CN102582092A - 一种厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，采用真空灌注成型，利用真空灌注工艺制作大尺寸、厚碳纤维制件；在碳纤维制件模具上铺设刚性多孔平板；再在多孔平板上表面铺设吸胶棉，并在真空吸嘴下使用VAP薄膜进行密封，通过使用VAP薄膜控制灌注体的负压梯度，对碳纤维制件模具进行抽真空，从而完成真空灌注成型。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制作方法，尤其是指一种厚尺寸碳纤维复合材料真空灌注成型方法，为复合材料成型技术领域，主要用于厚尺寸碳纤维复合材料真空灌注成型工艺。
技术背景
碳纤维复合材料以其高比强度和高比模量广泛应用在航天、航空、风电叶片等各领域，厚尺寸碳纤维复合材料件作为结构部件可以大大减轻制件重量。
真空灌注工艺作为复合材料最主要的成型工艺，以其成型快速，污染低和适用于制备大型部件等优点近几年被广泛研究和应用。真空灌注成型时主要使用玻璃纤维进行灌注体的灌注成型，玻璃纤维单丝直径在18-25μm之间，真空压实后堆砌的纤维体内有较大空隙，这样的空隙如同一个导流系统，有利于胶液流动灌注；传统灌注方法借助导流网使胶液沿注胶管方向在导流网上流动，然后在流动的过程中再进行纵向渗透，而此种方法不适用碳纤维灌注，因为碳纤维单丝直径在6-8μm，在真空压实碳纤维体后体系内空隙远小于玻璃纤维体，这样的条件在进行薄板灌注小件尚可进行，若是进行大制件厚板灌注则不能实现真空灌注工艺。用于真空灌注的胶液粘度普遍在160mPa.s-300mPa.s，使用目前普遍使用的流道和铺层设计在灌注厚度小于10mm的碳纤维薄板能够实现小制件灌注，但若用到厚尺寸的大型结构部件的碳纤维复合材料灌注就很难实现真空灌注工艺成型。
目前碳纤维在用作大型结构部件的生产上还是使用带有预浸料的碳纤维布片铺层完后在真空体系下高温固化成型，其固化温度普遍在110℃以上，由于碳纤维预浸料需要低温运输和低温存储，且预浸料的生产成本也要附加在材料成本中，较高的固化温度对模具和能耗都会带来影响，所以碳纤维预浸料较单独使用碳纤维和胶液成型的价格要高，在使用时预浸料也会存在边角料等废料浪费，这样使用预浸料生产产品会带来产品的生产成本高昂。在成型工艺上预浸料由于是具有较高粘度的胶片，在铺层后由于胶片不能百分之百的粘贴所以制件会存在一定的孔隙和局部分层的现象，这样会对产品的力学性能和可靠性带来影响，因此很有必要对此加以改进。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种适合厚尺寸大制件碳纤维体真空灌注成型的灌注成型方法。该成型方法既不会对产品的力学性能和可靠性带来影响，而且可以减少材料的耗材。
本发明采取的技术方案是：
一种厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，采用真空灌注成型，利用真空灌注工艺制作大尺寸、厚碳纤维制件；在碳纤维制件模具上铺设刚性多孔平板；再在多孔平板上表面铺设吸胶棉，并在真空吸嘴下使用VAP薄膜进行密封，通过使用VAP薄膜控制灌注体的负压梯度，对碳纤维制件模具进行抽真空，从而完成真空灌注成型。
进一步，所述的真空灌注工艺是在碳纤维铺层下面铺设导流网和脱模布，通过铺设在纤维体底层的导流网使得胶液通过导流网快速分散后，然后沿着垂直铺层方向胶液由下至上快速渗透；由于碳纤维在非轴向无法受力所以编织布非常松散，在进行真空吸附时碳纤维铺层会被真空袋挤压使得在轴向上形成深浅不一的褶皱，因此本发明通过使用刚性多孔平板铺设在碳纤维铺层上表面，在真空压力下保证碳纤维体不被挤压变形来保证上表面的平整度。并使用VAP薄膜封住真空吸嘴来保证胶液在渗入上表面后不被抽入到真空管中，最终达到整个碳纤维体灌注成型；VAP薄膜具有透气不透胶的功能，这种材料价格昂贵且为一次性使用的耗材，传统的使用VAP薄膜对整个灌注件进行封真空会使得VAP薄膜大量使用，通过VAP薄膜和真空吸嘴的配合使用这大大降低了VAP薄膜的用量。本发明使用VAP薄膜封住真空吸嘴来保证胶液在渗入上表面后不被抽入到真空管中，最终达到整个碳纤维体灌注成型。所述在刚性多孔平板和VAP薄膜间使用的吸胶棉主要是在灌注体上表面提供连续的负压层，避免因真空袋膜与刚性多孔平板紧贴后而降低上表层的真空度。
