專利名稱：蜂窩狀三維立體整體空芯機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維立體復(fù)合材料的制備方法，尤其是指一種蜂窩狀三維立體整體增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法。
背景技術(shù)：
由于空芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料內(nèi)部通常含有大量的空間，中間含有大量的空氣，表現(xiàn)為重量輕、具有高的能量吸收能力，隔音、隔熱性能突出、同時(shí)具有堅(jiān)韌性好、比強(qiáng)度和比剛度高、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用極為廣泛。如聚合泡沫體和蜂窩結(jié)構(gòu)被廣泛用作電子元件或者易碎貨物的包裝和襯墊材料，以吸收在運(yùn)輸途中產(chǎn)生的沖擊能量。高強(qiáng)度的空芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料則在航空、航天、運(yùn)輸工具、土建等許多領(lǐng)域應(yīng)用極廣，主要是用作能量吸收體和代替鋼材的結(jié)構(gòu)材料減輕重量使用。目前全世界主要飛機(jī)制造公司生產(chǎn)的飛機(jī)的地板、機(jī)冀等構(gòu)件大都采用全復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)。
目前，常用的芯材加工方法是將輕金屑箔(如鋁箔)、玻璃布、碳纖維、芳族聚酰胺纖維、塑料片、牛皮紙、棉布等片狀材料浸漬樹脂后有規(guī)則地交叉膠接疊層，之后在厚度方向拉伸就形成了空芯結(jié)構(gòu)的芯子?？招窘Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)格形式有正六邊形、正方形、菱形等；也可預(yù)先把片狀材料加工成波紋形狀，再進(jìn)行層間膠接。上述方法制作工藝簡(jiǎn)單，但獲得的空芯復(fù)合材料整體性差，層間強(qiáng)力較低，即粘接處相對(duì)薄弱，特別是當(dāng)這種材料受到剪切應(yīng)力作用或在高溫高濕高壓環(huán)境下，很容易在粘接處開裂。為此，世界各國(guó)都在致力于采用特殊的紡織結(jié)構(gòu)來研制空芯整體結(jié)構(gòu)紡織復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出了一個(gè)切實(shí)可行的、操作方便的方法，實(shí)現(xiàn)空芯機(jī)織復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明以下述方法得到實(shí)現(xiàn)的蜂窩狀三維立體整體空芯機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法，它是按下述步驟進(jìn)行的(1)把制作復(fù)合板材所需的材料模具、脫膜布A、帶填芯材料的復(fù)合材料預(yù)制品、脫膜布B、導(dǎo)流布、真空袋由下而上依次鋪層，導(dǎo)流布和脫模布的大小要比復(fù)合材料預(yù)制品的每一邊大20-100mm，并需將織物放在正中間；增強(qiáng)材料，采用玻璃纖維、碳纖維、芳綸、高強(qiáng)聚乙烯、高強(qiáng)滌綸等纖維制成的三維立體整體空芯機(jī)織物作用增強(qiáng)材料。填芯材料，為形成所需的空芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，在三維立體整體空芯機(jī)織物空芯部分需插入填芯棒材。填芯棒材可以是木制、竹制或塑料等其它材料制成。為了取得較好的效果，事先得做些準(zhǔn)備工作先將三維立體整體空芯機(jī)織物修整放平，同時(shí)對(duì)織物稱重并記錄其重量。將已預(yù)備的填芯棒材(其形狀和大小將根據(jù)實(shí)際需要而定)三維立體整體空芯機(jī)織物織物的孔內(nèi)，以防止在真空輔助灌注時(shí)，受真空袋壓力作用，孔型結(jié)構(gòu)被壓扁成二維狀態(tài)。
