专利名称：一种整体闭合复合材料外壳的真空辅助成型方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料成型技术，特别是一种整体闭合复合材料外壳的真空辅 助成型方法。
背景技术：
树脂基复合材料由于具有轻质、高强、耐水、耐化学腐蚀等优点，对采用具有易腐 蚀的内部芯材而言，采用全封闭的复合材料外壳可以避免内部部件遭受水、酸、碱等化学试 剂的腐蚀；对采用泡沫等力学性能较低的内部芯材而言，采用全封闭的复合材料外壳不仅 可以保护内部芯材免受外部冲击所引起的破坏，而且增加了产品的整体体力学性能，可以 明显提高产品的刚度和制品外型的稳定性。采用复合材料作为外壳的产品在化工、海洋制 品等领域具有巨大的应用潜力并已在部分产品上得到了应用。目前，成型具有整体闭合结构的复合材料外壳采用最普遍的是手糊工艺成型。手 糊工艺不受产品尺寸和形状限制，操作工艺简便，设备简单，易于满足产品设计要求，可以 在产品不同部位任意增补增强材料，对成型尺寸大、形状复杂的复合材料外壳比较适合。然 而手糊工艺生产效率低下，劳动强度大，特别是在糊制垂直或倾斜面时，由于重力作用造成 树脂不间断的向下流动而形成“流胶”，同时由于树脂与空气直接接触造成有害气体外漏， 致使劳动卫生条件恶劣；并且不同操作工人对工艺的熟练程度不同，造成产品质量不易控 制，性能稳定性不高
近年来，为了改进手糊工艺的不足，其他先进的成型工艺也逐渐应用于复合材料外壳 的成型制造，如目前比较先进的树脂传递模塑工艺和模压工艺已在相关产品上进行了应 用。中国专利CN 101266788A公布了一种复合材料外壳反声障板及其制造方法，该障板采 用硬质聚氨酯泡沫芯材，外壳采用耐海水树脂基复合材料外壳，采用树脂传递模塑成型工 艺制造。中国专利CN 101504105A公布了一种玻璃钢整体复合真空绝热板的制造方法，其 中涉及了整体包裹真空绝热板的复合材料保护层的成型，该专利中采用了注射或模压等方 法进行整体包裹的复合材料保护层的成型。然而上述两个专利中涉及的复合材料外壳或保 护层的形状比较单一，并且尺寸较小，如中国专利CN 101504105A中公布的产品外形尺寸 为358mmX135mmX22mm的长方体，这是由于树脂传递模塑和模压工艺自身特点所决定的。 采用树脂传递模塑工艺成型复合材料外壳时，如果设计的模具尺寸较大并且形状复杂，一 方面装配时容易引起的误差，容易造成内部芯材的破坏；另一方面增加了树枝浸润纤维织 物的难度，容易出现局部无法浸胶而出现“干斑”，影响产品的整体性能。采用模压工艺成型 复合材料外壳时，需要压机对模具施压一定的压力和温度，如果模具外形较大，就需要更大 的压机设备、更多的投资；如果复合材料外壳形状复杂，随之设计的模具外形就要复杂，则 在压挤过程中难以保证各处受力均勻，容易引起局部应力集中或内部芯材破坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种整体闭合复合材料外壳的真空辅助成型 方法，针对目前采用传统手糊工艺生产复合材料外壳时劳动卫生条件恶劣、劳动强度大、生 产效率低下、采用树脂传递工艺和模压工艺难以生产尺寸较大、形状复杂的具有复合材料 外壳的产品等问题，可生产大尺寸、形状复杂的复合材料外壳；进一步解决的技术问题是， 该工艺方法只需在内部芯材的表面铺设导流介质和注胶管道，通过真空压力使树脂浸润纤 维织物，既不需要特定的模具，又可以成型大尺寸、形状复杂的复合材料外壳。为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案
本发明的一种整体闭合复合材料外壳的真空辅助成型方法，包括在复合材料外壳使用 纤维织物，外壳内部使用“H”形或者近似“H”形内部芯材，特征在于加工工艺包括
