CN103737946A

CN103737946A - 一种双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料的成型方法

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Publication number: CN103737946A
Application number: CN201410002892.9A
Authority: CN
Inventors: 刘钧; 曾竟成; 江大志; 肖加余; 彭超义; 杨金水
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2014-01-03
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-03
Also published as: CN103737946B

Abstract

本发明公开了一种双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料的成型方法，采用液体成型方法实现双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料的整体成型制备，包括以下步骤：在可加热工作模具上，采用分步骤浸渍工艺，利用树脂膜熔渗法Z向浸渍双层夹芯结构预成型体中的下层预成型体，再采用真空导入模塑法导入液态树脂浸渍双层夹芯结构预成型体中的上层预成型体和中层预成型体；浸渍完成后，将浸透树脂的上、中、下层预成型体及中间夹杂的两层泡沫夹芯进行共固化成型，得到双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料。本发明具有操作简单、环保、成本低、功能性强等优点，特别适合于大尺寸复合材料构件的成型制备。

Description

一种双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料的成型方法

技术领域

本发明属于维增强树脂基复合材料的加工技术领域，尤其涉及一种具有夹芯结构的树脂基复合材料的成型方法。

背景技术

夹芯结构自20世纪四十年代出现以来，其主要特点是抗弯刚度大、结构重量轻，即夹芯结构具有高的比强度和比模量，而且耐疲劳、抗振动性能好，隔音、隔热等性能优异，并能有效地吸收冲击能量，同时还能通过选择适当的面板、芯材和胶粘剂，满足各种使用条件下的要求，因此一直是航空和航天工程中重要的“结构材料”。

夹芯结构的成型一般采用的是将面板、芯材分别预成型后再进行粘接固化，工序较多且粘接质量不好保证。对于单层泡沫夹芯结构复合材料而言，除了一些特殊产品可采用中间发泡粘接两边面板的方法连续成型外，各种类型的结构都还可以采用低成本的真空导入模塑（VIMP）工艺成型（真空导入模塑工艺是在单面刚性模具上用柔性真空袋膜包覆、密封纤维增强材料，利用真空负压排除模腔中的气体，并通过真空负压驱动树脂流动而实现树脂对纤维及其织物浸渍，并在室温或加热条件下直接固化成型）：下层铺放干的纤维织物、中层铺放开槽开孔泡沫芯材、上层铺放干的纤维织物，然后采用真空袋膜封装，树脂浸渍、固化，一次成型，该工艺中面板铺层的可设计性强，面板与芯材粘接良好，制品性能优良，有力推动了单层泡沫夹芯结构的工程应用（参见表1）。

表1：单层夹芯结构的几种典型应用

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随着单层夹芯结构在工程应用中越来越广泛，人们也渐渐发现了它存在的一些不足，例如：抵抗低速冲击性能很差。当其在制造成型、运输、使用和维护过程中受外来物的低速冲击（如工具掉落、冰雹撞击等），将对面板造成基体开裂和纤维断裂、面板和芯体间界面脱粘等多种形式的损伤，从而导致结构承载能力的弱化，尤其是压缩或剪切承载能力将出现大幅度的下降，甚至失效。损伤对结构造成的后续破坏也很严重，例如当外面板被破坏后，有水或其他物质渗入芯材也会导致结构失效。此外单层夹芯结构也可应用于军事装备，如直升机机翼，但一旦结构遭到破坏，则将无法继续使用，需要立即修复。

为了解决上述问题，人们提出了双层夹芯结构。双层夹芯结构如图1所示，主要由上面板1、下面板2、上层泡沫夹芯3、下层泡沫夹芯4和内面板5组成。双层夹芯结构不仅具有单层夹芯结构的一般特性，还具有特殊的优点，主要体现在以下三个方面：

（1）双层夹芯结构引入内面板5，提高了其在撞击方向的硬度，同时内面板5还可以将撞击作用分散给整个夹芯结构，因此双层夹芯结构具有更好的抗撞击性能。国内外的研究结果表明：在较高的冲击速度下，多层夹芯结构的损伤程度要小于单层夹芯结构；冲击过后，多层夹芯结构比单层夹芯结构具有更高的剩余抗压强度。

