專利名稱：用于樹脂傳遞成型的恒壓灌注方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及樹脂的灌注方法，尤其涉及使用真空壓力加工制造纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的樹脂灌注方法
背景技術(shù)：
纖維增強(qiáng)的聚合物基材型復(fù)合材料(PMC)是常用于需要耐惡劣環(huán)境性、高強(qiáng)度和 /或低重量的應(yīng)用中的高性能結(jié)構(gòu)材料。該類應(yīng)用的實(shí)例包括飛行器組件(例如尾部、機(jī)翼、機(jī)身、螺旋槳)、船體和自行車框架。PMC包括與基材材料結(jié)合在一起的纖維層，所述基材材料例如聚合物樹脂。纖維使基材增強(qiáng)，其中纖維承受由復(fù)合材料承擔(dān)的主要負(fù)荷，而基材承受由復(fù)合材料承擔(dān)的小部分負(fù)荷并且將負(fù)荷由破損的纖維傳遞至未受損壞的纖維。在該方法中，PMC可以承擔(dān)比基材或者纖維可單獨(dú)承擔(dān)更多的負(fù)荷。此外，通過使增強(qiáng)纖維具有特別的幾何結(jié)構(gòu)或取向，可以高效地設(shè)計(jì)復(fù)合材料以最小化重量和體積。已經(jīng)開發(fā)了多種制備PMC的方法。實(shí)例可包括濕疊層法、預(yù)浸料法和液體灌注 (infusion)法。在濕疊層法中，使用基材材料將增強(qiáng)纖維濕潤、置于模具腔中并使其硬化或固化。該方法可以以自動(dòng)方式進(jìn)行，例如使用接收干燥纖維卷的切割槍(chopper gun)或機(jī)器，通過樹脂浸蘸池使其運(yùn)轉(zhuǎn)并將浸潤的纖維置于模具中?；蛘撸梢杂妹⑹謩?dòng)地施加樹脂。在預(yù)浸漬法中，用預(yù)浸漬的織物或預(yù)浸料來加工復(fù)合材料組件。以可控方式用基材樹脂對(duì)增強(qiáng)纖維進(jìn)行預(yù)浸漬并冷凍以防止樹脂進(jìn)行聚合。然后將冷凍的預(yù)浸料在冷凍條件下運(yùn)輸并儲(chǔ)存直至需要時(shí)。當(dāng)由預(yù)浸料加工復(fù)合材料部件時(shí)，將預(yù)浸料解凍至室溫，切割至需要的尺寸并置于模具腔中。一旦在位置中，則將預(yù)浸物真空包裝并在壓力下進(jìn)行固化以達(dá)到具有最小空隙的所需纖維體積分?jǐn)?shù)。在液體灌注方法中，將增強(qiáng)纖維置于模具腔中或者在干燥條件下用于網(wǎng)絡(luò)成型工具的其他機(jī)械中，用基材樹脂使其濕潤并固化。液體灌注方法可以通過多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)， 包括高壓和低壓樹脂傳遞成型法(RTM)、樹脂膜灌注法(RFI)、真空輔助的樹脂傳遞成型法 (VARTM)、擠壓成型法、高VARTM、Seeman復(fù)合材料樹脂灌注成型法(SCRIMP ))、反應(yīng)灌注成型法(RIM)或相同的合格的樹脂傳遞成型法(SQUIRTM)。然而，每種方法可能都有問題。雖然較為便宜，濕層疊加工通常會(huì)生產(chǎn)具有低的纖維體積分?jǐn)?shù)和高的孔隙度的復(fù)合材料，這降低了所制備的復(fù)合材料的總強(qiáng)度和質(zhì)量。相反， 通過預(yù)浸料法制備復(fù)合材料可達(dá)到較高的纖維體積分?jǐn)?shù)并降低空隙量，但是制備預(yù)浸料的成本大大提高。此外，由于甚至在冷凍狀態(tài)下持續(xù)的聚合而使冷凍的預(yù)浸料的壽命有限，并且處理必須仔細(xì)控制。通過浸漬和其他密閉成型方法(例如RTM)制備復(fù)合材料也很昂貴， 這是由于得到以及保養(yǎng)所需工具和液體灌注體系的成本較高。概述本領(lǐng)域需要具有高的纖維體積分?jǐn)?shù)和低的孔隙度的復(fù)合材料以及制備這些材料的方法和裝置，這將提高所制備復(fù)合材料的強(qiáng)度和質(zhì)量并降低生產(chǎn)所述材料的成本。
附圖簡述圖IA為樹脂灌注方法中，在灌注樹脂之前的纖維預(yù)成型物中的壓力示意圖；圖IB為樹脂灌注方法中，在形成壓力梯度之后的纖維預(yù)成型物中的壓力示意圖；圖IC為樹脂灌注方法中將樹脂引入纖維預(yù)成型物的排空區(qū)時(shí)，在纖維預(yù)成型物中的壓力示意圖；圖ID為纖維預(yù)成型物的排空區(qū)中至少一部分填入樹脂之后，在纖維預(yù)成型物中的壓力示意圖；圖2A為本公開的樹脂灌注體系的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖；圖2B為本公開的具有多個(gè)樹脂儲(chǔ)槽的樹脂灌注體系的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖；圖2C為本公開的包含支撐筋板的樹脂灌注體系的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖；和圖2D為本公開的包含外部閥的灌注樹脂浸漬體系的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。發(fā)明詳述在此討論的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，恒壓灌注法(CPI VaRTM)可以基本降低聚合物基材復(fù)合材料性能的變化，提供了穩(wěn)定的、可重復(fù)、可預(yù)測且可控的復(fù)合材料制備方法， 其中所述性能變化可能由于內(nèi)部壓力梯度而引起。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以抑制在基材的灌注浸漬或固化中在纖維預(yù)成型物上形成或維持壓力梯度的可能性。