一种复合材料的预浸料/树脂传递模塑共固化工艺方法

摘要

本发明公开了适用于一种复合材料的预浸料/树脂传递模塑共固化工艺方法，包括：步骤1、预浸料、干纤维裁剪；步骤2、预浸料铺贴及干纤维预成型体定型；步骤3、模具封装；步骤4、注射树脂及加热固化；步骤5、制件脱模。本发明方法通过在模具中，将预浸料工艺与树脂传递模塑工艺结合，根据制件结构特点和性能要求，采用预浸料和干纤维组成复合材料坯料，然后注射树脂浸渍干纤维，最后加热固化复合材料制件，实现了预浸料部分和液体成型部分共同固化，从而达到复合材料结构的高效低成本制造的目的。本发明可以显著提高复合材料结构的成型效率，降低制造成本，提升制件品质，提高减重效益，对实现复合材料结构的高效低成本制造具有重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料成型方法，更具体的说，是指树脂基复合材料的共固化成型工艺方法。

背景技术

预浸料是浸渍树脂基体的纤维片材或其织物，是制造纤维增强树脂基复合材料的一种中间材料，根据制件的形状和尺寸等要求将预浸料裁剪，按照一定的铺层方向和铺层数目铺覆出具有一定厚度的层合结构，并在一定的温度及压力条件下固化得到复材料，其制备的制件性能优异，但是预浸料价格昂贵，且预浸料的铺覆时间较长，劳动强度大，制造周期长，制造成本偏高。树脂传递模塑工艺是正在发展的复合材料低成本制造方法，属于复合材料液体成型工艺中的一种主要形式，它是指将干纤维或其预成型体预先装入模具内，再在一定温度及压力下注入液态的树脂体系，浸渍纤维或其预成型体，经加热固化得到复合材料制件的工艺方法。该方法成型效率高、制造成本低，但其成型质量及性能低于预浸料工艺。本发明提出，将预浸料工艺和树脂传递模塑工艺结合，在制件性能要求较高的部位铺覆预浸料，在性能要求相对降低的部位铺覆干纤维或其预成型体，然后在模具中完成树脂在干纤维中的浸渍流动及其与预浸料的固化，从而将预浸料部分和树脂传递模塑部分在一次制造过程中共固化，最终得到复合材料制件。该工艺能够在最大程度保证复合材料性能的前提下，显著降低制造成本，缩短制造周期，充分地发挥两种工艺方法的优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合材料的预浸料/树脂传递模塑共固化工艺方法，该方法通过在模具中，将预浸料工艺与树脂传递模塑工艺结合，根据制件结构特点和性能要求，采用预浸料和干纤维组成复合材料坯料，然后注射树脂浸渍干纤维，最后加热固化复合材料制件，实现了预浸料部分和液体成型部分共同固化，从而达到复合材料结构的高效低成本制造的目的。

本发明的具体技术方案是：

一种复合材料的预浸料/树脂传递模塑共固化工艺方法，该方法包含如下步骤：

步骤一：预浸料、干纤维剪裁；

将预浸料、干纤维按照制件设计要求进行裁剪；

步骤二：预浸料铺贴及干纤维预成型体定型；

将步骤一中裁剪好的预浸料和干纤维按照一定的铺层顺序铺覆，对预浸料铺层进行预压实工艺，得到尺寸接近最终设计尺寸的预浸料坯料；干纤维铺覆采用定型剂或缝纫方法将铺层定型，得到尺寸接近最终设计尺寸的干纤维预成型体；预浸料坯料与干纤维预成型体按一定空间顺序组合在一起；

步骤三：模具封装；

将步骤二中得到的预浸料坯料/干纤维预成型体组合体放入模腔内，模腔由下盖板和限位圈组成，限位圈高度由复合材料制件厚度决定，组合体周边放置密封条；放置上盖板并通过紧固螺栓固定上盖板与下盖板，从而与限位圈和密封条形成封闭模腔；

步骤四：注射树脂及加热固化；

配置浸渍干纤维预成型体的液体树脂；将液体树脂加热到一定温度后，在一定的注射压力下由阀门中的注射口注入模具内，浸渍干纤维预成型体，多余的注射树脂由阀门中的溢料口流出；树脂完全浸渍纤维并充满模腔后，关闭阀门；加热模具，使预浸料中的树脂和注射入模腔的树脂固化；根据预浸料、注射树脂的固化工艺条件控制加热温度和时间，完成制件的共固化；

步骤五：制件脱模；

共固化过程结束后，降温至室温，取下紧固螺栓、上盖板及限位圈，脱模取出固化的复合材料制件。

进一步的，所述步骤一：所述预浸料为：环氧树脂、酚醛树脂或双马树脂的不同类型基体及碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的不同类型纤维增强体的预浸料；所述干纤维为：碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的不同类型纤维织物。

进一步的，所述步骤一中所述设计要求为：尺寸、铺层角度、层数。

进一步的，所述步骤二中所述定型剂为：与注射树脂相配套的树脂粉末或树脂溶液。

进一步的，所述步骤三中上盖板上设有注射树脂和溢出树脂的阀门。

进一步的，所述步骤四中所述液体树脂是树脂传递模塑工艺用的环氧树脂、双马树脂及酚醛树脂。

本发明复合材料的预浸料/树脂传递模塑共固化工艺方法的优势在于：（1）实现了含两种及两种以上材料体系的复合材料制件制造；（2）适用于环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂等不同基体类型及碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等不同增强纤维类型的材料体系；（3）在保证较好的成型质量下，具有较高的成型效率和较低的制造成本，比同等条件下预浸料热压罐工艺成型同尺寸制件效率提高20-40%，制造成本降低10-20%；（4）减少紧固件、连接件、胶膜的使用，减重效果提高；（5）模具设计自由度高、模具成本降低。

