碳纤维复合材料厚层合结构均匀吸胶方法及层合结构

摘要

本发明提供一种碳纤维复合材料厚层合结构均匀吸胶方法及层合结构，在模具表面交替铺放预浸料铺层、吸胶层，直到得到所需的厚度设计值，并使吸胶层的四周边缘超出主体预浸料层合板；在层合板周围放上与其高度相等的挡条，用透气材料将各吸胶层连接起来后，穿过挡条，使其与外部抽气系统保持通气通畅；再在层合板上依次放上辅助材料，最后用密封胶将真空袋严密封紧，再将该系统放入热压罐中进行固化，得到树脂分布均匀的层合板结构。本发明解决了厚度大于5mm的预浸料层合板在固化过程中出现的在层合板厚度方向上吸胶不均匀的问题。本发明得到的厚层合板内树脂分布均匀、缺陷少，其耐疲劳性、冲击韧性等力学性能均得到极大提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料厚层合结构均匀吸胶方法及层合结构，属于复合材料成型领域，适用于手工铺放或自动铺放成型一定厚度的复合材料层合板结构。

背景技术

用预浸料成型复合材料结构通常的过程为：直接用预浸料铺放至期望厚度的层合板（期间根据需要可有预抽过程），封袋后将层合板放入烘箱或热压罐，在一定温度、压力和时间下固化成型。

当层合板结构较厚且所采用的预浸料体系在固化过程中流胶量较大时，远离模具表面的铺层由于靠近吸胶材料，导致流胶量较多；靠近模具表面的铺层和中部铺层远离吸胶材料，流胶量较少。这样，在固化过程中容易造成层合板在厚度方向上吸胶不均匀，从而使板内产生树脂不均、孔隙、疏松等缺陷，这会极大降低复合材料结构的力学性能。图1为现有技术中通常采用的固化预浸料层合板的装袋示意图。

图1中，将层合板铺放于模具上，在层合板周围放上与其高度大致相等的挡条，再依次放上脱模布、吸胶布、隔离膜、均压板、透气毡和真空袋等辅助材料，最后用密封胶将真空袋严密封紧、防止漏气，再将该系统放入热压罐中按照一定的固化制度进行固化。

由于脱模布和吸胶布均在层合板表层，如图2所示，在固化过程中，二者会吸收层合板中的树脂，使得层合板顶部铺层的流胶量较多、树脂含量较少；而层合板中部或底部没有大面积接触吸胶材料，因此流胶量较少、树脂含量较高，这会造成层合板的顶部和底部出现树脂含量梯度，即树脂含量不均。当层合板厚度越大时，这一问题尤为明显。层合板内出现树脂含量不均匀，易使板内产生孔隙、疏松等缺陷，这会极大降低复合材料结构的力学性能。

发明内容

本发明旨在提出一种较厚的层合板在固化过程中得到沿厚度方向吸胶均匀的层合板，这有利于降低复合材料结构中树脂分布不均、孔隙、疏松等缺陷，从而提高复合材料的力学性能和抗疲劳性能。

为了解决厚层合板沿厚度方向上吸胶不均匀的问题，本发明的技术解决方案是：

一种碳纤维复合材料厚层合结构均匀吸胶方法，

在模具表面交替铺放预浸料铺层、吸胶层、并预抽，直到得到所需的厚度设计值，并使吸胶层的四周边缘超出主体预浸料层合板；

在层合板周围放上与其高度相等的挡条，用透气材料将各吸胶层连接起来后，穿过挡条，使其与外部抽气系统保持通气通畅；

再在层合板上依次放上辅助材料，包括脱模布、吸胶布、隔离膜、均压板、透气毡和真空袋，最后用密封胶将真空袋严密封紧，再将该系统放入热压罐中进行固化，得到树脂分布均匀的层合板结构。

进一步地，所述吸胶层为玻纤布、碳纤维干纱布或比主体预浸料树脂含量更低的预浸料材料。具体的选材及用量，可根据层合板中主体预浸料铺层设计、结构要求、总的吸胶量多少等具体要求来设计。

