一种芯模及其制备方法与复合材料异型管成型方法与流程

本发明涉及异型管制备技术领域，具体而言，涉及一种芯模及其制备方法与复合材料异型管成型方法。

背景技术：

现有技术中管材，尤其是复杂管材，在制作时需要使用芯模做为基膜，并在管材成型后脱出芯模，但是现有技术中芯模多为刚性，在管材成型后难以脱除；而如若芯模具有柔性，没有刚性会使得管材成型不均匀。因此，拥有复杂结构的管状复合材料制品成型方法较为复杂，存在复合材料异型管制备过程中芯模不易脱模及传统模具脱模过程对复合材料异型管损伤较大的问题，以及传统复合材料缠绕工艺成本较高的问题，传统方法难以对复杂结构复合材料制品制备过程中的芯模进行脱模。

技术实现要素：

本发明解决的问题是，现有技术中复合材料异型管成型工艺复杂，脱模不方便的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种芯模，用于成型复合材料异型管，所述芯模为形状记忆材料制成，所述芯模的横截面为圆环形，所述芯模包括直管部与弯管部，所述直管部的轴线为直线型，所述弯管部的轴线为“l”型、“c”型或“s”型结构。

本发明的芯模适用于拥有复杂结构的复合材料异型管制品成型方法，且形状记忆材料临时状态拥有一定强度，经过热刺激可以恢复形状；形状记忆芯模恢复形变过程中，芯模直径变小，芯模与复合材料异型管内表面剥离，并且芯模程高弹性，可实现顺利脱模。

可选地，所述直管部的中部向两端的直径逐渐减小。

本发明的另一目的在于提供一种芯模制备方法，用于制备上述任一所述的芯模，包括如下步骤：

s1、形状记忆聚合物材料前处理：调节形状记忆聚合物原液中各个组分的比例，搅拌，得到形状记忆聚合物调制液a；

s2、所述调制液a固化成型：将所述调制液a采用浇筑工艺固化，得到管状固化芯模b，固化芯模b为形状记忆聚合物的初始状态；

s3、固化芯模b由初始状态转变为形变状态：将所述固化芯模b加热，温度超过形状记忆聚合物的玻璃化转变点，形状记忆材料转变为橡胶态，将橡胶态的芯模放置于辅助刚性模具中，充气加压，并在保持压力的状态下降温，温度降到室温后撤去压力，形状记忆聚合物芯模转变为形变状态，得到最终芯模产品。

制备方法简单，能够得到管状芯模，使用形状记忆材料由于拥有一定延展性，加热后，在承受外力下可由原始状态变为复杂形状的工作状态，并可在一定激励后回复原来形状，可作为复杂形状复合材料异型管芯模的一种。

可选地，所述步骤s1中，在调节形状记忆聚合物原液中各个组分的比例时，加入一定量的增强材料，所述增强材料包括碳纳米颗粒、碳纳米管、碳黑、短纤维、聚氨酯类纤维、高弹性纤维或织物的一种或多种组合。

可选地，所述步骤s3中，橡胶态的芯模放置于辅助刚性模具中，合模后充气加压，充气压力在0.2～0.5mpa范围内。

本发明的另一目的在于提供一种复合材料异型管成型方法，其特征在于，使用上述任一所述的芯模进行成型，包括如下步骤：

m1、复合材料成型：在所述芯模上粘贴树脂基复合材料预浸料，制成复合材料预浸料叠层，再放入到辅助刚性模具中，加压，加热固化，冷却后得到固化制品c；

m2、芯模脱除：将所述固化制品c升温至温度大于所述芯模的玻璃化转变点对应的温度，所述芯模转变为橡胶态，并与固态复合材料剥离，抽出所述芯模，得到复合材料异型管预制品；

m3、微整形：对步骤m2制备的复合材料异型管预制品的表面进行打磨与抛光处理，得到复合材料异型管。

该工艺相对于普通金属模具用于复合材料制品成型，脱模简易，制品表面精度高，适用于金属芯模难以脱模的异形结构，并且形状记忆芯模可以多次使用，生产成本低，适用于各类复杂形状复合材料制品。

