CN110341213B - 共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的成型工艺及成型件 - Google Patents
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Abstract
针对复合材料圆筒形零件加工方法，本申请公开了一种共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的成型工艺及成型件，与传统的树脂基复合材料薄壁筒的离心加工工艺不同，该工艺采用的原材料是由三种不同密度材料组成，包括两种不同密度的短纤维环氧树脂和一种阻尼材料。在进行离心成型时，这三种材料被制成流体按照密度的大小分三次分别进行匀速注入，利用这三种材料所受离心力的不同进行分层，当三种材料分布稳定后依照树脂的固化工艺进行共固化，得到壁厚均匀的嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料圆筒形薄壁件，该法加工出的工件除了具有良好的减振隔声性能外，还具有质量高、气孔等缺陷少、致密度高、机械性能好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的离心成型方法及成型件，属于功能复合材料的研究领域。
背景技术
材料是科学技术发展的基础，树脂基复合材料作为最先发展起来的一大类新型材料，对科学技术的发展产生了极大的推动作用，特别是对航空航天领域的影响尤为显著。在空间技术需求急速发展的今天，对树脂基复合材料的要求也越来越高。
发明人发现现在运用离心成型工艺加工的树脂基复合材料薄壁筒多为单层，只使用一种树脂混合短纤维和固化剂进行浇注，这样得到的薄壁筒存在着减振吸声性能差的缺点。
现阶段航空航天领域对树脂基复合材料的要求越来越高，而单层的树脂基复合材料薄壁筒越来越不能满足现在的高动态性能要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料圆形薄壁筒的离心成型工艺，该薄壁筒不仅结构更结实而且它的减振吸声性能更好，弥补了现有复合材料薄壁筒的不足。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的离心成型工艺,包括以下步骤：
配置密度大于1.20g/cm3的短纤维环氧树脂、密度小于0.90g/cm3的短纤维环氧树脂和密度为0.95-1.10g/cm3的阻尼溶液；
配制脱模剂涂料，均匀的涂抹在模具的型腔内；
预热模具的型腔壁，使涂料中的水分充分蒸发；
确定浇注的转速；
在模具型腔内依次浇注外部高密度短纤维树脂层、中间阻尼层、内部低密度短纤维树脂层；
对模具的型腔加压、加热使材料共固化；
打开模具，取出成型件，进行后处理。
作为进一步的技术方案，所述的密度大于1.20g/cm3的短纤维环氧树脂是用密度大于1.20g/cm3的环氧树脂混合长度在30-50毫米之间的短纤维和固化剂制得。
作为进一步的技术方案，所述的密度小于0.90g/cm3短纤维环氧树脂是用密度小于0.90g/cm3的环氧树脂混合长度在30-50毫米之间的短纤维和固化剂制得。
作为进一步的技术方案，在配制前密度大于1.20g/cm3的短纤维环氧树脂和密度小于0.90g/cm3短纤维环氧树脂时，提前将高密度环氧树脂和低密度环氧树脂加热，当温度升高至100～120℃时，树脂的黏度逐渐减小，将短纤维分别放进两种环氧树脂中，采用超声波振动进行搅拌这样会让环氧树脂与短纤维混合的更加均匀，然后静置，最后再加入固化剂搅拌均匀，进行浇注。
作为进一步的技术方案，在配置阻尼材料溶液时，将称好的阻尼材料原胶置于容器中，加入有机溶剂，搅拌均匀，然后进行密封，放置于阴凉处，阻尼材料溶解后便可得到阻尼材料的胶浆溶液。
作为进一步的技术方案，在配制上述三种原料时，根据加工薄壁筒的厚度和性能要求来确定这三种原料的用量(注意要有一定余量)，并且通过调整高密度短纤维环氧树脂和低密度短纤维环氧树脂中加入固化剂的种类和比例，以及阻尼材料的组分，使这三种原料的固化(或硫化)温度和时间达到同步一致，短纤维环氧树脂在进行加热固化时阻尼材料同时在硫化，且阻尼材料与不同环氧树脂在界面有IPN结构形成。
作为进一步的技术方案，根据以下公式确定浇注转速：
其中：n是铸型转速，单位为r/min；R是成型件内表面半径，单位为m；γ是材料密度，单位为N/m3；β是调整系数，该公式需满足成型件R内径值应不大于1.5，其中对于选用不同树脂β取0.9-1.4。
作为进一步的技术方案，树脂层和阻尼层的浇注方法如下：
