Tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法与流程

本发明涉及tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法，更具体而言，涉及通过将复合材料进行灌注成形来制造复合材料模具的成形方法。

背景技术：

在航空航天器和轨道列车中广泛使用复合材料构件，复合材料构件通常采用模具成形方法来制造。为了满足特定的设计或制造要求,而开发了用于成形复合材料构件的预浸料模具(即，复合材料模具)。预浸料(也称为预浸布)是“用热固树脂浸渍的纤维织物”的行业命名法，纤维织物可以是碳纤维织物、玻璃纤维织物等。预浸料模具具有重量轻、强度大、与复合材料构件之间的膨胀系数容易匹配等优点，这些优点使得在将预浸料模具用于大批量生产复合材料构件时，复合材料构件的生产效率提高、制造成本大幅度降低，因此，预浸料模具已被广泛使用。

以往，为了制作预浸料模具，现有的作预浸料模具制造方法执行如下工艺步骤：(1)制作中间模具；(2)中间模具表面处理；(3)预浸布铺层；(4)预压实；(5)打真空袋；(6)热压罐固化；(7)后固化处理；(8)背部支撑板；(9)预脱模处理。

在上述的制作中间模具工艺步骤中，以钢铁为支撑，采用石膏或木材或合成板材作为工装板，将工装板按照中间模具的设计形状依次堆叠，并用粘结剂粘结，使用真空袋施加大气压力以使工装板之间压实，然后，在真空压力下固化，为了进一步提高结合强度，使用热压罐来压实并烘干。在上述的制作中间模具表面处理工艺步骤中，首先，对中间模具进行清洗以去除污垢和油污，然后使用密封剂来处理使得表面光滑，最后需要对中间模具进行表面抛光。在上述的预浸布铺层工艺步骤中，按照预浸料模具的设计要求将预浸布材料裁切成预定的形状，将裁切后的预浸布材料在中间模具上铺层预定的层数达到设计厚度，并放入预埋件，进行真空检漏。在上述的预压实工艺步骤中，对预浸布实施真空压实。在上述的打真空袋工艺步骤中，在已铺层的预浸布上铺放隔离膜、透气毡、以及真空袋，利用真空泵施加真空压力，压固各材料层并且减少由于基质在其化学固化阶段进行时发生的脱气而造成的空隙。在上述的热压罐固化工艺步骤中，在预浸料模具被真空袋包裹的状态下，释放真空压力，通入大气压，然后施加热压罐压力并升温，在真空罐中保持一定时间进行初始固化。在上述的后固化处理中，对预浸料模具进行加热及降温，使得预浸料模具具有很高的tg值而具有耐高温的特性。在上述背部支撑板工艺步骤中，将事先制作好的背部支撑板粘结在预浸料模具的背面，并进行固化。在上述的预脱模处理工艺步骤中，取出模具表面的脱模剂和污垢，涂敷产品脱模剂，放入烘箱固化。

技术实现要素：

发明要解决的课题

通过上述说明的现有的预浸料模具制造方法，能够制造用于生产复合材料构件的预浸料模具，然而，现有的预浸料模具制造方法存在如下问题。

作为制造预浸料模具的原材料，国内生产的预浸布材料有漏气现象，质量可靠性不足，为了保证预浸料模具产品质量，预浸布材料必须进口，故成本非常高。

此外，预浸布在整个储存及运输过程中需要保持低温环境，导致储存及运输成本非常高。

此外，为了保证预浸布不会吸收湿气，只能在使用之前进行解冻处理，例如，ltm16/cf0700t预浸料在20摄氏度下解冻时间为4－6小时，解冻时间较长，使得生产周期长。

此外，解冻后的预浸布材料的寿命有限，需要密封并放入冰柜内低温保存，从而把材料寿命的浪费降低到最小限度。

此外，上述的预浸布制造方法需要使用热压罐，在保持加压的状态下进行加热固化，而热压罐属于压力容器，由于耐压性的要求，其购置成本和使用成本都比较高。

此外，尽管利用上述的预浸料模具制造方法制造的预浸料模具能够用于生产复合材料构件，但是，当前，对于复合材料构件的生产用的模具，存在进一步提高硬度、强度、表面光洁度，进一步降低模具重量，缩短生产周期，进一步降低成本等需求。