并且该工艺采用复合材料预浸料进行粘贴，用刚性模具进行模压。该工艺相对于碳纤维缠绕工艺具有以下优点：并不需要机器进行缠绕，手工操作即可，成本低廉；省去缠绕纤维丝后进行浸渍步骤，直接固化即可，加工过程污染少；粘贴完复合材料预浸料后用刚性模具进行模压，表面光洁度更高。

可选地，其特征在于，所述步骤m1中，所述树脂基复合材料预浸料由纤维丝浸泡在浸渍树脂形成，所述纤维丝包括碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的一种或多种组合；所述浸渍树脂包括环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛环氧树脂或双马来酰胺树脂的一种或多种组合。

可选地，所述步骤m1中，所述树脂基复合材料预浸料采用分段粘贴工艺粘贴在所述芯模上，所述分段粘贴工艺包括：

n1、将复合材料预浸料沿纤维方向进行裁剪，裁剪成多个细长条，所述细长条的长度大于等于所述芯模的长度；

n2、将所述细长条分段粘贴在所述芯模上，粘贴方向为所述细长条的纤维方向与所述芯模的长度方向相同，相邻两个所述细长条部分重叠；

n3、按照步骤n2的方法在所述芯模上逐层粘贴所述细长条，直至满足所需异型管试件的厚度。

可选地，所述步骤m1中，所述辅助刚性模具合模后，合模压力在500～5000n范围内。

可选地，所述步骤m1中，将所述固化制品c升温至温度大于所述芯模的玻璃化转变点对应的温度时，对所述芯模的内部进行充气，保持所述芯模的内部的气压在0.02～0.1mpa范围内。

附图说明

图1为本发明实施例所述的芯膜制备方法流程图；

图2为本发明实施例所述的复合材料异型管成型方法；

图3为本发明实施例所述的堵头与充气管示意图；

图4为本发明实施例所述的刚性模具示意图；

图5为本发明实施例所述的“l”型芯膜示意图；

图6为本发明实施例所述的细长条铺设示意图。

附图标记说明：

1-芯模；2-堵头；3-充气管；4-刚性模具；5-细长条。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

对于结构比较复杂的异型管，尤其是复合材料异型管，由于其结构复杂，制作工艺繁琐，使得芯模在脱除过程中较为困难，芯模在脱除过程中极易损坏异型管，或者造型异型管的变形。

本发明旨在提供一种异型管制作工艺中，易于脱除的芯模，所述芯模为形状记忆材料制成。所述芯模采用形状记忆聚合物制成，形状记忆聚合物(smp)是一种新的智能材料，能够在外界的刺激下主动回复自己的初始形状，具有广阔的使用情景。

典型的热致型形状记忆聚合物回复过程为，形状记忆聚合物在加热的情况下受到外载变形，变为橡胶状，在保持载荷的情况下降温，撤去载荷，变形不回复，此时形状记忆聚合物为形变状态，具有一定的刚度；再次加热，形变状态的形状记忆聚合物变形并回复至形状记忆聚合物的初始状态，回复变形过程中对外做功。

具体的，根据所要制备的异型管形状，所述芯模的横截面为圆环形，也就是芯模为管状结构，具体地，芯模根据异型管的结构需要，包括直管部与弯管部，所述直管部的轴线为直线型，所述弯管部的轴线为“l”型、“c”型或“s”型结构，且在弯管部的不同位置处，所述芯模的直径相同，确保制备出的异型管在弯曲部分的管径相同，粗细均匀；直管部的结构为灯笼状，也就是沿轴线方向的分布为直径先增大后减小的趋势，即直管部的中部向两端的直径逐渐减小，满足该种形状异型管的要求，并且该类型的异型管用常规实心模具作为芯模无法进行脱模或者不易脱模，形状记忆模具作为芯模可以得到有效的解决。

具体地，结合图1所示，所述芯模的制备方法包括如下步骤：

步骤s1、形状记忆聚合物材料前处理：调节形状记忆聚合物原液中各个组分的比例，搅拌，得到形状记忆聚合物调制液a；该步骤中，根据不同的需求调节形状记忆聚合物原液各个组分的比例，得到不同性能的形状记忆聚合物调制液；较好地，在形状记忆聚合物调制液中加入增强材料，其中加入增强材料的含量占总质量的3％-10％，得到力学性能增强的形状记忆聚合物复合材料调制液。