所述导流网尺寸略小于碳纤维铺层，导流网距离碳纤维体边缘20mm-40mm，所述脱模布用于脱去固化后的导流网；碳纤维体上部铺设刚性多孔介质，所述刚性多孔介质用于保证碳纤维体上表面的平整度，在刚性多孔介质上面铺设吸胶棉，在抽真空后吸胶棉可保证上表面的真空度，VAP薄膜和真空吸嘴的配合使用保证胶液在渗入到上表面后不被抽入到真空管中。在此铺层上铺设真空袋膜，所述真空袋膜用于提供整个灌注体系的真空度。
本发明的优点在于：产品由于采用真空灌注成型，产品质地均匀，在最大限度消除产品内的气泡，保证了产品的质量。本发明充分利用碳纤维的真空灌注成型可以在70℃固化的特点，采用真空胶液灌注的方式，可以根据灌注体的大小进行灌注，不会出现多余浪费，制作成本较低；另外真空灌注可以保证制品最低的孔隙率，这样可以大大提高制品性能，实现了碳纤维采用真空灌注，非常适用大尺寸、厚制件的碳纤维产品。本发明能够实现大尺寸、厚制件碳纤维体的真空灌注成型，在灌注过程中胶液流动均匀，灌注后纤维体胶含量可以控制在28%-32%，由于胶液是由下至上浸润纤维体保证灌注过程中可实现对整个灌注件的监视，所述监视方法可以通过在不同位置对刚性多孔平板开几个20mm见方的小口来观察碳纤维是否已被胶液浸润。真空灌注的碳纤维体最大厚度可以达到70mm，几乎可以实现所有碳纤维复合材料结构部件制品的灌注成型。与碳纤维预浸料成型工艺相比灌注成型具有低孔隙率、低固化温度、产品机械性能高和产品成本低等优点。
附图说明
图1为实施例中厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型工艺导流示意图；
图2为实施例中厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型工艺导流示意俯视图；
图3为本发明实施例中刚性多孔平板示意图；
图4为本发明实施例中真空吸嘴示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的描述，显而易见地，下面描述中的实施例和附图仅仅是本发明的部分实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图和实施方案。
通过附图可以看出本发明涉及一种中厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，采用真空灌注成型，利用真空灌注工艺制作大尺寸、厚碳纤维制件；在碳纤维制件模具上铺设刚性多孔平板；再在多孔平板上表面铺设吸胶棉，并在真空吸嘴下使用VAP薄膜进行密封，通过使用VAP薄膜控制灌注体的负压梯度，对碳纤维制件模具进行抽真空，从而完成真空灌注成型。
进一步，所述的真空灌注工艺是，在碳纤维铺层下面铺设导流网和脱模布，通过铺设在纤维体底层的导流网使得胶液通过导流网快速分散后，然后沿着垂直铺层方向胶液由下至上快速渗透；由于碳纤维在非轴向无法受力所以编织布非常松散，在进行真空吸附时碳纤维铺层会被真空袋挤压使得在轴向上形成深浅不一的褶皱，因此本发明通过使用刚性多孔平板铺设在碳纤维铺层上表面，在真空压力下保证碳纤维体不被挤压变形，来保证上表面的平整度。并使用VAP薄膜封住真空吸嘴来保证胶液在渗入上表面后不被抽入到真空管中，最终达到整个碳纤维体灌注成型；VAP薄膜具有透气不透胶的功能，这种材料价格昂贵且为一次性使用的耗材，传统的使用VAP薄膜对整个灌注件进行封真空会使得VAP薄膜大量使用，通过VAP薄膜和真空吸嘴的配合使用这大大降低了VAP薄膜的用量。本发明使用VAP薄膜封住真空吸嘴来保证胶液在渗入上表面后不被抽入到真空管中，最终达到整个碳纤维体灌注成型。所述在刚性多孔平板和VAP薄膜间使用的吸胶棉主要是在灌注体上表面提供连续的负压层，避免因真空袋膜与刚性多孔平板紧贴后而降低上表层的真空度。
