CN100543357C - 蜂窝状三维立体整体空芯机织增强复合材料的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种蜂窝状三维立体整体增强复合材料的成型方法，它属于复合材料的制备方法。它的制作过程包括了材料的按规律放置、抽真空、配制树脂胶液、灌注过程、预固化及抽走填芯材料、最终固化等步骤。本发明的优点是可以制备高强度、轻质量的中空复合材料，且具有高的能量吸收能力，隔音、隔热性能突出、同时具有坚韧性好、比强度和比刚度高、耐冲击等特性。本发明具有广泛的用途，聚合泡沫体和蜂窝结构被广泛用作电子元件或者易碎货物的包装和衬垫材料，以吸收在运输途中产生的冲击能量，高强度的空芯结构复合材料则在航空、航天、运输工具、土建等许多领域应用极广。

Description

蜂窝状三维立体整体空芯机织增强复合材料的成型方法

技术领域

本发明属于三维立体复合材料的制备方法，尤其是指一种蜂窝状三维立体整体增强复合材料的成型方法。

背景技术

由于空芯结构复合材料内部通常含有大量的空间，中间含有大量的空气，表现为重量轻、具有高的能量吸收能力，隔音、隔热性能突出、同时具有坚韧性好、比强度和比刚度高、耐冲击等优点，其应用极为广泛。如聚合泡沫体和蜂窝结构被广泛用作电子元件或者易碎货物的包装和衬垫材料，以吸收在运输途中产生的冲击能量。高强度的空芯结构复合材料则在航空、航天、运输工具、土建等许多领域应用极广，主要是用作能量吸收体和代替钢材的结构材料减轻重量使用。目前全世界主要飞机制造公司生产的飞机的地板、机冀等构件大都采用全复合材料夹芯结构。

目前，常用的芯材加工方法是将轻金屑箔(如铝箔)、玻璃布、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、塑料片、牛皮纸、棉布等片状材料浸渍树脂后有规则地交叉胶接叠层，之后在厚度方向拉伸就形成了空芯结构的芯子。空芯结构的网格形式有正六边形、正方形、菱形等；也可预先把片状材料加工成波纹形状，再进行层间胶接。上述方法制作工艺简单，但获得的空芯复合材料整体性差，层间强力较低，即粘接处相对薄弱，特别是当这种材料受到剪切应力作用或在高温高湿高压环境下，很容易在粘接处开裂。为此，世界各国都在致力于采用特殊的纺织结构来研制空芯整体结构纺织复合材料。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提出了一个切实可行的、操作方便的方法，实现空芯机织复合材料的制备方法。

本发明以下述方法得到实现的：

蜂窝状三维立体整体空芯机织增强复合材料的成型方法，它是按下述步骤进行的：

(1)把制作复合板材所需的材料：模具、脱膜布A、带填芯材料的复合材料预制品、脱膜布B、导流布、真空袋由下而上依次铺层，导流布和脱模布的大小要比复合材料预制品的每一边大20—100mm，并需将织物放在正中间；增强材料，采用玻璃纤维、碳纤维、芳纶、高强聚乙烯、高强涤纶等纤维制成的三维立体整体空芯机织物作用增强材料。填芯材料，为形成所需的空芯结构复合材料，在三维立体整体空芯机织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。为了取得较好的效果，事先得做些准备工作：先将三维立体整体空芯机织物修整放平，同时对织物称重并记录其重量。将已预备的填芯棒材(其形状和大小将根据实际需要而定)三维立体整体空芯机织物织物的孔内，以防止在真空辅助灌注时，受真空袋压力作用，孔型结构被压扁成二维状态。

(2)放置好后，分别在两端装上基体输入管、导流管、回流管，再用密封胶把真空袋的四周密封，形成塑模；

(3)把基体输入管夹紧，回流管与真空泵连接，接通真空泵电流，开始抽真空；由于制作的三维立体整体空芯机织物面积较大，为加快树脂基体的浸渍，树脂基体输入管分为两根。三维立体整体空芯机织物制品铺层后同模具一起，用密封膜严密包好形成袋状；利用真空泵抽真空(压力可达到0.1MPa)，利用密封区内真空环境与外界大气压的压力差使密封膜紧密地贴在铺层好的三维立体整体空芯机织物制品表面；此时，从树脂基体输入管将树脂基体注入，树脂基体浸渍织物，剩余的树脂基体通过回流管回收。