步骤s2、所述调制液a固化成型：将所述调制液a采用浇筑工艺固化，得到管状固化芯模b，固化芯模b为形状记忆聚合物的初始状态，不同配方与配比对应的调制液a按照特定的固化流程进行固化，不同调制液的加热固化历程不同，具体的为，对于苯乙烯类：在80℃温度下加热8小时，或在70℃加热24小时；对于环氧类：先在80℃加热3小时，再升温至100℃加热3小时，再升温至150℃加热5小时；对于氰酸酯类：先在120℃加热2小时，再升温至150℃加热2小时，再升温至180℃加热2小时，最后升温至210℃加热3小时。

步骤s3、固化芯模b由初始状态转变为形变状态：将所述固化芯模b加热，温度超过形状记忆聚合物的玻璃化转变点，形状记忆材料转变为橡胶态，将橡胶态的芯模放置于辅助刚性模具中，充气加压，并在保持压力的状态下降温，温度降到室温后撤去压力，形状记忆材料呈玻璃态，形状记忆聚合物芯模转变为形变状态，得到最终芯模产品，此时芯模为临时工作状态，即所需制备复合材料异型管的芯模最终状态，具体地，将橡胶态的芯模放置于辅助刚性模具中，合模后加压，充气压力在0.2～0.5mpa范围内，得到管状芯模产品。

具体地，步骤s1中所述的形状记忆聚合物原液包括聚氨酯形状记忆聚合物、环氧类的形状记忆聚合物、苯乙烯类的形状记忆聚合物、氰酸酯类的形状记忆聚合物、双马来酰亚胺类的形状记忆聚合物、聚酰亚胺形状记忆聚合物、聚酰亚胺形状记忆聚合物的一种或者多种组合；当在形状记忆聚合物调制液中加入一定量的增强材料时，所述增强材料包括碳纳米颗粒、碳纳米管、碳黑、短纤维、聚氨酯类纤维、高弹性纤维或织物的一种或多种组合。

在步骤s2中制备的固化芯模b具有以下性质：当温度低于材料的玻璃化转变点时，形状记忆材料呈玻璃态，材料可以保持临时形状；当温度高于材料的玻璃化转变点时，形状记忆材料呈橡胶态，材料可以回复原始形状；不同材料的玻璃化转变点对应的温度在50℃～150℃范围可调；固化后材料的变形能力不小于50％，管状芯模壁厚在2mm～5mm之间。

具体地，形状记忆芯模的形变状态要求形状记忆芯模与复合材料接触部分，即中间段，径向变形量不小于10％；结合图3所示，为防止芯模1在固化过程中恢复形变而收缩，需进行吹胀处理；芯模1两端在吹胀过程需要填充堵头2，堵头2中插入充气管3，保证其气密性，吹胀过程不发生形变。

形状记忆材料制备的芯模，是一种基于形状记忆聚合物智能芯模，具有形状记忆，变刚度的特点，能够在外界刺激下改变自己的形状以达到方面脱模的目的，可以用于制造复合材料异型管过程中芯模的制作。

在所述芯模的基础上，提供一种使用所述芯模制备复合材料异型管的成型方法，结合图2所示，具体地包括：

步骤m1、复合材料成型：在所述芯模上粘贴树脂基复合材料预浸料，制成复合材料预浸料叠层，再放入到辅助刚性模具中，加压，加热固化，冷却后得到固化制品c，具体地，在芯模上制成复合材料预浸料叠层，将粘有复合材料预浸料叠层的芯模放入刚性辅助模具中，对刚性模具进行合模，合模力在500～5000n之间，合模的作用是挤出复合材料预浸料的气泡以及赋予加工的复合材料试件较高的表面光洁度；