(1)材料选择
复合材料外壳用纤维织物的选择选用的纤维织物的纤维包括但不仅限于玻璃纤 维、碳纤维、凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维或玄武岩纤维，织物结构包括但不仅限于 平纹布、斜纹布、缎纹布或多轴向经编织物；
复合材料外壳用树脂的选择适用于本专利的树脂包括但不仅限于低粘度的聚酯树 脂、乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂等；
内部芯材的选择适用于本专利的芯材的压缩强度应大于0. 5MPa，包括但不仅限于轻 质浮力材料、聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫或balsa木等；
(2)内部芯材的形状加工
适用于本发明的内部芯材外形为“H”形体或者近似“H”形；
(3)纤维织物铺层
将预先裁好尺寸的纤维织物铺设在内部芯材上，铺层过程中采用定型剂固定织物使其 保持设计形状；也可以直接将纤维织物铺设在内部芯材表面，并采用剪刀等工具在形状进 行修剪，采用定型剂固定织物使其保持设计形状；
(4)导流介质设置
铺层作业完成后，在纤维织物上铺设一层脱模布，脱模布上再设置一层导流布；然后设 置注胶管和真空管，注胶管包括中间平板芯材的注胶管、侧板芯材内壁的注胶管和侧板芯 材外壁的注胶管，其中，
①中间平板芯材的注胶管设置方法为当注胶管与平板芯材和侧板芯材连接处超过 40cm时，在“H”形体芯材的中间设置一圈闭合的注胶管，之后在注胶管两侧每相距40士5cm 再设置一圈闭合的注胶管；当注胶管与平板芯材和侧板芯材连接处不足40cm时，在平板芯 材与侧板芯材连接处设置一圈闭合的注胶管；
②侧板芯材内壁的注胶管设置当侧板芯材边缘距离平板芯材超过30cm时，在平板 芯材与侧板芯材连接处两侧相距30 士 3cm各设置一根注胶管，之后在注胶管外侧每相距 30士3cm再设置一根注胶管；当侧板芯材边缘距离平板芯材不足30cm时，侧板芯材内壁不 设置注胶管；
③侧板芯材外壁的注胶管设置当侧板芯材长度大于60cm时，在侧板芯材外壁的中间 位置设置一根注胶管，并在此注胶管两侧每相距30士3cm再设置一根注胶管；当侧板芯材 长度小于60cm时，侧板芯材外壁仅设置中间位置的注胶管；真空管设置方式为真空管共设置四根，分别设置在左右两侧板的上下边缘处；
(5)整体密封
用真空密封袋膜和密封胶带将上述的织物进行密封作业，并检验真空度；
(6)树脂注入
待密封袋膜内的真空压力< -0. 095Mpa时，将固化剂、促进剂和树脂按照配方混合均 勻后注入；树脂注入时首先开通平板中间注胶管，之后依次开通其两侧的其他注胶管；当 开通平板芯材与侧板芯材连接处注胶管的同时，开通侧板芯材外壁中间的注胶管；依次开通 侧板芯材内壁和外壁的其他注胶管；当树脂完全浸润纤维织物后，封闭注胶管和真空管；
(7)固化
注入的树脂在放热固化之后，在室温条件下在后固化24h方可脱模。可以针对复合材料外壳用树脂品种的不同选用相应的促进剂、固化剂，只要达到 固化成型的具有力学性能的即可满足要求。通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果
采用本发明的技术方法，可以明显改善大型、复杂复合材料外壳成型时的劳动卫生条 件，提高生产效率；由于真空辅助工艺为新型的洁净工艺，几乎不产生有害气体挥发，极大 地保护了操作人员的身体健康；成型过程中，只需控制注胶管路布置和整体真空度，减少了 人为因素对产品性能的影响，因此采用本发明生产的复合材料外壳性能优异，质量稳定。
