零件。

腔體6采用導熱性好的金屬材質制造，如鋼、銅、鋁及其合金。

所述溫度t1＜溫度t2。

所述溫度t3≥溫度t2，樹脂11在溫度t3下的粘度≤在溫度t2下的粘度。

實施例1

零件為復合材料開敞三腔盒段結構。材料體系為cf3031/ba9914，材料的纖維體積含量為55％±3％；其中cf3031為山東威海拓展公司出品的規格為3k的t300級碳纖維織物，ba9914樹脂為中航復合材料有限責任公司為液體成型工藝研發的高溫環氧樹脂，零件的外形尺寸為：2000mm×1002mm×200mm(長×寬×高)，零件壁厚為6mm，其中中間三個內腔尺寸為2000mm×250mm×182mm，兩側內腔尺寸為2000mm×120mm×182mm，根據計算需ba9914樹脂20kg；樹脂恒溫器5預先加工好，其中腔體6的尺寸為：300mm×100mm×1mm(長×寬×高)，材質為45#鋼。具體實施步驟如下：

1)將壓力源70、樹脂貯存罐30、閥門40、樹脂恒溫器5、閥門41、模具4、閥門42、樹脂溢出罐20和真空源60采用管道10依次連接，閥門40、閥門41和閥門42處于關閉狀態；

2)將樹脂貯存罐30的溫度升高至65℃，將模具4的溫度升至80℃，將樹脂恒溫器5的溫度升至80℃；

3)將配置好的ba9914樹脂倒入樹脂貯存罐30中，維持樹脂貯存罐30的溫度在65℃,對ba9914樹脂進行抽真空脫泡處理30min；

4)打開真空源60、閥門41和閥門42，對模具4、樹脂恒溫器5和樹脂溢出罐20進行抽真空處理10min；

5)打開壓力源70，對樹脂貯存罐30中的ba9914樹脂施加0.4mpa壓力，打開閥門40，ba9914樹脂開始流經樹脂恒溫器5并向模具4內進行注射，經監控得到樹脂恒溫器5出口的ba9914樹脂的溫度為79.6℃；

6)約45min后，樹脂溢出罐20開始有ba9914樹脂溢出，依次關閉閥門42、閥門41和閥門40，對模具4進行升溫，在180℃條件下保溫4h，固化并得到最終零件。

經檢測零件的外觀質量、內部質量均滿足設計要求。

實施例2

零件為復合材料2.5d編織風扇葉片結構。材料體系為ccf800/pr520，材料的纖維體積含量為55％±3％；其中ccf800為山東威海拓展公司出品的規格為12k的t800級碳纖維，pr520樹脂為cytec公司的高溫高韌環氧樹脂，零件的外形尺寸為：700mm×500mm(長×寬)，厚度從榫頭60mm逐漸變化至葉尖1.5mm，根據計算需pr520樹脂10kg；樹脂恒溫器5預先加工好，其中腔體6的尺寸為：500mm×100mm×0.3mm(長×寬×高)，材質為p20鋼。具體實施步驟如下：

1)將壓力源70、樹脂貯存罐30、閥門40、樹脂恒溫器5、閥門41、模具4、閥門42、樹脂溢出罐20和真空源60采用管道10依次連接，閥門40、閥門41和閥門42處于關閉狀態；

2)將樹脂貯存罐30的溫度升高至110℃，將模具4的溫度升至170℃，將樹脂恒溫器5的溫度升至168℃；

3)將pr520樹脂倒入樹脂貯存罐30中，維持樹脂貯存罐30的溫度在110℃,對pr520樹脂進行抽真空脫泡處理30min；

4)打開真空源60、閥門41和閥門42，對模具4、樹脂恒溫器5和樹脂溢出罐20進行抽真空處理20min；

5)打開壓力源70，對樹脂貯存罐30中的pr520樹脂施加1.0mpa壓力，打開閥門40，pr520樹脂開始流經樹脂恒溫器5并向模具4內進行注射，經監控得到樹脂恒溫器5出口的pr520樹脂的溫度為169.2℃；

6)約10min后，樹脂溢出罐20開始有pr520樹脂溢出，依次關閉閥門42、閥門41和閥門40，對模具4進行升溫，在180℃條件下保溫2h，固化并得到最終零件。

經檢測零件的外觀質量、內部質量均滿足設計要求。

實施例3：

零件為復合材料非開敞三腔翼面結構。材料體系為u-3160/qy8911-4，材料的纖維體積含量為56％±3％；其中u-3160為山東威海拓展公司出品的規格為3k的t300級碳纖維織物，qy8911-4樹脂為中航復合材料有限責任公司為液體成型工藝研發的高溫雙馬樹脂，零件的外形尺寸為：500mm×1002mm(長×寬)，一側高度為300mm，一側高度為0mm，零件壁厚為6mm，其中中間三個內腔尺寸為500mm×250mm×282mm，兩側內腔尺寸為500mm×120mm×282mm，根據計算需qy8911-4樹脂30kg；樹脂恒溫器5預先加工好，其中腔體6的尺寸為：200mm×150mm×0.5mm(長×寬×高)，材質為銅。

1)將壓力源70、樹脂貯存罐30、閥門40、樹脂恒溫器5、閥門41、模具4、閥門42、樹脂溢出罐20和真空源60采用管道10依次連接，閥門40、閥門41和閥門42處于關閉狀態；

2)將樹脂貯存罐30的溫度升高至80℃，將模具4的溫度升至90℃，將樹脂恒溫器5的溫度升至95℃；

3)將qy8911-4樹脂倒入樹脂貯存罐30中，維持樹脂貯存罐30的溫度在80℃,對qy8911-4樹脂進行抽真空脫泡處理30min；

4)打開真空源60、閥門41和閥門42，對模具4、樹脂恒溫器5和樹脂溢出罐20進行抽真空處理15min；

5)打開壓力源70，對樹脂貯存罐30中的qy8911-4樹脂施加0.6mpa壓力，qy8911-4樹脂開始流經樹脂恒溫器5并向模具4內進行注射，經監控得到樹脂恒溫器5出口的ba9914樹脂的溫度為91.6℃；

6)約50min后，樹脂溢出罐20開始有qy8911-4樹脂溢出，依次關閉閥門42、閥門41和閥門40，對模具4進行升溫，在210℃條件下保溫10h，固化并得到最終零件。

經檢測零件的外觀質量、內部質量均滿足設計要求。