這導(dǎo)致始終可達(dá)到最高程度地壓實(shí)預(yù)成型物，這可以抑制在基材灌注過程中排出體積的潛在變化。該方法制備的復(fù)合材料層疊材料達(dá)到或超過由常規(guī)預(yù)浸料且在高壓釜中固化而制備的那些。此外，除包括樹脂儲(chǔ)槽及相關(guān)的進(jìn)料線/進(jìn)入裝袋流程的流動(dòng)收縮器之外，該CPI VARTM方法的實(shí)施方案不需要任何額外設(shè)備。此外，本發(fā)明的實(shí)施方案還提供了顯著簡化的灌注方法。這經(jīng)由將樹脂進(jìn)料源置于組件的裝袋線內(nèi)而實(shí)現(xiàn)，這減少或基本除去了使用外部管線或樹脂進(jìn)料源的需要。這允許最好地將注入(infuse)烘箱內(nèi)的組件進(jìn)行包裝，這顯著降低了復(fù)合材料生產(chǎn)成本，因?yàn)橛梢粋€(gè)烘烤流程可以制備更多的組件。在此所用的術(shù)語“大約”、“約”及“基本上”表示接近于完成所需功能或達(dá)到所需結(jié)果所述量的量。例如，術(shù)語“大約”、“約”及“基本”可以指在所述量的小于10%、小于5%、 小于1%、小于0. 和小于0.01%之內(nèi)的量。在此所用的術(shù)語“預(yù)浸料”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員熟知的諸如上述的通常意義。 預(yù)浸料可以包括至少部分體積已經(jīng)用基材材料浸漬的纖維片或纖維層疊材料。所述基材可以以部分固化的狀態(tài)而存在。在一個(gè)實(shí)施方案中，預(yù)浸料的孔隙度基于預(yù)浸料的總體積約為0. 1-1. 5體積％。在此所用的術(shù)語“固化”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員熟知的通常意義，并且可以包括聚合和/或交聯(lián)過程。固化可以通過包括但并不限于加熱、曝露于紫外光線及曝露于輻射的方法而進(jìn)行。在某些實(shí)施方案中，固化可以在基材中進(jìn)行。在固化以前，基材可以還包含一種或多種在約室溫下為液體、半固體、結(jié)晶固體以及其組合的化合物。在某些實(shí)施方案中，灌注和固化可以在一個(gè)過程中進(jìn)行。在此所用的術(shù)語“基材”、“樹脂”和“基材樹脂”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員熟知的通常意義，并且可以包括一種或多種包含熱固性和/或熱塑性材料的化合物。實(shí)例可以包括但并不限于環(huán)氧樹脂、環(huán)氧固化劑、酚醛樹脂、酚類、氰酸酯樹脂、酰亞胺類(例如聚酰亞胺、二馬來酰亞胺(BMI)、聚醚酰亞胺)、聚酯、苯并噁嗪類、聚苯并咪唑、聚苯并噻唑、聚酰胺、聚酰胺酰亞胺、聚砜、聚醚砜、聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯和聚醚酮(例如聚醚酮 (PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEKK)等)，其組合物以及其前體。在一個(gè)實(shí)施方案中，樹脂為單組分環(huán)氧樹脂。在另一個(gè)實(shí)施方案中，樹脂為低粘度的單組分環(huán)氧樹脂。在另一實(shí)施方案中，樹脂在室溫下具有極高粘度，但在升高溫度下具有低粘度及長的使用壽命。此時(shí)， 樹脂的高粘度可能阻礙樹脂在室溫下流入預(yù)成型物中。因此在加工過程中，可以將樹脂加熱至使樹脂熔化至低粘度且允許樹脂流入預(yù)成型物的溫度。高粘度樹脂可以在環(huán)境溫度下具有約3000-20000cp的粘度，并且高粘度樹脂在30-125攝氏度下可以具有50-500cp的粘度。在另一個(gè)實(shí)施方案中，樹脂在室溫下具有低的粘度。低粘度樹脂可以在環(huán)境溫度下具有約50-700Cp的粘度。在一個(gè)實(shí)施方案中，復(fù)合材料中的基材含量基于復(fù)合材料的體積約為 30-70vol%o在此使用的術(shù)語“灌注”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員熟知的通常意義，并且可以包括將樹脂加入預(yù)成型物中。在一個(gè)實(shí)施方案中，灌注樹脂可以包括通過真空壓力機(jī)械地驅(qū)使樹脂進(jìn)入預(yù)成型物中。在另一個(gè)實(shí)施方案中，灌注可以通過向樹脂儲(chǔ)槽施加熱量及外壓的一種或多種而實(shí)現(xiàn)。施加熱量或壓力以促使樹脂由儲(chǔ)槽進(jìn)入預(yù)成型物。在一個(gè)實(shí)施方案中， 灌注在約40-120°C下進(jìn)行。在另一個(gè)實(shí)施方案中，灌注可以在約環(huán)境溫度下進(jìn)行。在此所用的術(shù)語“儲(chǔ)槽”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的通常意義并且可以包括可拆卸的儲(chǔ)槽，例如可拆卸膜或其他柔性儲(chǔ)槽或活塞驅(qū)動(dòng)的儲(chǔ)槽。在另一個(gè)實(shí)施方案中， 儲(chǔ)槽為具有樹脂放氣系統(tǒng)的可拆卸標(biāo)準(zhǔn)灌注裝袋結(jié)構(gòu)中的一部分。此處所述的方法和裝置可以包括一個(gè)或多個(gè)樹脂儲(chǔ)槽。多個(gè)樹脂儲(chǔ)槽可以與一個(gè)或多個(gè)預(yù)成型物相連接，例如系列或平行或串聯(lián)一起，以傳輸(deliver)足夠的樹脂并完全灌注預(yù)成型物。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，樹脂進(jìn)料系統(tǒng)包括可拆卸樹脂袋或儲(chǔ)槽，其保持與待灌注的預(yù)成型物相同的真空狀態(tài)。