    进一步地，碳纤维复合材料层合板厚度大于5mm。

  进一步地，吸胶层的四周边缘超出主体预浸料层合板的四周边缘3-5mm，使其与系统吸胶材料连接成通道，以保证所述复合材料层合板在固化过程中吸胶通道流畅、均匀。

 

一种复合材料层合板结构，包括依次交替铺放的主体预浸料层合板、吸胶层，吸胶层铺层面积大于主体预浸料层合板的面积，各吸胶层连接有透气材料，在主体预浸料层合板的周围设有挡条，挡条的高度与主体预浸料层合板的高度相等，透气材料穿过挡条；主体预浸料层合板、吸胶层共同上方依次铺放有辅助材料，辅助材料包括脱模布、吸胶布、隔离膜、均压板、透气毡和真空袋。

为了保证该层合板在固化过程中吸胶通道流畅，使得加入的吸胶层铺层面积大于主体预浸料层合板的面积，并使加入的吸胶层与系统吸胶材料连接成导气通道。

进一步地，所述吸胶层为玻纤布、碳纤维干纱布或比主体预浸料树脂含量更低的预浸料材料。

进一步地，碳纤维复合材料层合板厚度大于5mm。

进一步地，吸胶层的四周边缘超出主体预浸料层合板的四周边缘3-5mm。

 

在模具表面铺放1-3mm的预浸料铺层，在已铺放的预浸料铺层上铺放一层或一定厚度的吸胶层，再在该吸胶层上继续铺放1-3mm厚的主体预浸料铺层，随后再加入一层或一定厚度的吸胶层，然后继续铺放主体预浸料铺层。

吸胶层材料可为玻纤布或碳纤维干纱布或比主体预浸料树脂含量更低的预浸料等材料。

为了保证层合板不出现翘曲和性能结构的下降，该吸胶层的铺层方向根据具体的力学要求和铺层结构要求进行合理设计。

继续在该吸胶层上继续铺放1-3mm厚度的主体预浸料。为保证这些后续铺放的层合板内厚度方向上的均匀吸胶，再次在所铺放的1-3mm厚的主体预浸料铺层上放上一层或一定厚度的吸胶层。

为了保证固化过程中引导液态树脂沿玻纤布或碳纤维干纱面内方向流出，使吸胶层的宽度超出主体预浸料层合板约3-5mm，使其与抽气系统连接，以有助于树脂渗流。

在两个1-3mm厚度层合板之间是插入吸胶层，结合层合板铺层设计、结构要求、总的吸胶量多少等具体要求可进行适当的变化，且期间根据需要对层合板进行预抽。最后根据层合板的总铺放厚度，循环上述步骤，直到达到所需的厚度设计值。

铺放完毕后，参考常用的热压罐装袋方法对上述层合板进行密封装袋、放入热压罐进行固化。具体的固化温度和压力参考主体预浸料的固化机制进行设定。完成固化后，得到吸胶均匀的层合板结构。

 

本发明的有益效果是：解决了厚度大于5mm的预浸料层合板在固化过程中出现的在层合板厚度方向上吸胶不均匀的问题。相比于传统铺层方法制作的厚层合板，本发明得到的厚层合板内树脂分布均匀、缺陷少，其耐疲劳性、冲击韧性等力学性能均得到极大提高，满足且适用于多种服役、应用要求。

附图说明

图1为常用的层合板固化装袋系统示意图；

图2为传统的层合板在固化过程中，容易在层合板顶部和层合板底部出现吸胶量差异的示意图；

图3为在层合板的合适厚度位置插入吸胶层的示意图；

图4为插入吸胶层的连续步骤的示意图，是为了铺放设计厚度层合板的连续操作；

图5为铺放至层合板的最终设计厚度后的示意图，它包含了多个层合板和吸胶层，但二者总体厚度与设计厚度大致相当，且顶部没有放入吸胶层，是为了最后装袋时放上脱模布、吸胶布等材料；