图1是“H”形体的复合材料外壳结构成型示意图。。图2是“H”形聚氨酯芯材的复合材料外壳成型方法导流介质布置示意图。图3是“H”形体的截面示意图。1.内部芯材；2.纤维织物；3脱模布；4.导流布；5.平板中间注胶管；6.平板 芯材与侧板芯材连接处注胶管；7侧板中间注胶管；8.真空管；9.真空袋膜。
具体实施例方式实施例1
“H”形体的截面尺寸如图3所示，长度为1000mm，Ll、L2、Hl、H2分别为40 mm、830 mm、 160 mm、400 mm。内部芯材为密度300kg/m3的聚氨酯泡沫塑料，复合材料外壳的增强材料 采用面密度220g/m2的S玻纤缎纹布，成型后厚度为2mm ；基体树脂为乙烯基不饱和树脂 Atlac430LV，利用本专利的真空辅助成型方案来实施整体闭合复合材料外壳的成型。(1)、将“H”形聚氨酯芯材的平板部分和侧板部分分别采用铣床加工而成，然后采 用环氧胶粘剂将平板和侧板粘接起来，固化后进行后续操作。(2)、将10层按尺寸裁减好的S玻纤缎纹布铺敷在“H”形聚氨酯芯材表面，铺敷过 程中采用雾状定型剂将相邻的S玻纤缎纹布固定在一起。(3)、采用脱模布完全覆盖已经铺敷的S玻纤缎纹布；导流布设置在脱模布上，除 侧板边缘的60mm长度范围外，其余部位采用设置导流布；在“H”形聚氨酯芯材的平板部位 中间设置一圈闭合的注胶管，在平板芯材与侧板芯材连接处各设置一圈闭合的注胶管，之 后在侧板芯材外壁中间位置设置一根注胶管；四根真空管分别设置在左右侧板芯材的上下
5边缘，具体设置如图2所示。(4)、采用真空袋膜和密封胶带将“H”形结构预成型体密封，同时将真空管与真空 泵连接。(5)、按照配方将过氧化甲乙酮、促进剂环烷酸钴与Atlac430LV树脂按照 2:0.4:100的配方混合均勻，等到真空压力彡-0. 095Mpa时将树脂首先注入平板部位中间 的注胶管，待树脂浸润到平板与侧板交接处时，同时开通侧板芯材外壁的真空管和平板芯 材与侧板芯材连接处的注胶管。织物完全被树脂浸润后封闭注胶管。(6)、室温固化24h后脱模。(7)、最终得到表面质量良好的复合材料外壳，整体纤维被树脂浸润良好，颜色均 一，没有出现白斑缺陷。
实施例2
“H”形体的截面尺寸如图3所示，长度为1650mm，L1、L2、H1、H2分别为32 mm、950 mm、 115 mm、450 mm。内部芯材为高密度聚氯乙烯泡沫塑料，复合材料外壳的增强材料采用面密 度400g/m2的E玻纤双轴向织物，成型后厚度为4mm ；基体树脂为乙烯基树脂3201，利用本 专利的真空辅助成型方案来实施整体闭合复合材料外壳的成型。(1)、将“H”形聚氨酯芯材的平板部分和侧板部分分别采用铣床加工而成，然后采 用环氧胶粘剂将平板和侧板粘接起来，固化后进行后续操作；
(2)、将11层按尺寸裁减好的E玻纤双轴向织物铺敷在“H”形高密度聚氯乙烯芯材表 面，铺敷过程中采用雾状定型剂将相邻的E玻纤双轴向织物固定在一起；
(3)、采用脱模布完全覆盖已经铺敷的E玻纤双轴向织物；导流布设置在脱模布上，除 侧板边缘的60mm长度范围外，其余部位采用设置导流布；在“H”形高密度聚氯乙烯芯材的 平板部位中间设置一圈闭合的注胶管，在平板芯材与侧板芯材连接处各设置一圈闭合的注 胶管，之后在侧板芯材外壁中间位置设置一根注胶管；四根真空管分别设置在左右侧板芯 材的上下边缘，具体设置如图2所示。(4)、采用真空袋膜和密封胶带将“H”形结构预成型体密封，同时将真空管与真空 泵连接。(5)、按照配方将引发剂过氧化环己酮、促进剂环烷酸钴与3201树脂混合均勻，等 到真空压力< -0. 095Mpa时将树脂首先注入平板部位中间的注胶管，待树脂浸润到平板与 侧板交接处时，同时开通侧板芯材外壁的真空管和平板芯材与侧板芯材连接处的注胶管。 织物完全被树脂浸润后封闭注胶管。(6)、室温固化24h后脱模。(7)、最终得到表面质量良好的复合材料外壳，整体纤维被树脂浸润良好，颜色均 一，没有出现白斑缺陷。