此外，樹脂儲(chǔ)槽通常位于與待灌注的預(yù)成型物相同的袋中。該方法使用常規(guī)方法，其中預(yù)成型物經(jīng)由多種現(xiàn)有技術(shù)覆蓋的上述方法進(jìn)行壓實(shí)。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案不使用可控或非可控的外在樹脂進(jìn)料源，但是使用內(nèi)部源，所述內(nèi)部源依賴于樹脂儲(chǔ)槽沒有能力抵抗在真空袋下的儲(chǔ)槽上所施用大氣壓。該系統(tǒng)允許所述預(yù)成型物完全壓實(shí)，并在整個(gè)過程中保持完整的壓力氣氛下。在一個(gè)實(shí)施方案中，樹脂進(jìn)料儲(chǔ)槽也置于同樣的完全大氣條件下；然而，在施加真空下，樹脂不能進(jìn)入排空區(qū)?？梢越?jīng)由幾種方法使樹脂的流動(dòng)停止。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，可以使用室溫下具有高粘度的樹脂，這阻止了流動(dòng)，然后在灌注過程中加熱時(shí)熔化或變成低粘度。在另一個(gè)實(shí)施方案中，在樹脂儲(chǔ)槽和預(yù)成型物之間可以使用流動(dòng)縮窄器，通過加熱或外部作用使其激活。可以將所述流動(dòng)限制裝置放在儲(chǔ)槽與預(yù)成型物之間的進(jìn)料線上，例如外部閥，這在關(guān)閉時(shí)防止了樹脂流入預(yù)成型物中。在另一個(gè)實(shí)施方案中，在施加真空下立即使樹脂開始灌注入預(yù)成型物中，然而在另一個(gè)實(shí)施方案中，在制備預(yù)成型物、壓實(shí)并可以灌注之后使樹脂開始流動(dòng)。在此所用的術(shù)語“流體傳輸”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的通常意義，并且可以涉及結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)例如為與通向預(yù)成型物的進(jìn)料線連接的進(jìn)料線。在一個(gè)實(shí)施方案中，樹脂由儲(chǔ)槽而進(jìn)入預(yù)成型物的速度為lO-lOOOml/min。
在此所用的術(shù)語“預(yù)成型物”或“纖維預(yù)成型物”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的通常意義，并且可以包括纖維組合，例如可用于得到樹脂的單方向纖維和編織纖維。在此所述的方法和裝置可以包括一個(gè)或多個(gè)預(yù)成型物。在此所用的術(shù)語“真空”或“真空壓力”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的通常意義并且可以包括1大氣壓或更低的真空壓力。在灌注步驟中，可以在灌注步驟過程中施加基本相同的真空壓力。在一個(gè)實(shí)施方案中，真空度約為Ο-latm。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以通過諸如壓力池的輔助方法而施加更大壓力，其中所述壓力池例如高壓釜。還可以使用 latm、0. 9atm、0. 8atm、0. 7atm、0. 6atm、0. 5atm、0. 4atm、0. 3atm、0. 2atm、0. Iatm 的真空壓力。在一個(gè)實(shí)施方案中，在灌注步驟過程中，在預(yù)成型物中基本沒有形成壓力梯度。在一個(gè)實(shí)施方案中，本方法涉及但不限于只有真空的灌注樹脂浸漬方法以制備纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，在整個(gè)灌注和固化循環(huán)中，在整個(gè)干燥纖維預(yù)成型物中完全保持了真空壓力。在此所用的術(shù)語“外殼”或“真空袋”各自具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的通常意義，并且可以包括能夠在灌注或固化步驟中，使得儲(chǔ)槽和預(yù)成型物基本保持相同真空壓力的外殼或真空袋。在一個(gè)實(shí)施方案中，外殼或真空袋擠壓了預(yù)成型物。例如在一個(gè)實(shí)施方案中，在施加真空壓力時(shí)，外殼的至少部分基本符合預(yù)成型物的外形。在另一個(gè)實(shí)施方案中，外殼或真空袋包括聚乙烯、聚氨酯、乳膠、硅樹脂和諸如塑料袋的乙烯基樹脂中的至少一種。在另一個(gè)實(shí)施方案中，外殼或真空袋包括半剛性材料，其覆蓋了預(yù)成型物的全部或部分以形成真空膜。在一個(gè)實(shí)施方案中，預(yù)成型物或樹脂儲(chǔ)槽在相同外殼或真空袋中。在此所述的方法和裝置可以包括一個(gè)或多個(gè)外殼或真空袋。在另一個(gè)實(shí)施方案中，預(yù)成型物及樹脂儲(chǔ)槽在不同的外殼或真空袋中。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以使儲(chǔ)槽清空并且可以填滿預(yù)成型物，然后可以將組分固化以完成。在使組分固化以后，可以用超聲方法進(jìn)行非破壞性地檢測并且測量厚度、纖維體積和空隙量中的至少一個(gè)。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述組分包含在此引用的一個(gè)或多個(gè)硬化的元件。所述組分可以使用浮動(dòng)式覆蓋板以在固化過程中支持筋板。所述組件優(yōu)選滿足關(guān)于最小變化的航空要求。