(4)在抽真空的同时，开始配制树脂胶液，把环氧乙烯基酯树脂：MEKP固化剂(重量浓度9％)：Cobalt促进剂(重量浓度0.6％)按重量比为100：(1-10)：(1-8)进行配制，并进行凝胶5—50min以备用；树脂基材，本专利采用标准型环氧乙烯基酯树脂，为中低粘度、非促进标准型双酚A环氧乙烯基酯树脂。具有良好的耐酸、碱、盐性，有良好的玻纤等浸润性和较好的延伸性等。

配胶过程是根据树脂及纤维的特性而决定的，其理论依据如下：纤维和标准型乙烯基酯树脂都比较稳定，计算复合材料板材体积时不需考虑它们之间的反应对总体积、总质量的影响。故有：

V_c＝V_f+V_m+V_k                (A)

W_c＝W_f+W_m                   (B)

其中V_c、V_f、V_m、V_k分别为复合材料板材的体积、纤维的体积、树脂胶液的体积和空芯部分的体积；W_c、W_f、W_m分别为复合材料板材的质量、纤维的质量、树脂胶液的质量。

如标准型乙烯基酯树脂的密度ρ_酯为1.05g/cm³；10％MEKP的密度是1.0g/cm³，1％Cobalt的密度是0.85g/cm³，乙烯基酯树脂、MEKP和Cobalt固化系统的质量比如按100：1.5：2计算，三者在混合过程中体积改变较小，因此假设混合树脂胶液体积不变，通过如下计算公式求得树脂胶液的密度ρ_m：

由 ${\mathrm{\ρ}}_m=\frac{W_m}{V_m}$ 得

在成型过程中，要计算所需树脂胶液的质量W_m，可通过(A)式具体代入计算得出：

$a\·b\·h=\frac{W_f}{\mathrm{\ρf}}+\frac{W_m}{\mathrm{\ρm}}+V_k---\left(D\right)$

式中：a，b，h--分别为织物经向长度、纬向长度、织物厚度；

      ρ_f，ρ_m--分别为纤维的密度、树脂胶液的密度；

其中a、b、h通过多次实际测量数值平均得到，V_k根据设计的不同夹芯孔形几何计算得出，综上由(C)，(D)式可以得出W_m，如乙烯基酯树脂与MEKP和Cobalt固化系统的质量比为100:1.5：2，则可求得树脂胶液配比各质量。

如果计算所需要的树脂基体约为400g。因为可能出现的浪费，同时由于在温度较低时固体时间长，所以在泵运行过程中，吸入管中一定要有多余树脂，才能保证真空，同时也可以避免过多的树脂被抽离织物，可以多配置约200g的基体

(5)当真空泵抽真空完成后，把基体输入管与树脂胶液连接，打开基体输入管夹子，在真空泵的抽力下，树脂胶液顺着输入管、导流管、三维立体整体空芯机织物、回流管的路径流动，直至整个复合材料预制品内布满树脂胶液，同时整个灌注过程不得超过30min；

(6)灌注结束后，制成的复合材料在室温下预固化5—30min，把复合材料预制品内的填芯材料取出；

(7)最后在室温条件下进一步固3天以上，即可得到产品。

作为优选，上述的复合材料预制品中，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶、高强聚乙烯、高强涤纶为佳。

为了取得更好的效果，作为优选，上述的导流布的尺寸要比复合材料预制品和脱模布大，导流布的导流方向要沿着树脂胶液流动的方向；

作为优选，上述的树脂胶液配比为环氧乙烯基酯树脂：MEKP固化剂(重量浓度9％)：Cobalt促进剂(重量浓度0.6％)按重量比为100：(1-4)：(2-3)，这样可以有效控制固化时间及灌注过程的均匀等问题。