在浇注开始之前先以低于n的转速转动筒壁，流体原料的倒入过程需要在5秒-8秒内完成；
第一次浇注时将高密度短纤维树脂倒入浇杯中，流体通过浇注槽流入到型腔内，在离心力的带动下高密度短纤维树脂均匀的铺在型腔内，并且随着温度下降高密度短纤维树脂的粘度会逐渐增大，当其成型后开始浇注阻尼材料溶液，等到阻尼材料溶液在离心力的带动下分布均匀且有机溶剂挥发完全后，开始浇注低密度短纤维树脂，它和高密度短纤维树脂类似随着温度的下降粘度也会逐渐增大。所有原料流体全部倒入筒壁后开始增加转速，10秒后在缓慢减速，当减到速度n时，保持速度不变。当这三种原料在型腔内均匀分层后，对旋转的型腔用热压罐进行加压，避免不同原料之间有气孔、疏松等现象的出现，并且根据树脂固化曲线对筒壁进行加热，使这三种材料同时共固化成为一体，完成工件制作工艺；
当这三种原料共固化完成之后开始降温，当温度降到60℃以下，卸压，最后型腔达到常压，停止型腔转动，取出成型件，使成型件在空气中冷却达到常温。
本发明还提供了一种成型件，通过前面所述的共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的成型工艺成型。
本发明还提供了一种薄壁筒，通过所述的共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的成型工艺成型。
本发明的有益效果如下：
本发明运用嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的离心成型工艺加工的“高密度树脂-阻尼-低密度树脂”复合材料圆形薄壁筒与现有的单层树脂基复合材料圆形薄壁筒相比结构更结实，阻尼更大，力学性能和减振吸声性能更好。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1：为嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的离心成型工艺流程图；
图2：卧式离心成型结构图；
图3：“高密度树脂-阻尼-低密度树脂”复合材料圆形薄壁筒的示意图；
图4：“高密度树脂-阻尼-低密度树脂”复合材料圆形薄壁筒的剖视图；
图5：热压罐固化工艺曲线。
图中：1、前端盖，2、金属铸型，3、模具，4、后端盖，5、底板，6、浇杯，7、密度大于1.20g/cm3的短纤维环氧树脂，8、密度为0.95-1.10g/cm3的阻尼材料，9、密度小于0.90g/cm3的短纤维环氧树脂。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的离心成型工艺。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的离心成型工艺，本发明的嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料圆形薄壁筒属于三层复合材料薄壁筒，该薄壁筒的外面两层是不同密度的短纤维环氧树脂，中间层是阻尼材料，并运用离心成型工艺浇注而成。采用该工艺得到的嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料圆形薄壁筒不仅在结构上更结实而且它的减振吸声性能更好，弥补了现有技术的不足；具体的包括配置密度大于1.20g/cm3的短纤维环氧树脂、密度小于0.90g/cm3的短纤维环氧树脂和密度为0.95-1.10g/cm3的阻尼溶液；配制脱模剂涂料，均匀的涂抹在模具的型腔内；预热模具的型腔壁，使涂料中的水分充分蒸发；确定浇注的转速；在模具型腔内依次浇注外部高密度短纤维树脂层、中间阻尼层、内部低密度短纤维树脂层；对模具的型腔加压、加热使材料共固化；打开模具，取出成型件，进行后处理。
下面结合图1到图5对本申请具体实施方式加以说明，这里：图1为嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的离心成型工艺流程图；图2为卧式离心成型结构图；图3为“高密度树脂-阻尼-低密度树脂”复合材料圆形薄壁筒的示意图；图4为“高密度树脂-阻尼-低密度树脂”复合材料圆形薄壁筒的剖视图；图5为热压罐固化工艺曲线。
本实施例中采用的模具3包括前端盖1、金属铸型2、后端盖4和底板5；前端盖1、金属铸型2、后端盖4组合在一起形成一个筒状结构，在后端盖4内部设置底板5；采用浇杯6进行短纤维环氧树脂的浇注。