在此所用的術(shù)語“復(fù)合材料”各自具有諸如上述的本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的通常意義，并包括層疊物和聚合物基材的復(fù)合材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，復(fù)合材料的纖維含量基于復(fù)合材料的總體積至少為55%，在另一個(gè)實(shí)施方案中為60%或更多，65%或更多， 70 %或更多，75 %或更多，80 %或更多。在一個(gè)實(shí)施方案中，復(fù)合材料的孔隙度基于復(fù)合材料的總體積約為0. 1-1. 5Vol%。本方法可以形成的復(fù)合材料具有高纖維體積及低空隙量， 滿足或超過在高壓釜中制備的常規(guī)復(fù)合材料復(fù)合材料。所得復(fù)合材料可用于包括，但并不限于航空應(yīng)用的應(yīng)用中。在此所用的術(shù)語“纖維體積分?jǐn)?shù)”各自具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的通常意義，并且包括復(fù)合材料中纖維的量，基于總復(fù)合材料體積纖維體積百分?jǐn)?shù)。在一些實(shí)施方案中，復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)大于含有相同組分、但通過其中在灌注步驟中儲(chǔ)槽和預(yù)成型物未保持基本相同真空壓力的方法制備的復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料灌注。用于復(fù)合材料的纖維或織物的類型影響纖維體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算，因此在某些實(shí)施方案中，使用相同
7的纖維或織物以對(duì)通過在此公開方法制備的復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)與通過常規(guī)方法制備的復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比。在其他實(shí)施方案中，在此所述的方法得到比使用常規(guī)VARTM方法得到的纖維體積分?jǐn)?shù)大或更多，例如2%或更多、3%或更多、4%或更多、5%或更多、6%或更多、7%或更多、8%或更多、9%或更多、10%或更多，例如約3-5%或更多的復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)，所述常規(guī)方法例如為其中儲(chǔ)槽和預(yù)成型物在灌注步驟中未保持基本相同的真空壓力的方法。在另一個(gè)實(shí)施方案中，纖維體積分?jǐn)?shù)為58體積％或更多，包括59體積％或更多、60體積％或更多、61體積％或更多、62體積％或更多、63體積％ 或更多、64體積％或更多、65體積％或更多。在此所用的術(shù)語“厚度”每個(gè)都具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的通常意義，并且包括包含復(fù)合材料的一層或多層的每個(gè)的厚度。在某些實(shí)施方案中，所述一層或多層具有基本均勻的厚度，例如在各層的總面積上厚度基本沒有變化。在某些實(shí)施方案中，在各層的面積上具有約3%或更小、2. 5%或更小、2%或更小、1. 5%或更小、或更小或0. 5%或更小的變化。一個(gè)層可包括稱為諸如毯狀物的厚層。在此所述的方法可以包括額外的步驟。例如，可以甚至在灌注步驟之前或過程中對(duì)預(yù)成型物進(jìn)行壓緊和壓實(shí)。在一個(gè)實(shí)施方案中，在整個(gè)灌注步驟中，壓實(shí)壓力基本恒定。 通常，灌注步驟過程中的壓實(shí)壓力大于常規(guī)方法，即其中樹脂儲(chǔ)槽和預(yù)成型物不在基本相同的真空壓力下。在此所述的方法還可以在灌注步驟前包括使至少部分的樹脂進(jìn)行加熱的步驟。在一個(gè)實(shí)施方案中，預(yù)成型物中包括樹脂儲(chǔ)槽的整個(gè)裝置可以置于烘箱中并加熱至使樹脂熔化至低粘度且允許樹脂流入預(yù)成型物的溫度。在此所用的術(shù)語“至少部分”表示包含可能包括整體的總的量。例如，術(shù)語“部分”可以指大于總體的0.01%、大于0. 1%、大于1%、大于10%、大于20%、大于30%、大于40%、大于50%、大于60%、大于70%、大于80%、大于90%、大于95%、大于99%、和 100%。在此所用的術(shù)語“室溫”或“環(huán)境溫度”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的意義， 并且可以包括約16-32°C (60-90° F)的溫度。在此所用的術(shù)語“纖維”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的意義，并且可以包括適用于使復(fù)合材料增強(qiáng)的一種或多種纖維型材料。纖維可以呈顆粒、小薄片、絲、短纖維、連續(xù)纖維、片、層片及其組合的任何一種形式。連續(xù)纖維還可以采取單方向、多維(例如而為或三維)、非織造、織造、針織、針縫、纏繞、編織結(jié)構(gòu)以及卷曲墊、氈墊、短切氈結(jié)構(gòu)中的任何一個(gè)。紡織的纖維結(jié)構(gòu)可以包含多個(gè)具有小于約1000 個(gè)纖維絲、小于約3000個(gè)纖維絲、小于約6000個(gè)纖維絲、小于約12000個(gè)纖維絲、小于約 24000個(gè)纖維絲、小于約48000個(gè)纖維絲、小于約56000個(gè)纖維絲、小于約125000個(gè)纖維絲和大于約125000個(gè)纖維絲的紡織紗線束。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述紗線束可以十字針 (cross-tow stitches)、弓丨諱針(welf-insertion knitting)或少量樹月旨(例如膠水)而固定。若需要的話，可以改變纖維的組成。纖維組成的實(shí)施方案可以包括但并不限于玻璃、碳、芳族聚酰胺纖維、石英、聚乙烯、聚酯、聚對(duì)苯苯并噁唑纖維、硼、碳化硅、聚酰胺、碳和石墨及其組合。在一個(gè)實(shí)施方案中，纖維為碳、纖維玻璃、芳族聚酰胺纖維或其他熱塑性材料。增強(qiáng)纖維可以為有機(jī)物或無機(jī)物。此外，纖維可以包括織物構(gòu)造，其包括呈連續(xù)或非