所述导流网布置在碳纤维铺层的底部，注胶管的胶液通过导流网快速将胶液导流至纤维铺层的底部，要求导流网的厚度不小于2mm，如果导流厚度不满足要求可通过增加导流网层数来满足要求。所述导流网尺寸略小于碳纤维铺层，导流网距离碳纤维体边缘20mm-40mm，所述脱模布用于脱去固化后的导流网；碳纤维体上部铺设刚性多孔介质，所述刚性多孔介质用于保证碳纤维体上表面的平整度，在刚性多孔介质上面铺设吸胶棉，在抽真空后吸胶棉可保证上表面的真空度，VAP薄膜和真空吸嘴的配合使用保证胶液在渗入到上表面后不被抽入到真空管中。在此铺层上铺设真空袋膜，所述真空袋膜用于提供整个灌注体系的真空度。
所述碳纤维编织松散，抽真空时上表面会形成沿纤维方向的褶皱，其刚性多孔平板铺设在碳纤维体上表面借助大气压力保证碳纤维上表面的平整度，使制件上表面平整。所述刚性多孔平板为铝合金、钢板等刚性材料，孔径在2mm-4mm，孔密度在15mm-25mm。
所述刚性多孔平板在使用前需要使用脱模剂对表面和孔径内进行处理，使用后需要对刚性多孔平板的胶层进行清除，以方便重复使用。
所述刚性多孔介质上表面的吸胶棉也可以为导流网主要用于提供碳纤维灌注时在灌注件上表面形成一道连续的负压层。
所述VAP薄膜和真空吸嘴的配合使用；VAP膜价格昂贵，本发明使用VAP薄膜和真空吸嘴进行配合使用大大减少靠VAP薄膜对灌注件封真空来提供负压保护。
所述负压为真空泵提供，负压要求在平原地区达到-0.09MPa以上进行灌注，高原地区按照每百米压力降后的要求进行控制。
本发明是在传统真空灌注成型工艺中流道铺放进行改进，借助VAP膜这种薄膜的优点使得在抽气的过程中不会将胶液抽走，同时根据布置VAP薄膜可以控制压力梯度的方向，进而控制胶液在进行真空灌注时的流动方向。
实施例：
VAP膜价额昂贵大面积使用会造成制件成本上升，通过与真空吸嘴的配合使用可降低成产成本。本实施例是对长58m宽0.5m最大厚度在50mm的碳纤维体灌注成型实例。
下面结合附图对本发明做进一步描述：
流道总体布置方法如附图1所示，铺设方法是：将导流网9铺设在灌注模具1表面，导流网9略小于灌注体6，距离灌注体6内边缘20mm-70mm，在导流网9上覆盖脱模布7，在脱模布7上按要求铺设碳纤维布；灌注体6灌注在碳纤维布上，灌注体6外表面铺设脱模布5；注胶管8设在导流网9的侧面，并通过导流网9往灌注体6灌注；在脱模布5上表面铺设刚性多孔平板4，刚性多孔平板4面积略小于脱模布5上表面边缘20mm-30mm，在刚性多孔平板4上铺设有吸胶棉或是抽真空导流网11用于对灌注体上表面提供真空负压层，在吸胶棉或抽真空导流网11上表面放置真空吸嘴2，真空吸嘴2的下部使用VAP薄膜10进行密封，这样在抽真空是整个灌注体在灌注时当胶液由下至上渗入到上表面后VAP膜将胶液和真空吸管进行阻隔，保证碳纤维灌注体的灌注。
附图2为真空灌注成型工艺导流示意俯视图，在露出纤维铺层的导流网9上设有防止反注胶管12,在灌注体另外3个方向设有防止缠绕管13，其中缠绕管外壁用VAP膜包裹，最后在外壳3外层铺设真有空袋膜封真空，保证整个体系的真空度后进行灌注，固化脱模后即形成碳纤维复合材料件。
附图3为灌注模具1的中刚性多孔平板示意图，刚性多孔平板4上均布有导流孔14，导流孔14孔径在2mm-4mm，孔密度在15mm-25mm；刚性多孔平板4为铝合金、钢板等刚性材料制作。
附图4为真空吸嘴示意图，真空吸嘴2为锥形喇叭结构，真空吸嘴2的顶部为抽真空吸入口15，抽真空吸入口15为一锥形喇叭吸嘴16，锥形喇叭吸嘴16的底部连接有一过滤板17，过滤板17上开有凹槽18，凹槽18内设有毛细吸孔19。