由附图1和附图2可知，在该工艺中首先要配制原料，本次加工需要配制三种原料，分别是密度大于1.20g/cm3的短纤维环氧树脂7(本实施例用密度大于1.20g/cm3的环氧树脂618混合长度在30-50毫米之间的短纤维和固化剂)、密度小于0.90g/cm3的短纤维环氧树脂9(本实施例用密度小于0.80g/cm3环氧树脂EB6200混合长度在30-50毫米之间的短纤维和固化剂)和密度为0.95-1.10g/cm3的阻尼材料8(本实施例将阻尼材料原胶溶解在易挥发的有机溶剂中得到阻尼材料液体)。在配置原料7和原料9时需提前将高密度环氧树脂和低密度环氧树脂加热，当温度升高至100～120℃时，树脂的黏度逐渐减小，这个时候将短纤维分别放进两种环氧树脂中，采用超声波振动进行搅拌这样会让环氧树脂与短纤维混合的更加均匀，然后静置1小时左右的时间，其黏度可低于10-1Pa·s，呈液态，这是进行浇注的最好形态，最后再加入固化剂搅拌均匀，进行浇注。在配置阻尼材料8溶液时，将称好的阻尼材料8置于烧杯中，加入相应比例的有机溶剂搅拌均匀，本实施例采用四氢呋喃溶剂，然后进行密封，放置于阴凉处，溶解后便可得到阻尼材料8的胶浆溶液。在配制上述三种原料时，根据加工薄壁筒的厚度和性能要求来确定这三种原料的用量，并且通过调整高密度短纤维环氧树脂7和低密度短纤维环氧树脂9中加入固化剂的种类和比例，以及阻尼材料8的组分，使这三种原料的固化(或硫化)温度和时间达到同步一致，短纤维环氧树脂在进行加热固化时阻尼材料同时在硫化，且阻尼材料与不同环氧树脂在界面有IPN结构形成。
接着是配制涂料，其主要成分是脱模剂，将其涂敷在筒壁的模具和前后端盖上，涂抹要均匀，这样可以保证树脂基复合材料成型之后容易脱模。
接着预热筒壁：预热温度在180℃-220℃范围之间，此时，涂料中的水分可以充分蒸发，减少气孔的产生，使涂料中粘胶剂充分发挥，可以防止涂料被冲刷，出现粘筒壁、端盖现象，预热完成后再让筒壁密封冷却至室温。
然后确定浇注的转速：在实际生产中可采用经验公式来确定铸型的转速。但由于生产条件不同和成型件种类不同，各经验数据都有较大的局限性。故在实际生产时可参考选用，并根据成型件实际生产情况进行调整。根据成型件内表面有效重度计算铸型转速不管流体材料种类如何，只要成型件内表面有效重度达到3.4×106N/m3，就能保证得到组织细密的离心成型件。铸型转速用康斯坦丁诺夫公式
式(1)中n是铸型转速，单位为r/min；R是成型件内表面半径，单位为m；γ是材料密度，单位为N/m3；β是调整系数，该公式需满足成型件R内经值应不大于1.5，其中对于选用不同树脂β取0.9-1.4。根据该公式计算出合适的转速n。
本次加工分三次浇注，为了保证充型均匀，在浇注开始之前先以稍低于n的转速转动筒壁，流体原料的倒入过程需要在5秒-8秒内完成。第一次浇注时将高密度短纤维树脂7倒入浇杯6中，流体通过浇注槽流入到型腔内，在离心力的带动下高密度短纤维树脂7均匀的铺在型腔内，并且随着温度下降高密度短纤维树脂7的粘度会逐渐增大，当其成型后开始浇注阻尼材料8溶液，等到阻尼材料8溶液在离心力的带动下分布均匀且有机溶剂挥发完全后，开始浇注低密度短纤维树脂9，它和高密度短纤维树脂7类似随着温度的下降粘度也会逐渐增大。所有原料流体全部倒入到筒壁后开始增加转速，10秒后在缓慢减速，当减到速度n时，保持速度不变。由于这三种材料的密度大小不同，他们所受到的离心力也不同，密度大的受到的离心力大，密度小的受的离心力小。由附图3、附图4可知，高密度短纤维树脂7会均匀的分布在最外层，阻尼材料8在中间，低密度短纤维树脂9分布在最内层。当这三种原料在型腔内均匀分层后，根据附图5的共固化工艺曲线设定热压罐的参数，对旋转的型腔进行加压，避免不同原料之间有气孔、疏松等现象的出现，然后按照0.5-3℃/min升温至120-125℃保持120min对筒壁进行加热，使这三种材料同时共固化成为一体。当这三种原料共固化完成后，热压罐以小于等于1.5℃/min的降温速率降温至60℃以下，并卸压，型腔缓慢冷却，与此同时让型腔减速，最后型腔达到常压并停止转动，取出工件使其在空气中冷却达到常温，完成工件制作工艺。对冷却至常温的工件先检查其是否有缺陷，然后用砂纸、砂轮等工具对工件进行修磨。
本申请公开的嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的离心成型工艺，与传统的树脂基复合材料薄壁筒的离心加工工艺不同，该工艺采用的原材料是由三种不同密度材料组成，包括两种不同密度的短纤维环氧树脂和一种阻尼材料。在进行离心成型时，这三种材料被制成流体按照密度的大小分三次分别进行匀速注入，利用这三种材料所受离心力的不同进行分层，当三种材料分布稳定后依照树脂的固化工艺进行共固化，得到壁厚均匀的嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料圆筒形薄壁件，该法加工出的工件除了具有良好的减振隔声性能外，还具有质量高、气孔等缺陷少、致密度高、机械性能好等特点。
