一种超高纤维含量3D机织防弹复合材料的RTM模具设计与制备方法

摘要

本发明公开了一种超高纤维含量3D机织防弹复合材料的RTM模具设计与制备方法。本发明涉及复合材料制备与机械设计领域。由于3D机织物的整体结构，其纤维体积含量低于同等经密和纬密的UD、2D织物；RTM复合材料制备是在高压下将树脂注入装有预制体的封闭模腔中，纤维体积含量高，树脂流动受阻，会造成复合材料出现干斑、气泡等缺陷。本发明针对上述问题，提出了一种超高纤维含量3D机织防弹复合材料的RTM模具设计与制备方法，模具包括活塞块、胶条压板、边框、底板和限位块。不仅实现了复合材料的纤维含量的精确调控，还实现了高压动密封，及低压下快速充分注胶，高压下排出气泡和多余树脂。既可生产超高纤维含量复合材料，又提高了生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及3D机织预制体、树脂、复合材料、机械设计加工等领域，具体涉及一种超高纤维含量3D机织防弹复合材料的RTM模具设计与制备方法，可以用于制备超高纤维体积含量的3D机织预制体增强的RTM防弹复合材料，为高纤维含量3D机织复合材料在防弹领域的应用提供制备方法和技术。

背景技术

防弹复合材料作为能量吸收型材料，与金属、陶瓷等分解能量型材料有很大的差异。高性能纤维增强防弹复合材料能够通过材料自身变形和破坏，将子弹或破片的能量耗散掉而减少跳弹等对人体的二次伤害。由于高性能纤维的力学性能远远高于树脂基体，因此，防弹复合材料对纤维含量提出了很高的要求。但是，3D预制体特别是3D机织预制体，由于其特殊的结构，其预制体纤维体积含量较同等经纬密的UD、2D材料还有很大的差距。

RTM复合材料制备方法是将树脂和固化剂按比例混合后，高压注入装有预制体的模具腔体中。因此，预制体纤维体积含量过高会对注胶产生不利影响，一方面会引起注胶不充分，另一方面还会延长注胶时间，大大降低了生产效率。

RTM复合材料制备过程中，注胶压力越大，对模具密封性能提出的要求越高。模具密封不高，可能会局部漏气，形成树脂通道，会造成部分区域富树脂，部分区域出现干斑的情况，大大降低了复合材料的性能。

复合材料制备的精度既包括产品的尺寸参数，还包括产品纤维含量等。由于复合材料制备过程的温度变化以及化学变化，材料会发生不同程度的伸缩变形，造成实际产品与设计参数存在出入，因此需要提高制品的精度，实现制品参数的精确控制。

发明内容

针对现有3D机织防弹复合材料中，纤维体积含量低的问题，生产效率低等问题，本发明旨在解决上述技术中存在的问题，从而提出一种超高纤维含量3D机织防弹复合材料的RTM模具设计与制备方法。该方法可操作性强，可实现纤维体积含量为65％-90％的3D机织复合材料的制备。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种超高纤维含量3D机织防弹复合材料的RTM模具设计与制备方法，该方法借助于大吨位的热压台，模具包括活塞块、胶条压板、边框、底板和限位块五部分，模腔尺寸调控模块由活塞装置和限位装置组成。该方法是在低纤维含量下注胶，注胶完成后再借助于热压台，通过模腔尺寸调控模块，最终制得所需要参数的3D纺织复合材料。这种低纤维含量下注胶的方法以及大型热压台的使用，大大提高了生产效率。

为实现模腔尺寸的精确调控以及RTM方法注胶，本发明提出的一种超高纤维含量3D机织防弹复合材料的RTM模具设计与制备方法，实现了高压动密封，耐压程度可达3MPa。所述模具的模腔高度可以调节，通过选择相应的限位装置，可以实现复合材料厚度的精确控制，控制范围可达2-6mm。