附图说明

图1是模具封装示意图。

图2是模具示意图。

图3是共固化成型流程图。

图中：101、上盖板；102、下盖板；103、紧固螺栓；104、阀门；105、限位圈；106、密封条；107、预浸料铺层；108、干纤维预成型体201、上盖板；202、下盖板；203、限位圈。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明是一种复合材料的预浸料/树脂传递模塑共固化工艺方法，其具体流程如图3所示，包含五个步骤：1、预浸料、干纤维裁剪；2、预浸料铺贴及干纤维预成型体定型；3、模具封装；4、注射树脂及加热固化；5制件脱模。

1、预浸料、干纤维裁剪。

将预浸料、干纤维按照制件设计要求进行裁剪，裁剪参数包括：尺寸、铺层角度、层数。所述预浸料及干纤维中纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，所述预浸料中增强体是单向纤维及纤维织物等，所述预浸料中树脂是环氧树脂、双马树脂及酚醛树脂等。

2、预浸料铺贴及干纤维预成型体定型。

将步骤1中裁剪好的预浸料和干纤维按照一定的铺层顺序铺覆，对预浸料铺层进行预压实工艺，得到尺寸接近最终设计尺寸的预浸料坯料；干纤维铺覆采用定型剂或缝纫方法将铺层定型，得到尺寸接近最终设计尺寸的干纤维预成型体；预浸料坯料与干纤维预成型体按一定空间顺序组合在一起。所述定型剂是与注射树脂相配套的树脂粉末或树脂溶液。

3、模具封装。

图2为模具封装示意图。首先将步骤2中得到的预浸料坯料/干纤维预成型体组合体（107预浸料铺层与108干纤维预成型体）放入模腔内，模腔由102下盖板和105限位圈组成，105限位圈高度由复合材料制件厚度决定，组合体周边放置106密封条；放置101上盖板并通过103紧固螺栓固定101上盖板与103下盖板，从而与105限位圈和106密封条形成封闭模腔，101上盖板上设有注射树脂和溢出树脂的104阀门。

图3为模具装示意图，显示了101上盖板、102下盖板和105限位圈的位置关系。

4、注射树脂及加热固化。

配置浸渍干纤维预成型体的液体树脂，所述液体树脂是树脂传递模塑工艺专用的环氧树脂、双马树脂及酚醛树脂等。将液体树脂加热到一定温度后，在一定的注射压力下由104阀门中的注射口注入模具内，浸渍干纤维预成型体，多余的注射树脂由104阀门中的溢料口流出。树脂完全浸渍纤维并充满模腔后，关闭104阀门。加热模具，使预浸料中的树脂和注射入模腔的树脂固化。根据预浸料、注射树脂的固化工艺条件控制加热温度和时间，完成制件的共固化。

5、制件脱模。

共固化过程结束后，降温至室温，取下103紧固螺栓、101上盖板及105限位圈，脱模取出固化的复合材料制件。

实施例1：

采用预浸料/树脂传递模塑共固化工艺制备复合材料制件。采用干纤维为T700单向碳纤维布，注射树脂为环氧树脂，采用预浸料为T300碳纤维/环氧预浸料。预浸料及干纤维布的铺层方式为单向铺层[0]₁₆。预浸料坯料置于干纤维预成型体下方。成型过程注射压力为0.2MPa，注射完毕后，关闭出胶、进胶口，以1-2℃/min升温至180℃保温2小时完成固化。

实施例2：

采用预浸料/树脂传递模塑共固化工艺制备复合材料制件。采用干纤维为单向玻璃纤维布，注射树脂为酚醛树脂，采用预浸料为玻璃纤维/酚醛树脂预浸料。预浸料的铺层方式为[45/0/-45/90/45/0/-45/0/45/-45]，干纤维布的铺层方式为[-45/0/45/90/-45/0/0/45/90/-45/0/45]s。预浸料坯料置于干纤维预成型体下方。成型过程注射压力为0.1MPa，注射完毕后，关闭出胶、进胶口，以1-2℃/min升温至180℃保温3小时完成固化。

实施例3：

采用预浸料/树脂传递模塑共固化工艺制备复合材料制件。采用干纤维为T800碳纤维平纹布，注射树脂为双马树脂，采用预浸料为T800碳纤维/双马树脂预浸料。预浸料的铺层方式为[45/0/-45/90/0/45/0/-45/90/0/45/0/-45/0/45/-45]，干纤维布的铺层方式为[-45/0/45/90/-45/0/45/90/-45/0/45/90/-45/0/45]。预浸料坯料置于干纤维预成型体下方。成型过程注射压力为0.3MPa，注射完毕后，关闭出胶、进胶口，以1-2℃/min升温至210℃保温5小时完成固化。

实施例4：

采用预浸料/树脂传递模塑共固化工艺制备复合材料制件，使用的纤维为玻璃纤维单向布，注射树脂为不饱和聚酯，预浸料为单向玻璃纤维/环氧树脂预浸料。预浸料铺层方式为[0/90]_{4S,>干纤维铺层方式为[0/90]4S,>}