(2)放置好后，分別在兩端裝上基體輸入管、導(dǎo)流管、回流管，再用密封膠把真空袋的四周密封，形成塑模；(3)把基體輸入管夾緊，回流管與真空泵連接，接通真空泵電流，開始抽真空；由于制作的三維立體整體空芯機(jī)織物面積較大，為加快樹脂基體的浸漬，樹脂基體輸入管分為兩根。三維立體整體空芯機(jī)織物制品鋪層后同模具一起，用密封膜嚴(yán)密包好形成袋狀；利用真空泵抽真空(壓力可達(dá)到0.1MPa)，利用密封區(qū)內(nèi)真空環(huán)境與外界大氣壓的壓力差使密封膜緊密地貼在鋪層好的三維立體整體空芯機(jī)織物制品表面；此時(shí)，從樹脂基體輸入管將樹脂基體注入，樹脂基體浸漬織物，剩余的樹脂基體通過回流管回收。
(4)在抽真空的同時(shí)，開始配制樹脂膠液，把環(huán)氧乙烯基酯樹脂∶MEKP固化劑(重量濃度9％)∶Cobalt促進(jìn)劑(重量濃度0.6％)按重量比為100∶(1-10)∶(1-8)進(jìn)行配制，并進(jìn)行凝膠5-50min以備用；樹脂基材，本專利采用標(biāo)準(zhǔn)型環(huán)氧乙烯基酯樹脂，為中低粘度、非促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)型雙酚A環(huán)氧乙烯基酯樹脂。具有良好的耐酸、堿、鹽性，有良好的玻纖等浸潤(rùn)性和較好的延伸性等。
配膠過程是根據(jù)樹脂及纖維的特性而決定的，其理論依據(jù)如下纖維和標(biāo)準(zhǔn)型乙烯基酯樹脂都比較穩(wěn)定，計(jì)算復(fù)合材料板材體積時(shí)不需考慮它們之間的反應(yīng)對(duì)總體積、總質(zhì)量的影響。故有Vc＝Vf+Vm+Vk(A)Wc＝Wf+Wm(B)其中Vc、Vf、Vm、Vk分別為復(fù)合材料板材的體積、纖維的體積、樹脂膠液的體積和空芯部分的體積；Wc、Wf、Wm分別為復(fù)合材料板材的質(zhì)量、纖維的質(zhì)量、樹脂膠液的質(zhì)量。
如標(biāo)準(zhǔn)型乙烯基酯樹脂的密度ρ酯為1.05g/cm3；10％MEKP的密度是1.0g/cm3，1％Cobalt的密度是0.85g/cm3，乙烯基酯樹脂、MEKP和Cobalt固化系統(tǒng)的質(zhì)量比如按100∶1.5∶2計(jì)算，三者在混合過程中體積改變較小，因此假設(shè)混合樹脂膠液體積不變，通過如下計(jì)算公式求得樹脂膠液的密度ρm由ρm=WmVm]]>得
在成型過程中，要計(jì)算所需樹脂膠液的質(zhì)量Wm，可通過(A)式具體代入計(jì)算得出a·b·h=Wfρf+Wmρm+Vk---(D)]]>式中a，b，h--分別為織物經(jīng)向長(zhǎng)度、緯向長(zhǎng)度、織物厚度；ρf，ρm--分別為纖維的密度、樹脂膠液的密度；其中a、b、h通過多次實(shí)際測(cè)量數(shù)值平均得到，Vk根據(jù)設(shè)計(jì)的不同夾芯孔形幾何計(jì)算得出，綜上由(C)，(D)式可以得出Wm，如乙烯基酯樹脂與MEKP和Cobalt固化系統(tǒng)的質(zhì)量比為100∶1.5∶2，則可求得樹脂膠液配比各質(zhì)量。
如果計(jì)算所需要的樹脂基體約為400g。因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)的浪費(fèi)，同時(shí)由于在溫度較低時(shí)固體時(shí)間長(zhǎng)，所以在泵運(yùn)行過程中，吸入管中一定要有多余樹脂，才能保證真空，同時(shí)也可以避免過多的樹脂被抽離織物，可以多配置約200g的基體(5)當(dāng)真空泵抽真空完成后，把基體輸入管與樹脂膠液連接，打開基體輸入管夾子，在真空泵的抽力下，樹脂膠液順著輸入管、導(dǎo)流管、三維立體整體空芯機(jī)織物、回流管的路徑流動(dòng)，直至整個(gè)復(fù)合材料預(yù)制品內(nèi)布滿樹脂膠液，同時(shí)整個(gè)灌注過程不得超過30min；(6)灌注結(jié)束后，制成的復(fù)合材料在室溫下預(yù)固化5-30min，把復(fù)合材料預(yù)制品內(nèi)的填芯材料取出；(7)最后在室溫條件下進(jìn)一步固3天以上，即可得到產(chǎn)品。
作為優(yōu)選，上述的復(fù)合材料預(yù)制品中，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸、高強(qiáng)聚乙烯、高強(qiáng)滌綸為佳。