权利要求
1. 一种整体闭合复合材料外壳的真空辅助成型方法，包括在复合材料外壳使用纤维织 物，外壳内部使用“H”形或者近似“H”形内部芯材，特征在于加工工艺包括(1)材料选择复合材料外壳用纤维织物选用的纤维为玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、超高分子量聚 乙烯纤维或玄武岩纤维，织物结构为平纹布、斜纹布、缎纹布或多轴向经编织物；复合材料外壳用树脂为低粘度的聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂；内部芯材的选择适用于本专利的芯材的压缩强度应大于0. 5MPa，为轻质浮力材料、 聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫或balsa木；(2)内部芯材的外形加工适用于本发明的内部芯材外形为“H”形体或者近似“H”形；(3)纤维织物铺层将预先裁好尺寸的纤维织物铺设在内部芯材上，铺层过程中采用定型剂固定织物使其 保持设计形状；(4)导流介质设置铺层作业完成后，在纤维织物上铺设一层脱模布，脱模布上再设置一层导流布；然后设 置注胶管和真空管，注胶管包括中间平板芯材的注胶管、侧板芯材内壁的注胶管和侧板芯 材外壁的注胶管，其中，①中间平板芯材的注胶管设置方法为当注胶管与平板芯材和侧板芯材连接处超过 40cm时，在“H”形体芯材的中间设置一圈闭合的注胶管，之后在注胶管两侧每相距40士5cm 再设置一圈闭合的注胶管；当注胶管与平板芯材和侧板芯材连接处不足40cm时，在平板芯 材与侧板芯材连接处设置一圈闭合的注胶管；②侧板芯材内壁的注胶管设置当侧板芯材边缘距离平板芯材超过30cm时，在平板 芯材与侧板芯材连接处两侧相距30 士 3cm各设置一根注胶管，之后在注胶管外侧每相距 30士3cm再设置一根注胶管；当侧板芯材边缘距离平板芯材不足30cm时，侧板芯材内壁不 设置注胶管；③侧板芯材外壁的注胶管设置当侧板芯材长度大于60cm时，在侧板芯材外壁的中间 位置设置一根注胶管，并在此注胶管两侧每相距30士3cm再设置一根注胶管；当侧板芯材 长度小于60cm时，侧板芯材外壁仅设置中间位置的注胶管；真空管共设置四根，分别设置在左右两侧板的上下边缘处；(5)整体密封用真空密封袋膜和密封胶带将上述的织物进行密封作业，并检验真空度；(6)树脂注入待密封袋膜内的真空压力< -0. 095Mpa时，将按照配方混合均勻的树脂注入；树脂注 入时首先开通平板中间注胶管，之后依次开通其两侧的其他注胶管；当开通平板芯材与侧 板芯材连接处注胶管的同时，开通侧板芯材外壁中间的注胶管；依次开通侧板芯材内壁和 外壁的其他注胶管；当树脂完全浸润纤维织物后，封闭注胶管和真空管；(7)固化注入的树脂在放热固化之后，在室温条件下在后固化24h方可脱模。
全文摘要
本发明介绍了一种整体闭合复合材料外壳的真空辅助成型方法，外壳内部包括“H”形或者近似“H”形内部芯材，根据导流介质设置可根据中间平板芯材、侧板芯材内壁的和侧板芯材外壁的尺寸不同设置不同的注胶管和真空管形式。本发明可以明显改善大型、复杂复合材料外壳成型时的劳动卫生条件，提高生产效率；由于真空辅助工艺为新型的洁净工艺，几乎不产生有害气体挥发，极大地保护了操作人员的身体健康；成型过程中，只需控制注胶管路布置和整体真空度，减少了人为因素对产品性能的影响，因此采用本发明生产的复合材料外壳性能优异，质量稳定。
文档编号B29L9/00GK102114689SQ20101061420
公开日2011年7月6日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者张兴刚, 张建设, 王利 申请人:中国船舶重工集团公司第七二五研究所