8連續(xù)形式的那些。在此所用的術(shù)語“層疊物”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的通常意義，并且可以包括彼此靠近放置的一個(gè)或多個(gè)預(yù)浸料。在某些實(shí)施方案中，層疊物中的預(yù)成型物可以以選定方向放置。在另一個(gè)實(shí)施方案中，預(yù)浸料可以任選用線狀材料固定在一起，以阻止其在選定方向上相對(duì)移動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，“層疊物”可以包括在此所述的完全浸漬的預(yù)浸料、部分浸漬的預(yù)浸料、有孔的預(yù)浸料的任何組合。層疊物可以通過包括但并不限于手工層疊物、自動(dòng)帶層疊物(ATL)、先進(jìn)纖維鋪放(AFP)和纖維纏繞的技術(shù)而制備。在此所用的術(shù)語“加固”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的通常意義，因此包括使樹脂或基材材料流動(dòng)以在纖維中取代空隙空間的方法。例如“加固”可以包括但并不限于使基材流入纖維與預(yù)成型物之間和之中的空隙空間、穿孔等?！凹庸獭边€可以在加熱、真空和加壓中的一個(gè)或多個(gè)作用下進(jìn)行。在此所用的術(shù)語“液體灌注方法”具有本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的通常意義，并且可以包括常規(guī)液體灌注方法。液體灌注方法可以包括如下任何方法，其中首先將增強(qiáng)纖維放入模具腔、沖壓頭或任何其他在干燥條件下的網(wǎng)狀成型工具中，然后用樹脂狀基材使其潤濕，然后固化。該方法可以具有多種不同的加工方法，包括RTM、RFI、VARTM、RTMLight、 拉擠成型、Hyper VARTM、SCRIMP、RIM、SQUIRTM、和其它一些液體注入方法的演變方法。這些常規(guī)方法中的每一種都有優(yōu)缺點(diǎn)。多數(shù)這些方法之間的主要區(qū)別涉及精度和工具費(fèi)用。對(duì)于常規(guī)RTM和閉模方法，取得和維護(hù)工具的費(fèi)用昂貴，然而工具是該方法的最核心部分。該機(jī)制決定了最終形狀和部件的表面控制，并在決定樹脂怎樣填充和潤濕封入在工具中的干纖維方面起積極作用。通常，因?yàn)楣ぞ咦兊貌豢刹僮鳎瑢?duì)這些用閉模方法制備的部件的尺寸和形狀有所限制。除工具外，常規(guī)所需在溫度和高壓下灌注樹脂的設(shè)備，例如擠壓和灌注機(jī)的購買和維護(hù)也會(huì)非常昂貴。有一些閉模方法的演變方法使用較低價(jià)錢的工具并除去了樹脂灌注體系，但通常他們比其它液體注入方法更昂貴。然而，這些方法通常生產(chǎn)要求高纖維體積和最小空隙率的航空級(jí)層疊材料。液體注入放法還包括單側(cè)液體注入放法，該方法是閉模方法的一種演變。代替2 側(cè)工具，單側(cè)工具被用于此方法中，在對(duì)側(cè)使用一柔性袋子。該方法是閉模方法的一種廉價(jià)版本，因?yàn)樗灰髥蝹?cè)模具，需要最低的額外設(shè)備以執(zhí)行該方法，并基本沒有限制。該方法只使用真空(大氣壓)來進(jìn)料和填入潤濕干纖維的樹脂。通過使用低粘度的樹脂材料和適當(dāng)?shù)淖⑷爰夹g(shù)以維持層疊材料上的真空壓力，就可以生產(chǎn)航空級(jí)的層疊材料。這種常規(guī)方法所引起的問題之一是由于樹脂進(jìn)料體系通常在裝袋的預(yù)成型物的外面且樹脂進(jìn)料通常在部件上進(jìn)行監(jiān)測，其是基于部件的。該體系導(dǎo)致在過程中必須監(jiān)測和控制多個(gè)進(jìn)料管及出料管，而且有形成泄漏的可能性并發(fā)生錯(cuò)誤。此額外的問題使同時(shí)可以灌注組分的個(gè)數(shù)受到了限制，并因而由沒有有效地利用烘箱空間而增加了成本。如上所述，通常使在高壓釜中制備的預(yù)浸漬層疊材料排列以使最大數(shù)量的組件得以同時(shí)固化。另一個(gè)常規(guī)液體灌注方法為拉擠成型，與其他液體灌注方法相比其更加受限。拉擠成型方法包括將干燥的纖維加熱具有特定截面的塑模中，然后在此處加入樹脂并然后固化。該方法通常用于制備通常具有典型/恒定截面積的長的、連續(xù)組分。下面，對(duì)上述的常規(guī)的單側(cè)液體灌注方法進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中所述方法僅取決于真空(例如大氣壓)以對(duì)干燥纖維進(jìn)行供料和潤濕。使用真空(大氣壓)作為預(yù)成型物