作为优选，上述的灌注过程为10min以内，可以使整个材料的最后结果有良好的效果，若时间太长，则树脂胶液会出现固化，一旦固化，则树脂胶液不利于流动，导致出现一些不良后果，而且树脂胶液的固化，本身是受树脂胶液自身的特性决定的，一般不受人为因素影响，所以应当根据树脂胶液本身所具有的特性来决定灌注过程中的时间。

作为优选，上述的在室温下预固化时间为5—15min，抽出填芯材料，原因与上述所述相雷同，因树脂胶液本身的固化特性。抽出填芯材料，需要在一个相对合理的时间内，若固化时间太久，则成为完全固化，不容易抽出填芯材料、甚至抽不出来，若还没有一定的固化，而把填芯材料抽走，则最后的空腔可能因树脂胶液的流动而填埋，不具有空腔的效果。

在实现本发明的过程中应当注意如下一些事项：

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。实际生产时，可以采用不同形状、不同材料的模具，如采用头盔模具，就能加工出三维整体空心机织物头盔。

导流布：导流布放置在脱膜布与真空袋之间，其尺寸一定要比三维织物和脱模布大；导流布具有方向性，其导流方向要沿着基体流入—流出的方向。

导流管：导流管置于导流布之上，实际操作经验表明，将导流管的方向确定。两根导流管均分两路导流，使整个面达到均匀渗透。

真空密封膜：采用真空密封膜形成真空密封袋的关键技术是要做好密封，尤其是两个基体输入管和回流管处，很容易出现漏气现象，需要特别注意。

有益效果：依据本发明所制备材料具有操作方便、设备简单等优点，而制备而成的材料具有强度高、质量轻等特点。

附图说明

图1真空辅助法制作三维立体整体空芯机织物复合材料原理示意图的俯视图

图2真空辅助法制作三维立体整体空芯机织物复合材料原理示意图的正视图

图3复合板灌注情况位移—时间曲线

图4复合板灌注情况速度一时间曲线

图5已铺层和塑模完成的模具

图6抽真空后的模具

图7三维立体整体空芯机织物复合板材截面照片a、玻璃纤维b、高强涤纶c、碳纤维

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实话过程进行说明：

实施例一：

先将三维立体整体空芯机织物修整放平，同时对织物称重并记录其重量。将已预备的填芯棒材，三维立体整体空芯机织物织物的孔内，以防止在真空辅助灌注时，受真空袋压力作用，孔型结构被压扁成二维状态。如附图1中，先将材料的铺层顺序由下而上依次是：玻璃模具、脱膜布1、三维立体整体空芯机织物、脱膜布2、导流布、真空密封膜。其中脱膜布1是为了防止织物与玻璃模具之间的粘结；脱膜布2是为了防止织物与真空密封膜之间的粘结。导流布和脱模纸的大小要比织物的每一边多出50mm，并需将织物放在正中间；摆放好之后分别在两端装上导入管和导出管，其中导出管在塑模内部分为螺旋管以更完全吸收多余的树脂；最后用专用密封胶真空密封膜在四周密封。由于制作的三维立体整体空芯机织物面积较大，为加快树脂基体的浸渍，树脂基体输入管分为管1、管2两根。三维立体整体空芯机织物制品铺层后同模具一起，用密封膜严密包好形成袋状；利用真空泵抽真空(压力可达到0.1MPa)，利用密封区内真空环境与外界大气压的压力差使密封膜紧密地贴在铺层好的三维立体整体空芯机织物制品表面；此时，从树脂基体输入管1、2将树脂基体注入，树脂基体浸渍织物，剩余的树脂基体通过回流管回收。

然后，将两根树脂基体输入管夹紧，回流管与真空泵连接，接通真空泵电流，开始抽真空。与此同时，检查密封胶是否密封好，防止漏气。密封的程度由真空泵抽真空时能否降至0点检验。同时按比例：环氧乙烯基酯树脂、MEKP固化剂和Cobalt促进剂的重量比例为100：1：2，配制树脂胶液。在配置树脂胶液时，先称取已经计算获得的树脂重量(计算方法见下所述)，再往树脂中慢慢加入促进剂Cobalt，同步用玻璃棒在树脂中进行搅拌，搅拌均匀后边继续用玻璃棒搅拌边慢慢加入固化剂MEKP，搅拌均匀时树脂胶液表面会有一层泡沫，静置5分钟泡沫会自行消失。树脂胶液配置后备用。在配制中需注意不能将固化剂和促进剂直接接触，防止发生意外现象。

