电阻膜式真空辅助热电模塑复合材料成型方法技术

本发明专利技术涉及机电技术领域和纤维增强复合材料领域，特别是一种电阻膜式真空辅助热电模塑复合材料成型方法。通过调节电源输出功率和动态电阻R，控制薄膜式加热电阻对纤维预成型体进行加热，储胶罐内的聚合物基体在真空负压下进入真空袋内，进而通过吸胶毡和螺线管浸渍纤维预成型体，在聚合物基体完成对纤维预成型体的浸渍后进入固化阶段，固化完成后经脱模获取复合材料制品。本发明专利技术可实现复杂制件快速充模和整体同步固化，提升生产效率，降低制品热应力残留，减少由成型因素导致的初始缺陷，最终制得的复合材料的孔隙率为0.3~2.0%，纤维体积含量为40~70%，聚合物基体固化度为90.0~99.5%。99.5%。99.5%。

【技术实现步骤摘要】
电阻膜式真空辅助热电模塑复合材料成型方法


[0001]本专利技术涉及机电
和纤维增强复合材料领域，特别是一种电阻膜式真空辅助热电模塑复合材料成型方法。

技术介绍

[0002]纤维增强高分子基复合材料具有轻质、高强、高模和耐腐蚀等优势，广泛应用于航空航天、远洋船舶、轨道交通等领域。复合材料既是一种材料，也是一种结构，具有独特的可设计性，其性能很大程度上取决于成型工艺。稳定高效的成型工艺不仅能够确保各组分材料的优异属性得以充分发挥，还可以通过复合效应实现许多单一材料不具备的独特性能。此外，合理的工艺设计将有效缩短成型周期，降低制造成本。因此，围绕先进复合材料开展的成型设备和成型方法研究已成为业内广泛关注的焦点。
[0003]目前，热压罐成型是先进复合材料常用的制造方法，适用于多种模具形式，并且可以同时实现温度和压力的控制。然而热压罐成型技术仍面临以下挑战，一方面热压罐设备昂贵，运行维护成本较高，另一方面通过鼓风热气流加热容易造成内腔温度场分布不均匀，导致制品热应力残留严重，性能受限。真空辅助树脂传递模塑技术（Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，VARTM）是一种典型的低成本非热压罐成型工艺，可用于大尺寸、复杂结构的先进复合材料制造。但是，VARTM中充模和浸渍过程对聚合物基体流变性能要求较高，同时缺少准确高效的加热固化手段，导致其应用场景受限，尤其是对于超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维等导热性较差、表面惰性较强的聚合物纤维。此外，对于复杂结构的搭接、拐角等具有变厚度区域，受制于模具结构，需要灵活的热补偿设计。
[0004]综上，开发一种操作简便、工装灵活、适用范围广且高效低成本的先进复合材料成型方法具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有成型设备与成型方法的不足，提供一种电阻膜式真空辅助热电模塑复合材料成型方法，能够有效优化树脂传递模塑的充模流动和加热固化过程，具有操作简便、工装灵活、适用范围广、生产效率高、成本低廉的特点。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种电阻膜式真空辅助热电模塑复合材料成型方法，所述成型方法采用的是电阻膜式真空辅助热电模塑成型系统，所述电阻膜式真空辅助热电模塑成型系统包括真空辅助树脂模塑系统和薄膜式电阻温控系统；所述真空辅助树脂模塑系统包括模具，设于模具上表面的真空袋，通过第一管件和第二管件分别与真空袋内部相连通的储胶罐和缓冲罐，通过第三管件与缓冲罐内部相连通的真空泵；位于真空袋内的第一管件出液口设置有包覆着吸胶毡的螺线管，所述螺线管沿着纤维预成型体边缘铺设，所述螺线管的尾部不与第二管件进液口接触；所述薄膜式电阻温控系统包括分别设置于纤维预成型体上下两端的薄膜式加热电阻，贴靠设置于薄膜式加热电阻边缘的绝缘温度传感器，两个薄膜式加热电阻与动态电
阻R以串联或并联的形式与电源相连，所述温度传感器与动态电阻R分别与控制器连接，两个薄膜式加热电阻位于真空袋内部或外部；所述成型方法包括如下步骤：接通电源，控制器调节动态电阻R的电阻值，上下两端的薄膜式加热电阻对纤维预成型体进行加热，根据温度传感器实时反馈的温度，通过控制器控制纤维预成型体的浸渍温度，打开真空泵，真空袋开始收缩且迅速包覆于纤维预成型体上，储胶罐内的聚合物基体在真空负压下进入真空袋内，进而通过包覆着吸胶毡的螺线管浸渍纤维预成型体，根据聚合物粘度
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温度关系，通过浸渍温度实现对浸渍速率和浸渍时间的调控；在聚合物基体完成对纤维预成型体的浸渍后进入固化阶段，控制器控制薄膜式加热电阻的传热温度，纤维预成型体开始固化；固化完成后经脱模获取复合材料制品，并回收薄膜式加热电阻。
[0007]作为本专利技术技术方案的进一步改进，每块薄膜式加热电阻的厚度为50
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200 μm，且所述薄膜式加热电阻包括碳纳米管沉积薄膜，所述碳纳米管沉积薄膜上下表面分别包裹有聚四氟乙烯薄膜，且聚四氟乙烯薄膜的边缘环向固定有铜片。
[0008]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述碳纳米管薄膜中的碳纳米管是由气相沉积法制得，堆密度为0.01
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0.06 g/cm3，比表面积为200
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350 m2/g。