9的干燥纖維進(jìn)料及潤濕的主要?jiǎng)恿Φ母稍锢w維的常規(guī)液體灌注在本工業(yè)中為人們所熟知。 有許多關(guān)于該方法的專利，例如首先在二十世紀(jì)40年代和二十世紀(jì)50年代使用的Macro 方法(US Pat. No. 2，495，640)和 Smith (US Pat. No. 2，913，036)直至最近的專利 Palmer (US Pat. No. 4，942，013)和keman(US Pat. No. 4，902, 215)。還有許多專利的變型方案，它們描述了將樹脂加入并在干燥纖維分配的方法且已經(jīng)在技術(shù)演示及雜志中得以描述。使用大氣壓以灌注或浸漬干燥纖維(預(yù)成型物)是相當(dāng)直接的方法，其利用大氣和真空之間存在的自然壓力差。在典型的常規(guī)灌注方法中，使樹脂容器或液體樹脂進(jìn)料系統(tǒng)處于大氣條件下，而預(yù)成型物處于真空條件下的袋中。通過大氣將預(yù)成型物相對(duì)于袋而進(jìn)行擠壓，因而在袋上形成了平衡的反應(yīng)力，如圖IA所示。最后的結(jié)果是，排空空間的凈體積被預(yù)成型物的纖維填充若干百分比，而其余體積是敞開空間。排空空間的體積取決于幾個(gè)變量，包括該空間的真空量，其決定了壓緊預(yù)成型物的大氣壓的量，以及被壓緊的預(yù)成型物的回彈性。此回彈性通常稱為預(yù)成型物的“體積因子”。為了獲得航空質(zhì)量層壓材料，所述體積中的纖維百分比典型地需要大于陽％。該纖維百分比是構(gòu)造預(yù)成型物中存在的許多變量的函數(shù)，如織物構(gòu)造、纖維/束尺寸和纖維排列。有幾種方法用于將預(yù)成型物壓緊至纖維體積的55%或更大的狀態(tài)。這可以包括如Woods(US Pat. App. Pub. No. 2005/0073076 Al)中所述的多個(gè)壓實(shí)循環(huán)。壓緊還可以包括在壓實(shí)循環(huán)中施加熱量以幫助將預(yù)成型物結(jié)合到一起。還有其他的方法，包括使織物緊密地疊在一起。有許多其他方法在技術(shù)文獻(xiàn)中得以描述，但是所有這些方法的目的是增加排出體積中纖維百分?jǐn)?shù)。通過增加纖維百分?jǐn)?shù)，由于提高了主要承載元件(纖維)的密度而可以改進(jìn)層疊材料的機(jī)械性能。壓實(shí)預(yù)成型物的本身缺點(diǎn)是減少了真空并造成擠壓預(yù)成型物的大氣壓的損失。由于真空下降，預(yù)成型物的彈性作用于袋上，這有效地增加了體積且降低了纖維密度。由于這是用樹脂供入并填充預(yù)成型物的主要?jiǎng)恿?，在典型的灌注方法中主要關(guān)注該固有缺點(diǎn)。在典型的灌注方法中，注入起始于在如Fgiure IA所示的穩(wěn)態(tài)變成敞開體系時(shí)， 此時(shí)樹脂進(jìn)料打開且大氣壓力產(chǎn)生壓力梯度并將樹脂推入到如圖IB所示的擠壓預(yù)成型物中。具體而言，

圖1A-1B顯示了普通注入方法的問題。圖IA是普通灌注方法在在真空裝袋和預(yù)備灌注的穩(wěn)態(tài)的示意圖。在一個(gè)例子中，真空可能打開和樹脂進(jìn)料可能關(guān)閉，在預(yù)成型物上沒有壓力梯度。大氣壓力(PA)存在于各處，凈所得袋壓是1個(gè)大氣壓。預(yù)成型物與工具和袋以機(jī)械阻抗力Fp而相互作用。圖IB為灌注方法在起始敞開狀態(tài)下的示意圖，此時(shí)樹脂進(jìn)料線打開，并且形成了壓力梯度。在樹脂壓力的壓力下，PR = PA+(頂部壓力)，由真空出口 PA至樹脂入口的預(yù)成型物上形成了壓力梯度。這使樹脂從高壓區(qū)流向低壓區(qū)。頂部壓力(Head)為在進(jìn)入預(yù)成型物之前由于進(jìn)料管中樹脂柱高度而形成的任何/_壓力。若桶高于進(jìn)料點(diǎn)，則具有正的頂部壓力，導(dǎo)致進(jìn)料點(diǎn)的樹脂壓力大于1個(gè)大氣壓。若桶低于進(jìn)料點(diǎn)，則具有負(fù)的頂部壓力， 并且樹脂壓力低于大氣壓。應(yīng)指出的是粘性效應(yīng)通常引起某些(_)的頂部壓力/滲透損失和Darcys Law。若粘性損失或(_)的頂部壓力滿足或超過真空導(dǎo)致的壓力梯度，那么灌注將停止。還應(yīng)指出的是若預(yù)成型物的反應(yīng)力(Fp)持續(xù)，且在過濾過程中真空壓力下降(回
10到PA)，則FP會(huì)有效下降至未受擠壓時(shí)的物理狀態(tài)。在預(yù)成型物上得到的壓力梯度不僅使樹脂進(jìn)入排空體積，而且降低了擠壓預(yù)成型物的真空壓力。真空的這種損失使預(yù)成型物對(duì)袋的彈性增加了真空下降的體積。若灌注繼續(xù)，則真空下降的區(qū)域隨著更多的樹脂注入排空體積而增加，如圖IC和ID所示。如圖IC和ID所示，在灌注過程中，預(yù)成型物內(nèi)的壓力梯度以及所導(dǎo)致的預(yù)成型物的厚度變化和纖維體積會(huì)變化且難以控制。所述變化取決于多個(gè)輸入，包括部件尺寸、厚度、滲透率、流動(dòng)介質(zhì)材料、裝袋過程、樹脂入口及出口的位置和許多其他影響使樹脂供入預(yù)成型物中的因素。這種無法控制的變化是將灌注方法用于航空組件的主要障礙，這是由于其導(dǎo)致厚度的不均勻性或者低的纖維體積。更具體而言，圖IC為灌注方法在開放狀態(tài)下的示意圖，此時(shí)將樹脂加入排空區(qū)、 填充開放空間并降低該區(qū)域內(nèi)的真空壓力。在預(yù)成型物上的壓力梯度致使樹脂流過預(yù)成型物，累積粘性下降。隨粘性下降，樹脂壓力I3R具有壓力梯度。隨著灌注過程中時(shí)間的增加， 預(yù)成型物的反應(yīng)力FP從真空點(diǎn)至進(jìn)料點(diǎn)而逐漸下降。應(yīng)指出的是粘性損失為樹脂流出前端至樹脂進(jìn)料點(diǎn)之間長度的函數(shù)。隨著長度的增加，損失增加，導(dǎo)致通過預(yù)成型物的流動(dòng)降低。若該長度過長，則該樹脂損失克服了壓力梯度，造成流動(dòng)前端停止。這種預(yù)成型物的逐步填充通常持續(xù)至下述之一的情況發(fā)生1)供入適量的樹脂并且關(guān)閉了樹脂進(jìn)料線；2)全部灌注了預(yù)成型物，并且樹脂離開真空口 ；3)樹脂流動(dòng)前端達(dá)到死區(qū)，并且關(guān)閉了樹脂進(jìn)料線。圖ID為樹脂填充了排空區(qū)及預(yù)成型物以后的灌注方法示意圖。該示意圖顯示出各種結(jié)束灌注方法的選擇的壓力梯度。