本次发明运用嵌入式共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的离心成型工艺加工的“高密度树脂-阻尼-低密度树脂”复合材料圆形薄壁筒与现有的单层树脂基复合材料圆形薄壁筒相比结构更结实，阻尼更大，力学性能和减振吸声性能也更好，可以满足更高的技术要求。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的成型工艺，其特征在于，包括以下步骤：
配置三种原料，即密度大于1.20 g/cm3的短纤维环氧树脂、密度小于0.90g/cm3 的短纤维环氧树脂和密度为 0.95-1.10g/cm3 的阻尼溶液；配制脱模剂涂料，均匀的涂抹在型腔内；预热型壁，使涂料中的水分充分蒸发；
确定浇注的转速；根据以下公式确定浇注转速：
其中：n 是铸型转速，单位为 r/min；R 是成型件内表面半径，单位为 m；γ是材料密度，单位为
；β 是调整系数，该公式需满足成型件 R 内径值应不大于 1.5，其中对于选用不同树脂β取 0.9-1.4；
浇注外部高密度短纤维树脂层，浇注中间阻尼层，浇注内部低密度短纤维树脂层；
对型腔加压、加热使材料共固化；
打开模具，取出成型件，进行后处理；
树脂层和阻尼层的浇注方法如下：
在浇注开始之前先以低于 n 的转速转动筒壁，流体原料的倒入过程需要在 5秒-8 秒内完成；
第一次浇注时将高密度短纤维树脂倒入浇杯中，流体通过浇注槽流入到型腔内，在离心力的带动下高密度短纤维树脂均匀的铺在型腔内，并且随着温度下降高密度短纤维树脂的粘度会逐渐增大，当其成型后开始浇注阻尼材料溶液，等到阻尼材料溶液在离心力的带动下分布均匀且有机溶剂挥发完全后，开始浇注低密度短纤维树脂，它和高密度短纤维树脂类似随着温度的下降粘度也会逐渐增大；所有原料流体全部倒入筒壁后开始增加转速，10 秒后在缓慢减速，当减到速度 n时，保持速度不变；
当这三种原料在型腔内均匀分层后，对旋转的型腔用热压罐进行加压，避免不同原料之间有气孔、疏松现象的出现，并且根据树脂固化曲线对筒壁进行加热，使这三种材料同时共固化成为一体，完成工件制作工艺；当这三种原料共固化完成之后开始降温，当温度降到60℃以下，卸压，最后型腔达到常压，停止型腔转动，取出成型件，使成型件在空气中冷却达到常温；
所述的密度大于1.20 g/cm3的短纤维环氧树脂是用密度高于 1.20 g/cm3的环氧树脂618混合长度在 30-50 毫米之间的短纤维和固化剂制得；
所述的密度小于 0.90g/cm3 的短纤维环氧树脂是用密度低于 0.90g/cm3 的环氧树脂EB6200混合长度在 30-50 毫米之间的短纤维和固化剂制得；
0.95-1.10g/cm3 的阻尼溶液为将阻尼材料原胶溶解在易挥发的有机溶剂中的得到的阻尼材料液体。
2.如权利要求 1所述的共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的成型工艺, 其特征在于，在配制密度大于 1.20 g/cm3 的短纤维环氧树脂和密度小于 0.90g/cm3 短纤维环氧树脂前，提前将环氧树脂加热，当温度升高至 100～120℃时，树脂的黏度逐渐减小，将短纤维分别放进两种环氧树脂中，采用超声波振动进行搅拌使环氧树脂与短纤维混合的更加均匀，然后静置，最后再加入固化剂搅拌均匀，进行浇注。
3.如权利要求 1 所述的共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的成型工艺,其特征在于，在配置阻尼材料溶液时，将称好的阻尼材料原胶置于容器中，加入有机溶剂，搅拌均匀，然后进行密封，放置于阴凉处，阻尼材料溶解后便可得到阻尼材料的胶浆溶液。
4.如权利要求 1 所述的共固化短纤维树脂基阻尼复合材料的成型工艺,其特征在于，在配制三种原料时，根据加工薄壁筒的厚度和性能要求来确定这三种原料的用量，注意要有一定余量，并且通过调整高密度短纤维环氧树脂和低密度短纤维环氧树脂中加入固化剂的种类和比例，以及阻尼材料的组分，使这三种原料的固化或硫化温度和时间达到同步一致，短纤维环氧树脂在进行加热固化时阻尼材料同时在硫化，且阻尼材料与不同环氧树脂在界面有IPN 结构形成。
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