（2）双层夹芯结构的损坏形式存在过渡状态，并不是外面板一经损坏整个结构就会失效。因此，在某些紧急情况下不需要立即修复，仍然可以继续使用。

（3）由于双层夹芯结构中上下芯材可以相同也可以不同，所以可以根据各种需求进行设计，达到合理利用材料的目的，从而大大扩展了夹芯结构的使用范围。

就制作工艺而言，单层泡沫夹芯结构可以采用低成本的真空导入模塑工艺成型，实际成型过程中，通过芯材开孔（导胶孔）开槽，以面内浸渍为主的传统VIMP工艺可以浸透单层夹芯结构中的上层和下层预成型体，进而整体固化成型制品；但对于双层泡沫夹芯结构而言，由于双层泡沫芯材的隔离，这类结构不能采用传统VIMP工艺实现低成本整体制备，同单层夹芯结构一样，在泡沫芯材中开孔（导胶孔）开槽，以面内浸渍为主的传统VIMP工艺可以浸透双层夹芯结构中的上层和中层预成型体，但不能完全浸透下层预成型体，无法制备质量合格的双层夹芯复合材料结构。特别是在树脂体系加入固体阻燃填料之后，树脂流动性能下降，更难以浸透下层预成型体，不能整体成型抗撞击性能好的大尺寸双层夹芯复合材料结构。

可见，双层夹芯结构性能虽好，但其制造工艺不简单，需要将三层面板、两层夹芯分别预成型后粘接、固化成型，工序多、工艺成本高，且粘接质量难以保证，这些缺点限制了双层夹芯结构的推广应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、环保、成本低、功能性强、特别适合于大尺寸复合材料构件的双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料的成型方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料的成型方法，其特征在于，采用液体成型方法实现双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料的整体成型制备，包括以下步骤：在可加热工作模具上，采用分步骤浸渍工艺，利用树脂膜熔渗法（RFI）Z向浸渍双层夹芯结构预成型体中的下层（底层）预成型体，再采用真空导入模塑法（VIMP）导入液态树脂浸渍双层夹芯结构预成型体中的上层预成型体和中层预成型体；浸渍完成后，将浸透树脂的上、中、下层预成型体及中间夹杂的两层泡沫夹芯进行共固化成型，得到双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料。

上述的成型方法中，优选的，所述双层夹芯结构预成型体置放在一树脂膜（树脂膜优选为具有阻燃或抗紫外老化功能的功能型树脂膜）表面，所述双层夹芯结构预成型体由下至上依次包括下层增强材料、下层泡沫夹芯、中层增强材料、上层泡沫夹芯和上层增强材料。

上述的成型方法中，优选的，所述真空导入模塑法中的真空导入装置设置在所述双层夹芯结构预成型体的上方，且真空导入模塑法中利用真空袋膜将所述双层夹芯结构预成型体和树脂膜一并封装。

上述的成型方法中，优选的，利用树脂膜熔渗法Z向浸渍双层夹芯结构预成型体前，先通过抽真空使工作模具保持真空状态（优选相对真空度不小于0.95大气压/atm，即绝对真空不大于0.05大气压），再通过加热工作模具使树脂膜熔渗后Z向浸渍双层夹芯结构预成型体（优选控温60℃～70℃）。

上述的成型方法中，优选的，采用真空导入模塑法导入液态树脂浸渍双层夹芯结构预成型体前，关闭所述工作模具的加热系统。

上述的成型方法中，优选的，通过再次加热工作模具进行所述的共固化成型，共固化成型时的温度控制在60℃～70℃，真空度控制在相对真空不小于0.95大气压/atm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明采用Z向/面内分时浸渍工艺制备双层夹芯复合材料结构，属于液相整体成型，其工艺步骤与VIMP工艺类似，不仅操作简便，而且制备成本低；