為了取得更好的效果，作為優(yōu)選，上述的導(dǎo)流布的尺寸要比復(fù)合材料預(yù)制品和脫模布大，導(dǎo)流布的導(dǎo)流方向要沿著樹脂膠液流動(dòng)的方向；作為優(yōu)選，上述的樹脂膠液配比為環(huán)氧乙烯基酯樹脂∶MEKP固化劑(重量濃度9％)∶Cobalt促進(jìn)劑(重量濃度0.6％)按重量比為100∶(1-4)∶(2-3)，這樣可以有效控制固化時(shí)間及灌注過程的均勻等問題。
作為優(yōu)選，上述的灌注過程為10min以內(nèi)，可以使整個(gè)材料的最后結(jié)果有良好的效果，若時(shí)間太長(zhǎng)，則樹脂膠液會(huì)出現(xiàn)固化，一旦固化，則樹脂膠液不利于流動(dòng)，導(dǎo)致出現(xiàn)一些不良后果，而且樹脂膠液的固化，本身是受樹脂膠液自身的特性決定的，一般不受人為因素影響，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)樹脂膠液本身所具有的特性來決定灌注過程中的時(shí)間。
作為優(yōu)選，上述的在室溫下預(yù)固化時(shí)間為5-15min，抽出填芯材料，原因與上述所述相雷同，因樹脂膠液本身的固化特性。抽出填芯材料，需要在一個(gè)相對(duì)合理的時(shí)間內(nèi)，若固化時(shí)間太久，則成為完全固化，不容易抽出填芯材料、甚至抽不出來，若還沒有一定的固化，而把填芯材料抽走，則最后的空腔可能因樹脂膠液的流動(dòng)而填埋，不具有空腔的效果。
在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中應(yīng)當(dāng)注意如下一些事項(xiàng)玻璃模具可采用平面光滑的玻璃模具，因此制成的板材底面光滑平整。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可以采用不同形狀、不同材料的模具，如采用頭盔模具，就能加工出三維整體空心機(jī)織物頭盔。
導(dǎo)流布導(dǎo)流布放置在脫膜布與真空袋之間，其尺寸一定要比三維織物和脫模布大；導(dǎo)流布具有方向性，其導(dǎo)流方向要沿著基體流入-流出的方向。
導(dǎo)流管導(dǎo)流管置于導(dǎo)流布之上，實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)表明，將導(dǎo)流管的方向確定。兩根導(dǎo)流管均分兩路導(dǎo)流，使整個(gè)面達(dá)到均勻滲透。
真空密封膜采用真空密封膜形成真空密封袋的關(guān)鍵技術(shù)是要做好密封，尤其是兩個(gè)基體輸入管和回流管處，很容易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，需要特別注意。
有益效果依據(jù)本發(fā)明所制備材料具有操作方便、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而制備而成的材料具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。


圖1真空輔助法制作三維立體整體空芯機(jī)織物復(fù)合材料原理示意圖的俯視2真空輔助法制作三維立體整體空芯機(jī)織物復(fù)合材料原理示意圖的正視3復(fù)合板灌注情況位移-時(shí)間曲線圖4復(fù)合板灌注情況速度-時(shí)間曲線圖5已鋪層和塑模完成的模具圖6抽真空后的模具圖7三維立體整體空芯機(jī)織物復(fù)合板材截面照片a、玻璃纖維b、高強(qiáng)滌綸c、碳纖維具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)話過程進(jìn)行說明實(shí)施例一先將三維立體整體空芯機(jī)織物修整放平，同時(shí)對(duì)織物稱重并記錄其重量。將已預(yù)備的填芯棒材，三維立體整體空芯機(jī)織物織物的孔內(nèi)，以防止在真空輔助灌注時(shí)，受真空袋壓力作用，孔型結(jié)構(gòu)被壓扁成二維狀態(tài)。如附圖1中，先將材料的鋪層順序由下而上依次是玻璃模具、脫膜布1、三維立體整體空芯機(jī)織物、脫膜布2、導(dǎo)流布、真空密封膜。