選擇1 (關(guān)閉了樹脂進(jìn)料，具有或不具有死區(qū)，排放)隨著時(shí)間，當(dāng)過量樹脂通過真空源而除去時(shí)，非剛性的袋癟掉(體積損失)。一旦袋中又具有了預(yù)成型物，預(yù)成型物將反應(yīng)力FR施加于袋上，直至在預(yù)成型物上建立了 PA。一旦體積受限并且該體系當(dāng)前為剛性容器，則樹脂壓力I3R回到真空壓力-PA。選擇2 (關(guān)閉了樹脂進(jìn)料，具有或不具有死區(qū)，關(guān)閉的真空)隨著時(shí)間，樹脂壓力 PR在預(yù)成型物上達(dá)到比真空壓力大的平衡。選擇3 (開放了樹脂進(jìn)料，具有或不具有死區(qū)，排放)隨著時(shí)間，因?yàn)榻?jīng)由更高的滲透率而形成了最小阻抗路徑，使樹脂壓力I3R在流動(dòng)介質(zhì)中達(dá)到了平衡梯度([PA+頂部壓力]至-PA)，并且在固化過程中必須連續(xù)供入樹脂并排放選擇4 (開放了樹脂進(jìn)料，具有或不具有死區(qū)，排放)隨著時(shí)間，樹脂在預(yù)成型物上達(dá)到平衡(PA+頂部壓力)。選擇1和2可以通過凈樹脂方法而進(jìn)行，在凈樹脂方法中，灌注準(zhǔn)確量的樹脂，然后關(guān)閉樹脂進(jìn)料。選擇1可以造成過量的樹脂排放(放出)或者一旦在完成灌注之后達(dá)到真空狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)物。上述常規(guī)灌注方法，其對(duì)過程中所形成的內(nèi)部壓力梯度的控制有限或者無法控制，具有有限的成功。這些方法可能形成適于航空組件的層疊材料性能，然而，所述方法不實(shí)用、不可重復(fù)或預(yù)見。該不確定性進(jìn)而阻礙了所述方法在航空工業(yè)的廣泛應(yīng)用。為了改進(jìn)樹脂流動(dòng)并提高方法的可預(yù)見性/可重復(fù)性，在樹脂的流動(dòng)和樹脂經(jīng)過的路徑方面有許多進(jìn)展。該方法描述于^^！^乂舊Pat. No. 4, 902,215)中，其涉及經(jīng)由裝袋
11流程中的流動(dòng)介質(zhì)以及裝袋本身而引致流動(dòng)和壓力梯度的方法。WoodS(US Pat. App. Pub. ο. 2005/0073076 Al)詳細(xì)描述了該問題并且建議在樹脂進(jìn)料口使用部分真空以控制施加于預(yù)成型物上的大氣壓。該方法稱為CAPRI方法(可控大氣壓的樹脂灌注方法)，并且意欲減小灌注層疊材料的變異性。除了這些常規(guī)方法，還有許多用于控制進(jìn)料壓力的知識(shí)。其包括在進(jìn)料線上使用流量調(diào)節(jié)器或者改變樹脂進(jìn)料口相對(duì)于預(yù)成型物的高度以形成正或負(fù)的頂部壓力。不管裝袋流程、入口和出口或者通過控制/調(diào)節(jié)的進(jìn)料口壓力，所有現(xiàn)有技術(shù)中的主要驅(qū)動(dòng)力是某種壓力梯度?？偸强紤]所述方法中的梯度是否在灌注及固化過程中在整個(gè)預(yù)成型物上一直保持了完全的大氣壓。在此所述的改進(jìn)方法涉及上述液體灌注方法。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案可能適于該方法的所有變型方案且并不限于一個(gè)優(yōu)選方法。
實(shí)施例使用在此所述的CPI VARTM方法的實(shí)施方案進(jìn)行了多個(gè)實(shí)驗(yàn)以制造航空級(jí)的層疊材料。這些實(shí)施例為示意性目的而討論，不用理解為限制所公開的實(shí)施方案的范圍。實(shí)施例1使用了單一部分的環(huán)氧樹脂體系(CytecEngineered Materials CYC0M977-20)， 其在室溫具有極高的粘度且在升高溫度下具有低的粘度并且保存壽命長。首先將該樹脂以 250-1000g的量裝于聚丙烯塑料袋中。將這些袋加熱密封，以使一端具有縮窄，以允許一旦切開而插入管線。聚丙烯為CYC0M977-20用于所需固化循環(huán)的可用材料。然后將所述預(yù)包裝的可拆卸的樹脂儲(chǔ)槽在工具上置于預(yù)成型物旁，并且在儲(chǔ)槽至預(yù)成型物的進(jìn)料線之間連接一個(gè)進(jìn)料線。每個(gè)包括樹脂排放體系的灌注流程中將預(yù)成型物裝袋，并且真空袋置于預(yù)成型物和樹脂儲(chǔ)槽上，如圖2A所示。將預(yù)成型物壓實(shí)并壓緊，然后檢查泄漏并準(zhǔn)備固化。該樹脂的高粘度抑制了樹脂在該方法中流入預(yù)成型物中?！┚途w，將整個(gè)裝配放置于烘箱中并加熱至使樹脂熔化至低粘度且允許樹脂流入預(yù)成型物中的溫度。一旦將儲(chǔ)槽清空且填入預(yù)成型物，則將部件固化完全。固化之后， 用超聲方法對(duì)組件進(jìn)行不破壞性的檢查并測量厚度、纖維體積和空隙率。檢查和測量結(jié)果顯示整個(gè)層疊材料符合航空對(duì)所測性能最小變化的需求。層疊材料的纖維體積分?jǐn)?shù)大于 58%，變化小于1 %，并且固化的層厚度為0. 018英寸，板上的變化小于2 %。實(shí)施例2使用如實(shí)施例1的相同的單一部分的環(huán)氧樹脂和樹脂袋以灌注更大的組件。根據(jù)圖2B加工組件并裝袋，其包括標(biāo)準(zhǔn)的灌注裝袋流程并具有樹脂排放體系。為了灌注該組件，使用多個(gè)連接或串聯(lián)在一起的樹脂儲(chǔ)槽以傳輸足夠的樹脂并完全灌注預(yù)成型物。該方法得到具有最小變化的航空級(jí)層疊材料。實(shí)施例3使用如實(shí)施例1-2的相同的單一部分的環(huán)氧樹脂以制備更加復(fù)雜的包括某些加硬元件的組件。根據(jù)圖2C加工該組件并裝袋，使用浮動(dòng)的覆蓋板以支撐筋板。如圖所示， 樹脂儲(chǔ)槽置于浮動(dòng)的覆蓋板旁以在所需位置供入樹脂。該方法又得到具有最小變化的航空級(jí)層疊材料。