（2）本发明树脂膜熔渗法中可以铺放诸于阻燃、抗紫外老化等功能型树脂膜，从而使双层夹芯复合材料的下表面具有相应的阻燃、抗紫外老化等功能，使双层夹芯复合材料结构能够满足不同环境使用要求；

（3）本发明整体采用真空袋压成型，各层面板的纤维体积分数较高，加之双层夹芯结构比单层夹芯结构具有更高的抗冲击性能，由此工艺制备的复合材料构件可用于航天器、轨道交通、船舶等主承力结构；

（4）采用本发明整体制备的双层夹芯复合材料结构的外形尺寸、形位公差受刚性阴模保证，容易满足设计要求。

附图说明

图1为现有双层夹芯结构的结构示意图。

图2为本发明成型方法的浸渍工艺原理图。

图3为本发明实施例1中成型得到的双层及单层夹芯复合材料平板结构试样的照片；由左至右依次为上、下泡沫夹芯高度比在5:15、10:10、15:5双层泡沫夹芯复合材料试样及单层泡沫夹芯复合材料。

图例说明：

1、上面板（成型后）；2、下面板（成型后）；3、上层泡沫夹芯；4、下层泡沫夹芯；5、内面板（成型后）；6、导胶孔；7、中层预成型体（成型前）；8、树脂膜；9、上层预成型体（成型前）；10、导流介质；111、注胶咀；112、注胶管；121、溢胶咀；122、溢胶管；13、真空袋膜；14、下层预成型体（成型前）；15、密封胶条。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：制备双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料平板。

一种如图2所示本发明的双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料的成型方法，具体包括以下步骤：

1. 模具准备：

在500mm*500mm的金属平板模具（内嵌电阻丝加热系统）工作面上，进行打磨、清理、处理后，涂覆脱模剂，备用。

2. 材料准备：

根据产品制备要求，分别准备好相应的增强材料、RFI树脂膜、液态浸渍树脂，以及真空导入模塑工艺所需的导流网、脱模布、吸胶棉、真空袋膜13、密封胶条15、真空吸嘴、走胶管、注胶管、集胶罐等辅助材料。

2.1 RFI树脂膜准备：

将500g环氧树脂E-44（一种淡黄色粘稠液体，购自岳阳石油化工总厂环氧树脂厂）与500g 环氧树脂CYD-011（一种白色透明固体，购自岳阳石油化工总厂环氧树脂厂）混配好后，加入40g 704固化剂（一种棕黑色液体，主要成分是2－甲基咪唑与环氧丙烷异辛基醚加成物，购自天津化学试剂有限公司），搅拌均匀，在平板模具上刮成厚度约0.5mm的树脂膜。室温晾干后，用裁纸刀裁切400mm*400mm树脂膜备用。

2.2增强材料准备：

将无碱玻璃纤维04平纹布（购自江苏丹阳中亚玻璃纤维有限公司）剪裁成400mm*400mm方块共计18块，在105℃烘箱中烘干10h，备用。

2.3 PVC泡沫芯材准备：

将市购的40kg/m³的PVC泡沫轮廓板（购自天津撒维斯化工复合材料有限公司）切割成2块厚度为10mm的400mm*400mm方块，备用。

3. 树脂膜铺放：

在准备好的模具表面铺放0.5mm厚的树脂膜8，树脂膜8的铺放量是根据双层泡沫夹芯复合材料目标制品的下层复合材料面板所需的树脂量进行控制（参见图2）。

4. 纤维床铺放：

在已铺放的树脂膜8表面，依次铺放双层泡沫夹芯复合材料目标制品所需的下层增强材料（6层04平纹布）、下层泡沫夹芯4（1层PVC泡沫）、中层增强材料（6层04平纹布）、上层泡沫夹芯3（1层PVC泡沫）和上层增强材料（6层04平纹布）。