模腔上表面为模腔尺寸调控模块中的活塞装置，活塞截面尺寸与制件尺寸一致。

为提高制件进度和模具耐久性，模腔侧面设计为整体结构。

模腔尺寸调控模块的活塞装置与侧边框之间加装截面积大于100mm

模腔下表面为底板，底板与侧边框之间加装截面积大于100mm

为扩大活塞装置的可动范围，进料口和出料口开在底板上。树脂由进料口注入后，先充满导流槽，再浸润预制体。出料口与进料口设计基本一致，且进料口和出料口沿着之间的长度方向居中分布。

限位装置根据所需要的制件的参数设定，制备过程中，限位块上表面与活塞块上表面平齐或同时被压紧认为材料压到位。

为方便天车搬运，模具各部分都设计对称的吊装孔。

与现有技术相比，本发明的优势在于：该方法可以在低纤维含量时树脂快速注胶，借助于压机或热压台，在高压下将多余的树脂挤出，达到设定的参数后固化成型，这种方法生产效率高；使用截面积大于100mm

附图说明

下面结合六张附图中绘制的实施例详细阐述本发明。其中：

图1为本发明一种超高纤维含量3D机织防弹复合材料的RTM模具设计与制备方法的正等测图；

图2为本发明模具的侧边框正等测图；

图3为本发明模具的侧边框的俯视图；

图4为本发明底板正等测图；

图5为本发明底板俯视图；

图6为本发明沿进料口正中和出料口正中的剖面图；

图中附图标记：1活塞装置、2上胶条压板、3侧边框、4底板、5限位装置、301模腔侧面、302上胶条槽、303上胶条压板与侧边框锁紧孔、304侧边框吊装孔、305下胶条槽、306侧边框与底板锁金孔、401底板顶丝孔、402底板与侧边框锁紧孔、403进料口、404底板吊装孔、405出料口延伸孔、406进料口延伸孔、407出料口导流槽、408进料口导流槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。其中，所述实施例仅是本发明一部分实施例，非全部实施例，不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，一种超高纤维含量3D机织防弹复合材料的RTM模具设计与制备方法，模具包括1活塞装置、2上胶条压板、3侧边框、4底板和5限位装置，其中活塞装置和限位装置统一构成模腔尺寸调控模块。活塞装置与侧边框之间由上密封条实现高压动密封，上胶条由上胶条板与侧边框锁紧。侧边框底端装有下密封条，由侧边框底面边缘和和底板锁紧。双重方形密封条上下密封，耐压程度可达3MPa。

如图2为模具的侧边框正等测图，在铺放预制体时，预制体侧面要紧贴模腔侧面301。预制体铺放完成后，放置活塞块。在上胶条槽302中紧贴活塞块置入上密封条，在用上胶条压板将上密封条锁紧，上胶条压板与侧边框锁紧孔303对应。搬运过程借助侧边框吊装孔304。

如图3为本发明模具的侧边框的俯视图，在铺设预制体之前，第一步先将侧边框底端的下胶条槽305中置入方形密封条，在将装入下密封条的侧边框底端锁紧孔306与底板锁紧孔402对应，用于链接锁紧，然后再开始铺设预制体。

图4和图5分别为本发明底板正等测图和底板俯视图，为了加大活塞块动程范围，将进料口403和出料口开在底板上。由于底板上表面凸起形成模腔下表面，进出料口位置较低，为方便拆模，在进出料口分别设计进料口延伸孔406和出料口延伸孔405。注胶时，树脂从进料口403进入，分别经过进料口延伸孔406和进料口导流槽408将树脂分散开，最终树脂分别经过出料口导流槽407和出料口延伸孔从出料口409排出。为了方便搬运，底板设计对称分布的吊装孔404，为方便拆模，底板设计对称的顶丝孔401。

图6为本发明沿进料口正中和出料口正中的剖面图，可以看到完整的尺寸可调节的模腔301，以及进出料口、密封槽的设计细节。

以上实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员依然可以对本发明进行修改或者等同代替。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、局部替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围内。