Claims (10)
1.一种厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，采用真空灌注成型，利用真空灌注工艺制作大尺寸、厚碳纤维制件，其特征在于：在碳纤维制件模具上铺设刚性多孔平板；在多孔平板上表面铺设吸胶棉，并在真空吸嘴下使用VAP薄膜进行密封，通过使用VAP薄膜控制灌注体的负压梯度，对碳纤维制件模具进行抽真空，从而完成真空灌注成型。
2.如权利要求1所述的厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，其特征在于：所述的真空灌注工艺是在碳纤维铺层下面铺设导流网和脱模布，通过铺设在纤维体底层的导流网使得胶液通过导流网快速分散后，然后沿着垂直铺层方向胶液由下至上快速渗透；由于碳纤维在非轴向无法受力所以编织布非常松散，在进行真空吸附时碳纤维铺层会被真空袋挤压使得在轴向上形成深浅不一的褶皱，其特征在于：通过使用刚性多孔平板铺设在碳纤维铺层上表面，在真空压力下保证碳纤维体不被挤压变形，来保证上表面的平整度；并使用VAP薄膜封住真空吸嘴来保证胶液在渗入上表面后不被抽入到真空管中，最终达到整个碳纤维体灌注成型。
3.如权利要求2所述的厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，其特征在于：所述导流网布置在碳纤维铺层的底部，注胶管的胶液通过导流网快速将胶液导流至纤维铺层的底部，导流网的厚度不小于2mm。
4.如权利要求2所述的厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，其特征在于：所述碳纤维编织松散，抽真空时上表面会形成沿纤维方向的褶皱，其刚性多孔平板铺设在碳纤维体上表面借助大气压力保证碳纤维上表面的平整度，使制件上表面平整。
5.如权利要求2所述的厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，其特征在于：所述刚性多孔平板在使用前需要使用脱模剂对表面和孔径内进行处理，使用后需要对刚性多孔平板的胶层进行清除，以方便重复使用。
6.如权利要求5所述的厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，其特征在于：所述刚性多孔介质上表面的吸胶棉也可以为导流网主要用于提供碳纤维灌注时在灌注件上表面形成一道连续的负压层。
7.如权利要求2所述的厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，其特征在于：所述VAP薄膜和真空吸嘴的配合使用，VAP膜价格昂贵，本发明使用VAP薄膜和真空吸嘴进行配合使用大大减少靠VAP薄膜对灌注件封真空来提供负压保护。
8.如权利要求2所述的厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，其特征在于：所述负压为真空泵提供，负压要求在平原地区达到-0.09MPa以上进行灌注，高原地区按照每百米压力降后的要求进行控制。
9.如权利要求2所述的厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，其特征在于：所述刚性多孔平板上均布有导流孔，导流孔孔径在2mm-4mm，孔密度在15mm-25mm；刚性多孔平板为铝合金、钢板等刚性材料制作。
10.如权利要求2所述的厚尺寸碳纤维制件真空灌注成型方法，其特征在于：所述真空吸嘴的顶部为抽真空吸入口，抽真空吸入口为一锥形喇叭吸嘴，锥形喇叭吸嘴的底部连接有一过滤板，过滤板上开有凹槽，凹槽内设有毛细吸孔。
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