5. 真空袋膜封装：

根据VIMP工艺要求，在已铺放好纤维床（包括依次铺放的RFI树脂膜、下层增强材料、下层泡沫夹芯、中层增强材料、上层泡沫夹芯和上层增强材料）上，依次铺放脱模布和导流介质10，布置注胶咀111和溢胶咀121后，在模具边缘距纤维床约70mm～100mm外粘贴密封胶条15，并用真空袋膜13将所有的原、辅材料密封在真空袋内。

6. 真空管路连接：

在注胶咀111上连接注胶管112，在溢胶咀121上连接溢胶管122，溢胶管122上连接集胶罐后，再与真空泵连接，检查真空。堵塞注胶管后，启动真空泵，检查整个模腔（真空袋膜封装区域）的密封性。当模腔密封性合格后，即可开始下一个操作步骤。

7. 树脂膜熔融浸渗：

启动并维持模腔真空状态，启动模具加热装置，使模具升温至60℃，树脂膜熔融后，在真空压力下，使铺放在模具表面的树脂膜浸渍下层预成型体14（即纤维床的下层平纹布织物）。

8. 液态树脂真空导入：

将环氧树脂LT-5078A（购自会展电子材料（上海）有限公司）和相应的固化剂LT-5078-2按100:30的比例混合后，将注胶管11插入胶桶中，打开注胶阀门，使胶液在真空压力作用下导入密封模腔中，通过走胶管、导胶孔6、导流介质10等迅速分流、浸渗纤维床中的上层预成型体9和中层预成型体7后，关闭注胶阀门。

9. 整体固化：

维持系统真空，并将模具系统（连同还未固化的复合材料）送入烘箱，烘箱升温至70℃，保温4h，使密封在真空袋膜内的双层泡沫夹芯复合材料预成型体整体固化。纤维床固化后，关闭模具加热系统，使模具及制品温度降低至室温。

10. 脱模及后处理：

脱除真空袋膜及脱模布、导流介质、注胶咀、走胶管和溢胶咀等辅助材料，轻轻敲击，使双层泡沫夹芯复合材料平板从金属平板上脱除，去除飞边，得到双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料平板。

采用同样的工艺，分别制备了上、下泡沫夹芯高度分别为：5:15、10:10、15:5的双层泡沫夹芯复合材料试样及单层泡沫夹芯复合材料平板试样见图3。

实施例2：制备双层夹芯结构复合材料地铁车头罩。

1. 模具准备：

在内置电阻丝加热系统的复合材料车头罩模具面上，进行打磨清理处理后，涂覆脱模剂，备用。

2. RFI树脂膜准备：

将5000g环氧树脂E-44（一种淡黄色粘稠液体，购自岳阳石油化工总厂环氧树脂厂）与5000g 环氧树脂CYD-011（一种白色透明固体，购自岳阳石油化工总厂环氧树脂厂）混配好后，分别加入8000g 超细Al(OH)₃（白色粉末，株洲电力机车广缘科技公司提供）和1500g甲基膦酸二甲酯（DMMP，无色透明低粘度液体，购自青岛联美化工有限公司），400g 704固化剂（一种棕黑色液体，主要成分是2－甲基咪唑与环氧丙烷异辛基醚加成物，购自天津化学试剂有限公司），搅拌均匀，在平板模具上刮成厚度约1mm的树脂膜。室温晾干后，根据车头罩形状，用裁纸刀裁切成合适大小的树脂膜备用。

3. 增强材料准备：

根据车头罩增强材料用量，将无碱玻璃纤维连续毡、无碱玻璃纤维多轴向织物（购自江苏丹阳中亚玻璃纤维有限公司）剪裁成大小合适的方块，在105℃烘箱中烘干10h，备用。

4. PVC泡沫芯材准备：

将市购的60kg/m³的PVC泡沫轮廓板（购自天津撒维斯化工复合材料有限公司）依据车头罩形状，切割成厚度为30mm的合适形状的方块，备用。

5. 纤维床铺放：

在准备好的模具上，依次铺放树脂膜、2层连续毡、6层多轴向布、1层PVC泡沫、2层多轴向布、1层连续毡、2层多轴向布、1层PVC泡沫和6层多轴向布后，根据走胶工艺设计，在纤维床上铺放脱模布和导流网，布置注胶咀、走胶管和溢胶咀。