本发明鉴于上述的问题，目的在于提供一种复合材料模具的成形方法，其模具树脂可常温储存和运输，复合材料模具中的复合纤维含量更高，硬度、强度更高，表面光洁度好，生产周期短，且固化过程中无需使用热压罐。用于解决课题的手段

为了解决上述的技术问题以达成发明目的，本发明的一个技术方案是一种tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法，用于制造复合材料模具，包括以下工艺步骤：

步骤1、准备中间模具；

步骤2、在所述中间模具上铺设增强材料；

步骤3、在所述步骤2之后的所述中间模具上依次铺设脱模层、真空辅助层，之后用真空袋膜覆盖并密封，形成灌注腔；

步骤4、向所述灌注腔中真空灌注树脂，使树脂快速地浸湿整个灌注腔内的所有干燥区域；

步骤5、进行两阶段加热固化以便使所述树脂固化，在第一阶段加热固化过程中，温度条件为60-90℃，保温4-5小时，在第二阶段加热固化过程中，升温至90-140℃，保温5小时或5小时以上；

步骤6、进行后处理，得到复合材料模具。

在上述tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法中，在所述步骤2中，所铺设的增强材料为与模具的设计厚度相应的四轴向玻纤布。

在上述tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法中，在所述步骤3中，所述脱模层为脱模布，所述真空辅助层按铺设顺序依次为带孔隔离膜和导流网。

在上述tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法中，在所述步骤3中，所述真空袋膜的铺设层数为2层，用密封胶条进行密封，密封后等待30min，确认压力下降不大于1％。

在上述tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法中，在所述步骤2中，还包括增加加强筋的处理。

在上述tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法中，在所述步骤1中，在所述中间模具的表面上涂敷脱模剂，然后，涂刷模具胶衣，在所述模具胶衣表面粗干后，依次铺设表面毡、短切毡。

在上述tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法中，在所述步骤6中，包括在所述复合材料模具上固定方钢块并在该方钢块上焊接模具钢架的处理。

在上述tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法中，在所述步骤6中，在焊接了所述模具钢架之后，进行将复合材料模具从所述中间模具脱模的处理、以及将脱模后的复合材料模具切边的处理，进一步进行检查复合材料模具的表面是否有缺陷并在有缺陷时进行修补的处理，此后，对复合材料模具进行表面水砂处理、表面抛光、打封孔剂、打脱模剂的处理。

发明效果

根据本发明的tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法，无需复杂的预浸布铺层工序，主要材料(树脂，即模具胶)的投入方式为真空灌注，生产周期更短，更适合快速、大量生产，有助于削减成本。

根据本发明的tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法，不使用预浸布材料而使用树脂，无需低温运输和保存材料，不必担心材料寿命，对生产设备及环境要求更低，成本更低。

根据本发明的tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法，在常压下进行树脂的加热固化，无需进行加压固化，对生产设备要求更低。

根据本发明的tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法，能够制造复合材料模具，不仅具有现有的预浸料模具的优点，而且，整体的一致性更好，内饰光洁度好，质量更高。纤维含量更高(高达70重量％纤维)，与预浸料模具相比重量更轻，以最小的重量达到非常高强度和刚性。

根据本发明的tg120度以上的高温复合材料模具的成形方法，通过在第二阶段加热固化过程中，升温至温度到90-140℃，保持5小时或5小时以上，从而使得加温后模具(工装)的tg值(玻璃化转移温度)达到120度至145度之间。

附图说明

图1是表示本发明的复合材料模具的成形方法的工艺流程图。

图2是表示本发明的复合材料模具的成形方法的一个实施例的工艺流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。通过附图以及相应的文字说明，本领域技术人员将会进一步理解本发明的特点和优势。这里的描述仅是出于说明实施例的目的，而不是全部可行的实施方式，且不意图限制本发明的范围。