其中脫膜布1是為了防止織物與玻璃模具之間的粘結(jié)；脫膜布2是為了防止織物與真空密封膜之間的粘結(jié)。導(dǎo)流布和脫模紙的大小要比織物的每一邊多出50mm，并需將織物放在正中間；擺放好之后分別在兩端裝上導(dǎo)入管和導(dǎo)出管，其中導(dǎo)出管在塑模內(nèi)部分為螺旋管以更完全吸收多余的樹脂；最后用專用密封膠真空密封膜在四周密封。由于制作的三維立體整體空芯機(jī)織物面積較大，為加快樹脂基體的浸漬，樹脂基體輸入管分為管1、管2兩根。三維立體整體空芯機(jī)織物制品鋪層后同模具一起，用密封膜嚴(yán)密包好形成袋狀；利用真空泵抽真空(壓力可達(dá)到0.1MPa)，利用密封區(qū)內(nèi)真空環(huán)境與外界大氣壓的壓力差使密封膜緊密地貼在鋪層好的三維立體整體空芯機(jī)織物制品表面；此時(shí)，從樹脂基體輸入管1、2將樹脂基體注入，樹脂基體浸漬織物，剩余的樹脂基體通過回流管回收。
然后，將兩根樹脂基體輸入管夾緊，回流管與真空泵連接，接通真空泵電流，開始抽真空。與此同時(shí)，檢查密封膠是否密封好，防止漏氣。密封的程度由真空泵抽真空時(shí)能否降至0點(diǎn)檢驗(yàn)。同時(shí)按比例環(huán)氧乙烯基酯樹脂、MEKP固化劑和Cobalt促進(jìn)劑的重量比例為100∶1∶2，配制樹脂膠液。在配置樹脂膠液時(shí)，先稱取已經(jīng)計(jì)算獲得的樹脂重量(計(jì)算方法見下所述)，再往樹脂中慢慢加入促進(jìn)劑Cobalt，同步用玻璃棒在樹脂中進(jìn)行攪拌，攪拌均勻后邊繼續(xù)用玻璃棒攪拌邊慢慢加入固化劑MEKP，攪拌均勻時(shí)樹脂膠液表面會(huì)有一層泡沫，靜置5分鐘泡沫會(huì)自行消失。樹脂膠液配置后備用。在配制中需注意不能將固化劑和促進(jìn)劑直接接觸，防止發(fā)生意外現(xiàn)象。
灌注過程樹脂灌注時(shí)樹脂基體的流向是從輸入管→導(dǎo)流管→三維立體整體空芯機(jī)織物→回流管。由于三維機(jī)織物的長(zhǎng)度較大，因此在灌注時(shí)，基體由輸入管1和輸入管2兩處輸入，以實(shí)現(xiàn)充分滲透；導(dǎo)流管的作用是將樹脂基體導(dǎo)流至織物表面，盡可能使基體均勻滲透至織物內(nèi)，防止因基體固化而引起的滲透不徹底；回流管是將充分滲透后多余的樹脂基體回流。
預(yù)固化及填芯棒拆除灌注結(jié)束后，制成的復(fù)合材料在室溫下預(yù)固化，根據(jù)室內(nèi)溫度等參數(shù)的不同，預(yù)固化的時(shí)間略有不同，此次為10分鐘。經(jīng)過預(yù)固化后，三維立體整體空芯機(jī)織物復(fù)合材料的空芯形狀已基本固定且填芯棒較容易抽離。在操作時(shí)只需在預(yù)固化期后將真空袋打開，逐一取出三維立體整體空芯機(jī)織物中的填芯棒即可。
經(jīng)預(yù)固化和填芯棒撤除以后，將材料置于大氣環(huán)境中放置兩周時(shí)間可以達(dá)到固化成型的復(fù)合材料。
實(shí)施例二按照實(shí)施例一的實(shí)施過程，配制不同的樹脂膠液，及在灌注過程中控制不同的流速，可以發(fā)現(xiàn)不同的灌注現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為圖3、圖4的曲線。
權(quán)利要求
1.蜂窩狀三維立體整體空芯機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法，它是按下述步驟進(jìn)行的(1)把制作復(fù)合板材所需的材料模具、脫膜布A、帶填芯材料的復(fù)合材料預(yù)制品、脫膜布B、導(dǎo)流布、真空袋由下而上依次鋪層，導(dǎo)流布和脫模布的大小要比復(fù)合材料預(yù)制品的每一邊大20-100mm，并需將織物放在正中間；(2)放置好后，分別在兩端裝上基體輸入管、導(dǎo)流管、回流管，再用密封膠把真空袋的四周密封，形成塑模；(3)把基體輸入管夾緊，回流管與真空泵連接，接通真空泵電流，開始抽真空；(4)在抽真空的同時(shí)，開始配制樹脂膠液，把環(huán)氧乙烯基酯樹脂∶MEKP固化劑(重量濃度9％)∶Cobalt促進(jìn)劑(重量濃度0.6％)按重量比為100∶(1-10)∶(1-8)進(