6. 真空袋膜封装：

在模具周边距纤维床100mm处粘贴密封胶条，并用真空袋膜将纤维床等所有材料全部密封在真空袋膜中，然后连接注胶及真空管路，检查真空。

7. RFI树脂膜浸渗：

真空合格后，启动模具加热装置，使模具升温至60℃，保温使树脂膜熔融后，在真空压力下，浸渗纤维床的下层织物增强体。

8. 液体树脂浸渗：

将不饱和聚酯树脂9001-I-1、固化剂M50、促进剂5002-M-2（购自金陵帝斯曼）按照100:1.1:1.3比例混合，搅匀后，将注胶管插入胶桶中，打开注胶阀门，使胶液在真空压力作用下导入密封模腔中，通过走胶管、导流网等迅速分流、浸渗纤维床中的上层和中层增强织物后，关闭注胶阀门。

9. 整体固化：

维持系统真空，并在真空袋膜上覆盖保温棉被，启动模具加热装置，使模具升温至70℃，保温6h，使密封在真空袋膜内的双层夹芯复合材料固化。

10. 脱模及后处理：

脱除真空袋膜及其他辅助材料，轻轻敲击，使双层夹芯复合材料车头罩与复合材料模具分离，去除飞边，得到双层夹芯复合材料车头罩产品。

本实施例采用Z向/面内分时浸渍工艺，试制了双层泡沫夹芯复合材料机车头罩结构，制品表面及内部无明显缺陷，制成的复合材料车头罩性能优异，在承受同等载荷的条件下，比原单层夹芯玻璃纤维复合材料车头罩减重超过40%。试制的各型双层夹芯复合材料结构全部通过了承载性能测试，完全满足设计指标的要求。

Claims

1.一种双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料的成型方法，其特征在于，采用液体成型方法实现双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料的整体成型制备，包括以下步骤：在可加热工作模具上，采用分步骤浸渍工艺，利用树脂膜熔渗法Z向浸渍双层夹芯结构预成型体中的下层预成型体，再采用真空导入模塑法导入液态树脂浸渍双层夹芯结构预成型体中的上层预成型体和中层预成型体；浸渍完成后，将浸透树脂的上、中、下层预成型体及中间夹杂的两层泡沫夹芯进行共固化成型，得到双层泡沫夹芯结构树脂基复合材料。

2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：所述双层夹芯结构预成型体置放在一树脂膜表面，所述双层夹芯结构预成型体由下至上依次包括下层增强材料、下层泡沫夹芯、中层增强材料、上层泡沫夹芯和上层增强材料。

3.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于：所述真空导入模塑法中的真空导入装置设置在所述双层夹芯结构预成型体的上方，且真空导入模塑法中利用真空袋膜将所述双层夹芯结构预成型体和树脂膜一并封装。

4.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于：所述树脂膜为具有阻燃或抗紫外老化功能的功能型树脂膜。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的成型方法，其特征在于：利用树脂膜熔渗法Z向浸渍双层夹芯结构预成型体前，先通过抽真空使工作模具保持真空状态，再通过加热工作模具使树脂膜熔渗后Z向浸渍双层夹芯结构预成型体。

6.根据权利要求5所述的成型方法，其特征在于：所述真空状态是指相对真空度不小于0.95大气压/atm。

7.根据权利要求5所述的成型方法，其特征在于：所述通过加热工作模具使树脂膜熔渗的加热温度控制在60℃～70℃。

8.根据权利要求5所述的成型方法，其特征在于：采用真空导入模塑法导入液态树脂浸渍双层夹芯结构预成型体前，关闭所述工作模具的加热系统。

9.根据权利要求6所述的成型方法，其特征在于：通过再次加热工作模具进行所述的共固化成型，共固化成型时的温度控制在60℃～70℃，真空度控制在相对真空度不小于0.95大气压/atm。