本发明的复合材料模具的成形方法采用树脂(模具胶)的真空灌注工艺，代替现有技术中的预浸布铺层工艺，不采用预浸布。以下，具体说明真空灌注工艺及所使用的工具、材料。

图1示出了本发明的复合材料模具的成形方法的工艺流程图。如图1所示，本发明的复合材料模具的成形方法主要包括以下工艺步骤。

步骤1：准备中间模具。在此步骤中，按照设计要求制作中间模具，或者选用已事先准备的中间模具。此处，中间模具是指在制造复合材料模具的过程中使用的模具(即，生产工具)，不是最终生产出的模具(即，产品)，因此，称为“中间模具”。中间模具的设计及制作可以参照现有技术中的方法，在此不重复详细的说明。在该准备中间模具的步骤中，还可以根据实际需要而选择性地在中间模具表面上涂敷脱模剂，然后，还可以根据实际需要而选择性地涂刷模具胶衣，在模具胶衣表面粗干后，还可以根据实际需要而选择性地铺设纤维织物，该纤维织物包括表面毡、短切毡等。

步骤2：为了确保复合材料模具具有符合设计要求的强度和刚度，而在经过了上述步骤1之后的中间模具上铺设纤维布，除此之外，还可以根据实际需要而选择性地增设其它加强材料，例如加强筋等。

步骤3：在经过了步骤2之后的中间模具上，铺设脱模层、真空辅助层，用真空袋膜将已铺设在中间模具上的上述物料覆盖并密封，形成灌注腔。

步骤4：向经过了步骤3之后形成的上述的灌注腔中进行树脂的真空灌注，使树脂快速地浸湿整个灌注腔内的所有干燥区域。

步骤5：对经过了步骤4之后的中间模具及其上的物料进行加热以实现树脂的加热固化，在此步骤中，采用两阶段加热固化法，在第一阶段加热固化过程中，温度条件为60-90℃，保温4-5小时，在第二阶段加热固化过程中，升温至90-140℃，保温5小时或5小时以上。

步骤6：在完成了步骤5之后，进行复合材料模具的后处理，在此步骤中，可以根据实际需要选择性地进行去除表面的真空辅助材料的处理，将复合材料模具整体从中间模具脱模并切边以得到符合设计尺寸的复合材料模具的处理，还可以进行在复合材料模具上安装钢架的处理。

以上，说明了复合材料模具的成形方法的主要工艺步骤，但是，本发明的复合材料模具的成形方法包括但不限于上述的工艺步骤，还能够根据实际的需要进行调整，增加其他工艺步骤，以便进一步完善生产工艺，提高生产效率，提高复合材料模具的质量。

以下，通过具体实施例来说明实施发明的复合材料模具的成形方法的实施例。

实施例1

步骤101：制作中间模具。采用依照现有技术中的方法制作的中间模具，检验中间模具表面是否平滑、有无凹坑，拐角处有无树脂残留等影响表面及型面的缺陷。

步骤102：清理中间模具，涂抹脱模剂。在确认了没有上述的缺陷或者修复了上述的缺陷后，将中间模具表面用干净的棉布清洁干净；用干净的棉布蘸脱模剂(脱模剂的型号例如为41-90或55-nc)涂抹中间模具表面，涂抹后等待15min待脱模剂挥发完全，然后反复操作6-8遍。此处，脱模剂的型号、等待时间、涂抹次数可以根据实际需要而选择。

步骤103：涂刷模具胶衣。均匀搅拌好模具胶衣(模具胶衣材料的型号为2004ab，黑色或橘红色)，使用毛辊均匀涂刷在中间模具表面及法兰翻边处(翻边宽度为0mm-200mm，本实施例中采用150mm)，厚度控制在1mm以内，优选0.5-0.8mm。此处，模具胶衣材料的型号、法兰翻边处的涂刷宽度、厚度可以根据实际需要而选择。