图6为透气材料连接各个吸胶层的侧视图；

图7为透气材料连接各个吸胶层的俯视图；

图8为改进后的层合板铺放工艺的装袋示意图。

其中：01-模具，02-层合板，03-吸胶层，04-挡条，05-透气材料，06-脱模布，07-吸胶布，08-隔离膜，09-均压板，10-透气毡，11-真空袋，12-密封胶。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

实施例为一种在用预浸料铺叠复合材料层合板结构的过程中，在层合板02铺放至一定厚度时，适当的加入玻纤布或碳纤维干纱布或更低树脂含量的预浸料，使层合板02在固化后得到沿厚度方向吸胶均匀的结构。适用于厚度较大、树脂含量较高的层合板02固化。零吸胶工艺或采用零吸胶预浸料的铺放不适用此法。

实施例能够避免出现图2中顶部02a和底部02b出现树脂含量梯度，使得层合板02在厚度方向上的树脂含量均匀，以提高其力学性能。

 

为了解决厚层合板吸胶不均匀的问题，实施例按图3所示的方法进行铺放，即在模具01上铺放一定厚度的层合板021后，不是继续铺放主体预浸料铺层，而是铺放一层或一定厚度的玻纤布或碳纤维干纱或更低树脂含量的预浸料031。由于031的树脂含量低于层合板021的树脂含量，因此在固化过程中，031会起到吸收层合板021内树脂的作用。

玻纤布或碳纤维干纱或更低树脂含量的预浸料031的厚度需按照具体的层合板的力学性能、结构设计、层合板02总体吸胶量等要求进行设计。

 

如图4，继续在031上铺放主体预浸料铺层022，然后再在层合板022上铺放一层或一定厚度的玻纤布或碳纤维干纱或更低树脂含量的预浸料032。

再一次的，玻纤布或碳纤维干纱或更低树脂含量的预浸料032的厚度需按照具体的层合板的力学性能、结构设计、层合板02总体吸胶量等要求进行设计。

按上述操作依次铺放层合板021、吸胶层031、层合板022、吸胶层032、…、层合板02n-1、吸胶层03n-1、层合板02n，直到铺放到层合板02的总体厚度，如图5所示。

同样的，层合板021、吸胶层031、层合板022、吸胶层032、…、层合板02n-1、吸胶层03n-1、层合板02n的厚度需按照具体的层合板的力学性能、结构设计、层合板02总体吸胶量等要求进行设计。

 

为了保证插入层合板02中的吸胶层031、032、…、03n-1在固化过程中有效的吸胶，用透气材料05将各吸胶层连接起来后，穿过挡条04，使其与外部抽气系统保持通畅。连接的侧面示意图如图6所示，连接的平面示意图如图7所示。

在层合板02周围放上与其高度大致相等的挡条04，再在层合板02n上依次放上脱模布06、吸胶布07、隔离膜08、均压板09、透气毡10和真空袋11等辅助材料，最后用密封胶12将真空袋11严密封紧、防止漏气，如图8所示。再将该系统放入热压罐中按照一定的固化制度进行固化，最后得到树脂分布均匀的层合板结构。

 

如图8所示，该种复合材料层合板结构，包括依次交替铺放的主体预浸料层合板02、吸胶层03，吸胶层03铺层面积大于主体预浸料层合板02的面积，各吸胶层03连接有透气材料05，在主体预浸料层合板02的周围设有挡条04，挡条04的高度与主体预浸料层合板02的高度相等，透气材料05穿过挡条04；主体预浸料层合板02、吸胶层03共同上方依次铺放有辅助材料，辅助材料包括脱模布06、吸胶布07、隔离膜08、均压板09、透气毡10和真空袋11。吸胶层03为玻纤布、碳纤维干纱布或比主体预浸料树脂含量更低的预浸料材料。

为了保证在固化过程中吸胶通道流畅，使得加入的吸胶层03铺层面积大于主体预浸料层合板02的面积，并使加入的吸胶层03与系统透气材料05连接成导气通道。