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實(shí)施例4使用了低粘度的單一部分的環(huán)氧樹脂和樹脂袋，其中所述樹脂在室溫下具有低的粘度。根據(jù)圖2D加工組件，其包括在關(guān)閉時(shí)防止樹脂流入預(yù)成型物的外部閥門。整個(gè)預(yù)成型物和樹脂儲(chǔ)槽裝于袋中，并且可以灌注。一旦就緒，將閥門打開并且灌注預(yù)成型物。該變型方案得到具有最小變化的航空級(jí)層疊材料。眾所周知，本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員知道本發(fā)明及優(yōu)選實(shí)施方案中描述的實(shí)施例可以具有變化。該文件中所述的方法、裝置和實(shí)施例并不會(huì)將本發(fā)明限制于那些方法，而且基本概念適用于所有可能的改進(jìn)。本發(fā)明并不限于任何類別的方法且適用于所有液體灌注方法。
權(quán)利要求
1.一種制造復(fù)合材料的方法，其包括 引入預(yù)成型物和樹脂填充的儲(chǔ)槽；真空下將樹脂由儲(chǔ)槽灌注入預(yù)成型物中； 保持儲(chǔ)槽和預(yù)成型物在基本相同的真空下；以及使樹脂固化。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述灌注的樹脂在預(yù)成型物中基本未產(chǎn)生壓力梯度。
3.權(quán)利要求1的方法，其還包括 在灌注步驟之前將預(yù)成型物壓實(shí)。
4.權(quán)利要求1的方法，其還包括 在灌注步驟之前加熱至少部分樹脂。
5.權(quán)利要求1的方法，其還包括一個(gè)或多個(gè)樹脂填充的儲(chǔ)槽將樹脂由一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)槽灌注入預(yù)成型物中。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)成型物置于真空袋中，且所述儲(chǔ)槽置于所述真空袋中。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)成型物置于真空袋中，以及其中所述儲(chǔ)槽置于另一個(gè)真空袋中。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述儲(chǔ)槽為可拆卸的儲(chǔ)槽。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述灌注步驟還包括將樹脂機(jī)械驅(qū)使入預(yù)成型物中。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述真空為1大氣壓或更小。
11.使用權(quán)利要求1的方法形成的復(fù)合材料。
12.使用權(quán)利要求1的方法形成的復(fù)合材料，其中復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)大于含有相同組分但通過其中在灌注步驟中儲(chǔ)槽和預(yù)成型物沒有保持在基本相同的真空下的方法而制備的復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)。
13.權(quán)利要求1的復(fù)合材料，其中復(fù)合材料中的一個(gè)或多個(gè)層的厚度在各層面積上基本均勻。
14.權(quán)利要求1的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料的孔隙度基于復(fù)合材料的總體積約為0. 1-1. 5體積％。
15.一種裝置，其包括 一個(gè)或多個(gè)真空袋，置于真空袋之一中的預(yù)成型物、 置于真空袋之一中的樹脂填充的儲(chǔ)槽， 其中所述樹脂填充的儲(chǔ)槽與預(yù)成型物流體連通。
16.權(quán)利要求15的裝置，其中所述預(yù)成型物和樹脂填充的儲(chǔ)槽處在同一個(gè)真空袋中。
17.權(quán)利要求15的裝置，其中所述預(yù)成型物和樹脂填充的儲(chǔ)槽處于分開的真空袋中。
18.權(quán)利要求15的裝置，其中所述樹脂填充的儲(chǔ)槽為可拆卸儲(chǔ)槽。
19.權(quán)利要求15的裝置，其中所述樹脂填充的儲(chǔ)槽為活塞驅(qū)動(dòng)的儲(chǔ)槽。
20.使用權(quán)利要求15的裝置形成的復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制備PMC及復(fù)合材料的方法和裝置，其包括灌注步驟，其中在灌注步驟中將樹脂儲(chǔ)槽和預(yù)成型物保持在基本相同的真空壓力下，或者涉及維持的相關(guān)結(jié)構(gòu)?；鞠嗤恼婵諌毫梢允褂每刹鹦兜臉渲瑑?chǔ)槽而實(shí)現(xiàn)，其中所述樹脂儲(chǔ)槽包括在纖維預(yù)成型物的真空袋組件內(nèi)或外部。該方法得到最大的可達(dá)到的真空壓實(shí)壓力并且簡化了灌注樹脂浸漬方法。該方法可用于加工預(yù)浸料和航空級(jí)纖維增強(qiáng)的樹脂復(fù)合材料，在此還公開該樹脂復(fù)合材料的纖維體積、空隙率和層疊材料質(zhì)量符合或超過通過高壓釜所制備的樹脂復(fù)合材料。
文檔編號(hào)B29C43/10GK102216048SQ200980146260
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月20日
發(fā)明者M·D·史密斯, M·杜瓦勒 申請(qǐng)人:塞特克技術(shù)公司