[发明专利]树脂传递模塑工艺用纤维增强预成型体及其复合材料构件及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维预制件及其复合材料构件及成型工艺，尤其涉及一种纤维增强预成 型体及其复合材料构件及制备工艺。

背景技术

树脂传递模塑(Resin Transfer Molding，简称RTM)是复合材料的一种成型工艺，其基 本原理是在模具的型腔中预先放置增强材料，合模夹紧后，在一定温度和压力下将经静态混 合器混合均匀的树脂体系注入模腔，浸渍增强材料并固化，最后脱模得到制品。

RTM工艺的流程如图1所示，具体包括以下步骤：①模具准备。RTM模具系统主要由 阴模和阳模组成闭合模腔，模具准备工作主要对阴模和阳模的工作表面进行清理、打磨和涂 覆脱模剂，得到可用下一步工序的模具。②材料准备。材料准备主要包括增强材料准备和树 脂体系准备。其中，增强材料准备是将增强纤维或织物等剪裁、烘干，备用；树脂体系准备 是对基体树脂、助剂进行称量、纯化、脱泡处理，以备RTM注射。③纤维增强预成型体制备。 在处理好的模具上，用准备好的增强材料进行铺层，得到多孔的纤维增强预成型体；或者是 采用缠绕、编织等其他方法制备出纤维增强预成型体，然后铺放在模具上。④合模密封。将 带有纤维增强预成型体的阴模和阳模系统套合装配起来，使纤维增强预成型体正好填充在阴、 阳模具组成的模腔中；在模具系统紧固、密封后，进行真空检查；真空检查合格后，方可使 模具系统进入下一步注射工序。⑤树脂注射。将准备好的树脂体系经过RTM注射设备均匀混 合后，注射进入填充有纤维增强预成型体的模腔中，使液态树脂浸渍多孔的纤维增强预成型 体。⑥固化。加热模具系统，使模腔中的液态树脂发生化学交联反应，固化，得到纤维增强 的复合材料制品(在模腔中)。⑦脱模及后处理。将包裹复合材料制品的阴、阳模具脱除，得 到复合材料坯品；对坯品进行必要的后加工处理，得到复合材料制品。

在上述的RTM工艺中，纤维增强预成型体的制备是复合材料构件成型的关键步骤之一， 它决定了最终成型的复合材料构件的纤维体积分数，对复合材料构件的承载性能及复合材料 制品的制备成本都起着重要影响。纤维增强预成型体的制备，就是采用适当的工艺方法或定 型剂将增强材料固定成与制品相同形状的过程，主要有纺织、纤维缠绕、定型剂预成型、直 接铺层等成型方法。

纺织制备纤维增强预成型体又包括机织、针织、编织、缝合等具体技术。针织是通过环 结纤维互连的过程形成织物(如图2所示)，即由纱圈按一定规律圈套而成，其能量吸收性能、 抗破坏性能以及对复杂结构的形状适应性能比机织物好；但是，针织物中的纤维束弯曲程度 极大，因而其强度较低。编织制备纤维增强预成型体的方法有两种，即平面和管状织物。在 复合材料应用方面，更为常用的是管状编织物(如图3所示)。编织制备的纤维增强预成型体 有良好的适应性、成型性、扭转稳定性和结构的整体性，能制成各种复杂几何形状的构件， 且不需大量机械加工和连接。三维编织复合材料有很高的抵抗分层的能力和冲击损伤容限， 对刻痕亦不敏感。但三维编织复合材料的缺点表现在面内纱线的排列为0°和90°的布置，这 种织物各向异性突出，抗剪切和扭转性能差，难以适应某些航空构件各向同性的要求。再者， 编织增强体加工过程中纱线变形相当严重，难以达到理想的结构形状；纱线张力控制、退纱 机理、纱线表面条件、捆扎纱的密度等都是不易克服的技术难点。缝合技术主要用于对二维 预成型增强体进行厚度方向的增强，通常可用缝合工艺来减少分层，提高复合件材料在厚度 方向上的性能，也可只在高层间应力区局部利用缝合技术，并改变缝合的式样、类型或缝合 材料来达到预期的性能水平(如图4所示)。以上的各种纺织成型方法有其相对明显的优势， 如厚度方向的刚度和强度较大，复合材料损伤容限和抗拉伸破坏能力强，可织造形状复杂的 纤维增强预成型体，可以减少连接、提高构件的整体性等，然而，复合材料纤维增强预成型 体的纺织成型受机器设备尺寸的限制，目前大多数工业编织机仅能制备小截面(宽度小于 100mm)的预成型件；另外，从传统纺织加工工艺发展而来的三维预成型技术目前尚不成熟， 特别是在短周期快速生产、低成本、壳体厚壁成型等方面，还存在不少问题。