[0009]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述纤维预成型体是由碳纤维、石英纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维中的一种或几种任意组合而成。
[0010]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述纤维预成型体与薄膜式加热电阻之间设置有脱模布、透气毡、隔离膜、吸胶毡和导流网中的一种或几种任意组合。
[0011]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述真空袋通过可拆卸的密封胶条设置于模具上表面。
[0012]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述聚合物基体为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂固化体系中一种或几种任意组合。
[0013]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述复合材料制品的孔隙率为0.3~2.0 %，纤维体积含量为40~70 %，聚合物基体固化度为90.0~99.5 %，且中心区域与表面区域的固化度差异为0.1~3.0 %。
[0014]本专利技术提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本专利技术相比于现有技术取得以下技术效果：1）本专利技术可以快速设置工装温度，适用于多种固化体系，通过调节聚合物基体固化体系粘度，高效完成流动充模和对纤维预成型体的浸渍，节约时间30~60 %。
[0015]2）本专利技术适用于大尺寸复合材料制品制造，通过表面贴覆和局部热补偿，实现复合材料整体同步固化，缩短生产周期，减少能源消耗30~50 %。
[0016]3）本专利技术可精准进行局部热补偿，实现复杂制件快速充模和整体同步固化，提升生产效率，降低制品热应力残留，减少由成型因素导致的初始缺陷，最终制得的复合材料的孔隙率为0.3~2.0 %，纤维体积含量为40~70 %，聚合物基体固化度为90.0~99.5 %，且中心区域与表面区域的固化度差异为0.1~1.5 %。
附图说明
[0017]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为薄膜式加热电阻的结构示意图。
[0020]图2为薄膜式电阻温控系统的结构示意图。
[0021]图3为真空辅助树脂模塑系统的结构示意图。
[0022]图4为薄膜式加热电阻的温度
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功率曲线，下面将结合实施例对附图做简要介绍。
[0023]图中：101
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模具，102
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真空袋，103
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电阻膜式真空辅助热电模塑复合材料成型方法，其特征在于，所述成型方法采用的是电阻膜式真空辅助热电模塑成型系统，所述电阻膜式真空辅助热电模塑成型系统包括真空辅助树脂模塑系统和薄膜式电阻温控系统；所述真空辅助树脂模塑系统包括模具（101），设于模具（101）上表面的真空袋（102），通过第一管件（106）和第二管件（107）分别与真空袋（102）内部相连通的储胶罐（105）和缓冲罐（104），通过第三管件（108）与缓冲罐（104）内部相连通的真空泵（103）；位于真空袋（102）内的第一管件（106）出液口设置有包覆着吸胶毡的螺线管，所述螺线管沿着纤维预成型体边缘铺设，所述螺线管的尾部不与第二管件（107）进液口接触；所述薄膜式电阻温控系统包括分别设置于纤维预成型体（3）上下两端的薄膜式加热电阻（201），贴靠设置于薄膜式加热电阻（201）边缘的绝缘温度传感器，两个薄膜式加热电阻（201）与动态电阻R（203）以串联或并联的形式与电源（202）相连，所述温度传感器与动态电阻R（203）分别与控制器连接，两个薄膜式加热电阻（201）位于真空袋（102）内部或外部；所述成型方法包括如下步骤：接通电源（202），控制器调节动态电阻R（203）的电阻值，上下两端的薄膜式加热电阻（201）对纤维预成型体（3）进行加热，根据温度传感器实时反馈的温度，通过控制器控制纤维预成型体（3）的浸渍温度，打开真空泵（103），真空袋（102）开始收缩且迅速包覆于纤维预成型体（3）上，储胶罐（105）内的聚合物基体在真空负压下进入真空袋（102）内，进而通过包覆着吸胶毡的螺线管浸渍纤维预成型体（3），根据聚合物粘度
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温度关系，通过浸渍温度实现对浸渍速率和浸渍时间的调控；在聚合物基体完成对纤维预成型体（3）的浸渍后进入固化阶段，控制器控制薄膜式加热电阻（201）的传热温度，纤维预成型体（3...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈启晖，刘海波，高勇，武朝阳，赵贵哲，刘亚青，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：