步骤104：铺设表面毡。待模具胶衣表面粗干后，在模具胶衣上，全面铺设表面毡，在本实施例中，采用30g/m²的表面毡，表面毡的型号为emw30。

步骤105：在铺设了表面毡之后，全面铺设短切毡，在本实施例中，采用300g/m²的短切毡，短切毡的型号为emc300。

步骤106：在铺设了短切毡之后，根据模具设计厚度铺设纤维布，在本实施例中，采用800g/m²的四轴向玻纤布。此处，玻纤布的铺设层数是根据模具的设计厚度来计算，最低限度的层数需要能够维持模具强度及刚度要求，确保使用后无变形等问题，例如，在采用1200g/m²的四轴向玻纤布(1层1200g/m²的灌注后厚度约为0.96mm)，以10mm厚度为标准要求时，铺设约10层。需要说明的是，纤维布不限于四轴向玻纤布，也可以是其它类型的纤维布，例如碳纤维布，可以根据对复合材料模具的性能要求来适当选择纤维布的种类、厚度、克重等。

步骤107：为控制模具形变及刚度，增加加强筋，加强筋的材料可以是木材、金属、合成材料等，其形状及尺寸可以根据对复合材料模具的性能要求来适当选择，在本实施例中，采用20mm宽的balsa木条作为加强筋使用。

步骤108：形成灌注腔。在完成了上述的步骤107之后，在纤维布的上面依次铺设真空辅材，在本实施例中，包括脱模布、带孔隔离膜、导流网、以及真空袋膜，然后，用密封胶条将真空袋膜密封，形成用于灌注树脂的灌注腔。在本实施例中，针对每平方米复合材料模具表面，所使用的脱模布、带孔隔离膜、导流网均为1平方米，所使用的真空袋膜为3平方米，所使用的密封胶条约为6米。此处，本实施例中的真空袋膜的铺设层数为2层，但是，不限于2层，也可以根据密封性的要求增减真空袋膜的层数、密封胶条的使用量。

步骤109：在上述步骤108完成了密封后，需严格保压，进行保压测试，30min压力下降不大于1％即可。作为测试方法，例如，通过真空泵经由真空软管从上述灌注腔中吸出空气，直到达到预定表压，关闭真空泵，等待30min，确认压力下降是否大于1％，由此，确认真空袋膜是否有泄露。需要说明的是，保压测试中的30min及不大于1％的压力下降仅是一个例子，密封度也可以根据实际的设计要求而适当改变。

步骤110：真空灌注树脂。在确认了真空袋膜无泄露时，打开真空泵，通过真空软管对灌注腔内施加负压，同时，通过树脂软管将树脂灌注到灌注腔内，在负压下，使树脂快速地浸湿整个灌注腔内的所有干燥区域。在本实施例中，每平方的树脂灌注量约为4.5kg。需要说明的是，每平方的灌注量可以根据对复合材料模具的性能要求来适当选择从而改变复合材料模具的厚度。

步骤111：加热固化。在真空灌注完成后，对中间模具及上述步骤中的物料进行加热以使树脂固化。在本实施例中，进行两阶段加热固化，在第一阶段的加热固化中，在60℃的温度条件下保温4小时，作为此处的加热手段，可以使用电热毯。此后，在第二阶段的加热固化中，放入烘箱中，将温度条件设定为90℃，保温5小时。需要说明的是，加热手段不限于电热毯加热，也可以采用其他加热装置，而且，固化时间也可以根据复合材料模具的设计而在上述的时间范围内适当改变。

步骤112：复合材料模具的表面处理。在加热固化完成后，将复合材料模具的表面的上述的真空辅材(脱模布、带孔隔离膜、导流网、真空袋膜)撕掉，并将表面处理干净。

步骤113：安装钢架结构。在表面处理完成后，也可以根据复合材料模具的使用要求而选择性地在复合材料模具上安装钢架结构，该钢架结构可用于复合材料模具的定位、固定、移动等。在安装钢架结构时，首先，使用手糊树脂将方钢块粘结固定在复合材料模具上，在将该手糊树脂固化后，在该方钢块上焊接模具钢架。