步骤m2、芯模脱除：将所述固化制品c升温至温度大于所述芯模的玻璃化转变点对应的温度，所述芯模转变为橡胶态，并与固态复合材料剥离，抽出所述芯模，得到复合材料异型管预制品；将温度升高至形状记忆材料的玻璃化转变点所对应的温度之上，形状记忆材料呈橡胶态，并且芯模从形变状态回复为初始形状，且刚度下降为原来的1％～3％之间，便于芯模的剥离；抽出芯模，得到复合材料制品；需要说明的是，在借助辅助刚性模具制备芯模时，使芯模由初始形状变形至变形状态，要求芯模与复合材料预浸料接触部分的直径变形量都不小于10％，使得刺激形状记忆芯模，芯模回复初始形状时，芯模皱缩，芯模与复合材料异型管内表面自然剥离，便于芯模抽出。

步骤m3、微整形：针对复合材料异型管的表面粗糙度情况，对步骤m2制备的复合材料异型管预制品的表面进行打磨与抛光处理，针对制作要求，切去多余的尺寸，得到复合材料异型管。

具体地，步骤m1中，所述树脂基复合材料预浸料由纤维丝浸泡在浸渍树脂形成，所述纤维丝包括碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的一种或多种组合；所述浸渍树脂包括环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛环氧树脂或双马来酰胺树脂的一种或多种组合。

具体地，步骤m1中，所述树脂基复合材料预浸料采用分段粘贴工艺粘贴在所述芯模上，所述分段粘贴工艺包括：

n1、将复合材料预浸料沿纤维方向进行裁剪，裁剪成多个细长条，所述细长条的长度大于等于所述芯模的长度；

n2、将所述细长条分段粘贴在所述芯模上，粘贴方向为所述细长条的纤维方向与所述芯模的长度方向相同，相邻两个所述细长条部分重叠；

n3、按照步骤n2的方法在所述芯模上逐层粘贴所述细长条，直至满足所需异型管试件的厚度。

需要说明的是，在步骤s3中制备芯模时与步骤m1中固化复合材料时使用的外部辅助刚性模具为同一套；若复合材料预浸料叠层太厚，导致铺有复合材料预浸料叠层的芯模用同一套刚性模具无法合模，则需要再使用一套尺寸更大的刚性模具，直至可以合模。

在步骤m1中，对铺有复合材料预浸料叠层的芯模进行加热固化，若固化温度高于或者接近形状记忆芯模的玻璃化转变点，为防止芯模在固化过程中恢复形变而收缩，需要对芯模进行充气压，同样采用堵头2与充气管3进行充气，气压大小为0.02～0.1mpa。

具体地，步骤m1中，采用加热的方式对形状记忆芯模进行刺激，加热方式包括高温干燥箱、热压罐或热风枪的任意一种。

本实施例提供的形状记忆聚合物芯模使用步骤如下：1.按照复合材料异型管内壁形状设计形状记忆芯模的初始形状，按照小于复合材料异型管的原始尺寸中最小内径设计为直管状，然后按照设计加工形状记忆聚合物直管；2.按照管型制作刚性印模；用吹塑的方法使管状形状记忆聚合物芯模变形成所需要的形状；3.使用变形后的形状记忆聚合物芯模制作复合材料异型管芯模；4.对芯模进行激励，使其变为初始的直管状，从端口处取出芯模，可回到步骤2重复使用。

形状记忆智能芯模可以用做复杂结构的复合材料异型管制作过程的芯模，脱模简单，相对复杂形状的芯模，传统的金属模具作为芯模无法进行脱模，使用组合模具脱模比较复杂，制作工艺繁琐，而且相对弯管形的复合材料异型管，使用组合模具也无法进行脱模。

使用形状记忆材料由于拥有一定延展性，加热后，在承受外力下可由原始状态变为复杂形状的工作状态，并可在一定激励后回复原来形状，可作为复杂形状复合材料异型管芯模的一种。

在上述所述的基础上，现提供一种具体地芯模与复合材料异型管成型方法，结合图3-图6所示，包括如下步骤：

一、苯乙烯类形状记忆聚合物复合材料的前处理：调节苯乙烯类树脂基调制液各组分比例。以含10-15ppm4-叔-丁基邻苯二酚稳定剂的苯乙烯与含10-60ppmmehq稳定剂的丙烯酸丁酯，按照3:1的体积比混合，使其对应的玻璃化转变点为80℃，并加入含量占总质量的3％的碳纳米管，用超声波仪搅拌3h，得到力学性能加强的苯乙烯类形状记忆复合材料调制液。