jìn)行配制，并進(jìn)行凝膠5-50min以備用；(5)當(dāng)真空泵抽真空完成后，把基體輸入管與樹脂膠液連接，打開基體輸入管夾子，在真空泵的抽力下，樹脂膠液順著輸入管、導(dǎo)流管、三維立體整體空芯機(jī)織物、回流管的路徑流動(dòng)，直至整個(gè)復(fù)合材料預(yù)制品內(nèi)布滿樹脂膠液，同時(shí)整個(gè)灌注過程不得超過30min；(6)灌注結(jié)束后，制成的復(fù)合材料在室溫下預(yù)固化5-30min，把復(fù)合材料預(yù)制品內(nèi)的填芯材料取出；(7)最后在室溫條件下進(jìn)一步固3天以上，即可得到產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蜂窩狀三維立體整體空芯機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法，其特征在于所述的復(fù)合材料預(yù)制品為玻璃纖維、碳纖維、芳綸、高強(qiáng)聚乙烯、高強(qiáng)滌綸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蜂窩狀三維立體整體空芯機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法，其特征在于所述的導(dǎo)流布的尺寸要比復(fù)合材料預(yù)制品和脫模布大，導(dǎo)流布的導(dǎo)流方向要沿著樹脂膠液流動(dòng)的方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蜂窩狀三維立體整體空芯機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法，其特征在于所述的樹脂膠液配比為環(huán)氧乙烯基酯樹脂∶MEKP固化劑(重量濃度9％)∶Cobalt促進(jìn)劑(重量濃度0.6％)按重量比為100∶(1-4)∶(2-3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蜂窩狀三維立體整體空芯機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法，其特征在于所述的灌注過程為10min以內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蜂窩狀三維立體整體空芯機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法，其特征在于所述的在室溫下預(yù)固化時(shí)間為5-15min，抽出填芯材料。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種蜂窩狀三維立體整體增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法，它屬于復(fù)合材料的制備方法。它的制作過程包括了材料的按規(guī)律放置、抽真空、配制樹脂膠液、灌注過程、預(yù)固化及抽走填芯材料、最終固化等步驟。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以制備高強(qiáng)度、輕質(zhì)量的中空復(fù)合材料，且具有高的能量吸收能力，隔音、隔熱性能突出、同時(shí)具有堅(jiān)韌性好、比強(qiáng)度和比剛度高、耐沖擊等特性。本發(fā)明具有廣泛的用途，聚合泡沫體和蜂窩結(jié)構(gòu)被廣泛用作電子元件或者易碎貨物的包裝和襯墊材料，以吸收在運(yùn)輸途中產(chǎn)生的沖擊能量，高強(qiáng)度的空芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料則在航空、航天、運(yùn)輸工具、土建等許多領(lǐng)域應(yīng)用極廣。
文檔編號(hào)D06N3/00GK101059198SQ20071006859
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月22日
發(fā)明者祝成炎, 徐國(guó)平, 張紅霞, 朱俊萍 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)