灌注过程：树脂灌注时树脂基体的流向是：从输入管→导流管→三维立体整体空芯机织物→回流管。由于三维机织物的长度较大，因此在灌注时，基体由输入管1和输入管2两处输入，以实现充分渗透；导流管的作用是将树脂基体导流至织物表面，尽可能使基体均匀渗透至织物内，防止因基体固化而引起的渗透不彻底；回流管是将充分渗透后多余的树脂基体回流。

预固化及填芯棒拆除：灌注结束后，制成的复合材料在室温下预固化，根据室内温度等参数的不同，预固化的时间略有不同，此次为10分钟。经过预固化后，三维立体整体空芯机织物复合材料的空芯形状已基本固定且填芯棒较容易抽离。在操作时只需在预固化期后将真空袋打开，逐一取出三维立体整体空芯机织物中的填芯棒即可。

经预固化和填芯棒撤除以后，将材料置于大气环境中放置两周时间可以达到固化成型的复合材料。

实施例二：按照实施例一的实施过程，配制不同的树脂胶液，及在灌注过程中控制不同的流速，可以发现不同的灌注现象，具体表现为图3、图4的曲线。

Claims (6)

1、蜂窝状三维立体整体空芯机织增强复合材料的成型方法，它是按下述步骤进行的：

(1)把制作复合板材所需的材料：模具、脱膜布A、带填芯材料的复合材料预制品、脱膜布B、导流布、真空袋由下而上依次铺层，导流布和脱模布的大小要比复合材料预制品的每一边大20—100mm，并需将织物放在正中间；

(2)放置好后，分别在两端装上基体输入管、导流管、回流管，再用密封胶把真空袋的四周密封，形成塑模；

(3)把基体输入管夹紧，回流管与真空泵连接，接通真空泵电流，开始抽真空；

(4)在抽真空的同时，开始配制树脂胶液，把环氧乙烯基酯树脂：过氧化甲乙酮固化剂：钴金属促进剂按重量比为100：(1-10)：(1-8)进行配制，并进行凝胶5—50min以备用，其中过氧化甲乙酮固化剂的重量浓度为9％，钴金属促进剂的重量浓度为0.6％；

(5)当真空泵抽真空完成后，把基体输入管与树脂胶液连接，打开基体输入管夹子，在真空泵的抽力下，树脂胶液顺着输入管、导流管、三维立体整体空芯机织物、回流管的路径流动，直至整个复合材料预制品内布满树脂胶液，同时整个灌注过程不得超过30min；

(6)灌注结束后，制成的复合材料在室温下预固化5—30min，把复合材料预制品内的填芯材料取出；

(7)最后在室温条件下进一步固化3天以上，即可得到产品。

2、根据权利要求1所述的蜂窝状三维立体整体空芯机织增强复合材料的成型方法，其特征在于所述的复合材料预制品为玻璃纤维、碳纤维、芳纶、高强聚乙烯、高强涤纶。

3、根据权利要求1所述的蜂窝状三维立体整体空芯机织增强复合材料的成型方法，其特征在于所述的导流布的尺寸要比复合材料预制品和脱模布大，导流布的导流方向要沿着树脂胶液流动的方向。

4、根据权利要求1所述的蜂窝状三维立体整体空芯机织增强复合材料的成型方法，其特征在于所述的树脂胶液配比为环氧乙烯基酯树脂：过氧化甲乙酮固化剂：钴金属促进剂按重量比为100：(1-4)：(2-3)，其中过氧化甲乙酮固化剂的重量浓度为9％，钴金属促进剂的重量浓度为0.6％。

5、根据权利要求1所述的蜂窝状三维立体整体空芯机织增强复合材料的成型方法，其特征在于所述的灌注过程为10min以内。

6、根据权利要求1所述的蜂窝状三维立体整体空芯机织增强复合材料的成型方法，其特征在于所述的在室温下预固化时间为5—15min，抽出填芯材料。

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