步骤114：脱模及切边。在完成了上述步骤112或113之后，将复合材料模具整体从中间模具脱模，并切边以得到符合设计尺寸的复合材料模具。在本实施例中，切边时预留翻边宽度不小于100mm。

步骤115：完成处理。对于脱模及切边后得到的复合材料模具，还可以选择性地进行如下所述的完成处理。在本实施例中，检查复合材料模具表面是否有裂纹、凹陷、凸起、夹杂异物等缺陷，曲面过渡处是否存在空腔(例如通过使用橡皮锤敲来确认)，如有缺陷修补即可。根据复合材料模具的设计表面粗糙度进行模具表面水砂处理，从400目开始，600-800-1000-1200-1500-2000目结束。表面抛光、打封孔剂、打8-10遍脱模剂。

实施例2

实施例2的各工艺步骤与上述的实施例1中的各工艺步骤基本相同，不同点仅在于，在步骤111中进行加热固化时，在第一阶段的加热固化中，将加热温度设定为90℃，保温5小时，此后，放入烘箱中，将温度条件设定为140℃，保温7小时。

实施例3

实施例3的各工艺步骤与上述的实施例1中的各工艺步骤基本相同，不同点仅在于，在步骤111中进行加热固化时，在第一阶段的加热固化中，将加热温度设定为70℃，保温4.5小时，此后，放入烘箱中，将温度条件设定为110℃，保温6小时。

实施例4

实施例4的各工艺步骤与上述的实施例1中的各工艺步骤基本相同，不同点仅在于，在步骤111中进行加热固化时，在第一阶段的加热固化中，将加热温度设定为80℃，保温4.5小时，此后，放入烘箱中，将温度条件设定为120℃，保温6小时。

实施例5

实施例5的各工艺步骤与上述的实施例1中的各工艺步骤基本相同，不同点仅在于，在步骤111中进行加热固化时，在第一阶段的加热固化中，将加热温度设定为90℃，保温5小时，此后，放入烘箱中，将温度条件设定为130℃，保温6小时。

按照上述实施例1-5的各步骤，制作了复合材料模具。实施例1-5的复合材料模具的性能未表现出明显差别。硬度大于65(使用巴氏硬度计测量)。各实施例中，通过将树脂(模具胶)与800g/m²的四轴向玻纤布匹配使用，从而复合材料模具的测试后的拉伸强度为408.2mpa，拉伸模量是19.02gpa。此外，各实施例所制造的复合材料模具的玻璃化转移点为120℃至145℃，由于具有这样的玻璃化转移点，所以可以在低于120℃的工作条件下使用。基于本实施方式的复合材料模具成形方法所制造的复合材料模具的上述特性，其可以作为用于制造飞机和车辆中的结构件以及内饰件的模具而使用。

以上说明了本发明的复合材料模具的成形方法的一个实施例。以下，说明本发明的复合材料模具的成形方法的效果。

根据本发明的复合材料模具的成形方法，无需复杂的预浸布铺层工序，主要材料(树脂，即模具胶)的投入方式为真空灌注，生产周期更短，更适合快速、大量生产，有助于削减成本。

根据本发明的复合材料模具的成形方法，不使用预浸布材料而使用树脂，无需低温运输和保存材料，不必担心材料寿命，对生产设备及环境要求更低，成本更低。

根据本发明的复合材料模具的成形方法，在常压下进行树脂的加热固化，无需进行加压固化，对生产设备要求更低。

根据本发明的复合材料模具的成形方法，能够制造复合材料模具，不仅具有现有的预浸料模具的优点，而且，整体的一致性更好，内饰光洁度好，质量更高。纤维含量更高(高达70重量％纤维)，与预浸料模具相比重量更轻，以最小的重量达到非常高强度和刚性。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。