二、用苯乙烯形状记忆材料制备“l”型碳纤维弯管的芯模1：将步骤一制备的苯乙烯调制液采用浇筑工艺固化成圆管，壁厚3mm，其中固化流程为温度为80℃，固化时间为8小时。固化完毕后，形成圆管，裁剪至合适的长度，两端填充堵头2，升温至120摄氏度，材料呈橡胶态，将芯模1大致弯曲成“l”型，直至可以放入刚性辅助模具中，合模，在刚性辅助模具作用下，从充气管3施加0.2mpa气压，充气时间为2min，进行中间段部分的吹胀。芯模1两端用堵头2堵死，形状记忆芯模1在吹胀过程中与刚性模具4内壁贴合，形成中间段鼓起的‘l’形弯管，为芯模1的形变状态。形变状态要求形状记忆芯模1与复合材料接触部分，即中间段，径向变形量不小于10％，进行吹胀；芯模1两端在吹胀过程需要填充堵头2，为保证其气密性，所以吹胀过程芯模1两端不进行吹胀。最后芯模1的形变状态为中间大，两端小的“l”型弯管形状。吹胀完毕后撤去气压，将芯模1放入冰箱冷却，芯模1不发生回复，保持形变状态。

三、在苯乙烯形状记忆芯模1上粘贴树脂基复合材料预浸料，对铺有复合材料预浸料叠层的芯模1进行固化：首先在形状记忆芯模1的中间段粘贴碳纤维预浸料细长条5：将复合材料预浸料沿着纤维方向进行裁剪，按照所需的复合材料试件大小裁剪成多个细长条5，分段粘贴于形状记忆芯模1上，其中相邻的复合材料预浸料细长条5互相重叠。按照此方式在形状记忆芯模1上形成复合材料预浸料单层，每个单层层需要大约16个复合材料预浸料细长条5，每个单层厚度为0.2mm左右。重复此步骤进行重复粘贴，形成叠层，直至叠层厚度大于2mm。将粘有碳纤维叠层的芯模1放置于刚性辅助模具中，用刚性模具4进行合模，在刚性模具4上模和下模上作用大小为1000n的合模压力；在合模力作用下，挤出复合材料制品的气泡，同时复合材料制品内表面与芯模1外表面进行接触，复合材料制品外表面与刚性模具4内壁接触，保证复合材料制品的表面光洁度。放入加热箱进行固化，固化条件为130℃/8h。由于碳纤维预浸料固化温度高于苯乙烯类形状记忆模具的玻璃化转变点，为了防止固化过程芯模1发生形状回复，在加热固化过程中，在充气管3施加0.05mpa气压，进行保压处理。

四、刺激形状记忆芯模1，使芯模1恢复初始形状，抽出芯模1，最后得到复合材料构件：固化完毕后，撤去充气管3的气压，将粘有碳纤维叠层的芯模1继续保持130℃加热0.5h，加热过程中，芯模1中间段收缩，芯模1外表面与复合材料管内表面渐渐脱离，不发生粘连，并且芯模1呈橡胶态，且刚度下降为原来的1％，呈高弹性，将芯模1从复合材料制品中缓慢抽出，完成脱模。

五、对复合材料制品进行表面及尺寸微整形，得到复合材料管制品：将得到的“l”型碳纤维管进行修剪、打磨、得到所需的碳纤维制品。

该工艺相对于普通金属模具用于复合材料制品成型，脱模简易，制品表面精度高，适用于金属芯模难以脱模的异形结构，异型结并且形状记忆芯模可以多次使用，生产成本低，适用于各类复杂形状复合材料制品。

并且该工艺采用复合材料预浸料进行粘贴，用刚性模具进行模压。该工艺相对于碳纤维缠绕工艺具有以下优点：并不需要机器进行缠绕，手工操作即可，成本低廉；省去缠绕纤维丝后进行浸渍步骤，直接固化即可，加工过程污染少；粘贴完复合材料预浸料后用刚性模具进行模压，表面光洁度更高。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。