專利名稱:用二元固態(tài)可流動(dòng)聚合物體系模塑成型方法
本發(fā)明所涉及的技術(shù)領(lǐng)域：
為模塑成型方法。
復(fù)合材料目前最引人注目，因?yàn)樗嬗懈邚?qiáng)度和低密度，用處很大。具有代表性的是含有石墨、硼、玻璃纖維等的復(fù)合材料，這些纖維包埋在環(huán)氧、酚醛或其他聚合物樹脂基質(zhì)中。具有高強(qiáng)度密度比優(yōu)異性能的更先進(jìn)的復(fù)合材料，特別適用于航天技術(shù)。但是通常其他先進(jìn)航天材料的成型加工相當(dāng)困難，它們不能采用簡單的將纖維和樹脂鋪迭然后進(jìn)行室溫固化而制得。航天復(fù)合材料不僅含有很難加工的樹脂，而且通常還要求生產(chǎn)出基本上無缺陷的成品。因此，航天材料通常是在較高溫度和相當(dāng)大的壓力下模塑和固化而成。
雖然采用過多種模塑法在較高溫度和相當(dāng)大的壓力下使復(fù)合材料成型(例如壓縮模塑法、使用軟袋或壓力容器的等壓模塑法、傳壓墊模塑法)，但是這些方法都帶來一些問題(例如袋子泄漏)。
因此，還要不斷對復(fù)合材料模塑成型方法進(jìn)行研究。
本發(fā)明涉及用兩種可流動(dòng)的固態(tài)顆粒狀聚合物作為加壓介質(zhì)模塑成型制品的一種方法，其中一種介質(zhì)受第二種介質(zhì)的保護(hù)，不發(fā)生熱降解。本法包括以下步驟先將制品坯料放入壓力容器中，然后加入約在316°以上的溫度下基本上是熱穩(wěn)定的第一種可流動(dòng)的固態(tài)聚合物介質(zhì)，以便將基本上均勻的預(yù)定介質(zhì)壓力傳到制品坯料的表面。再加入的第二種可流動(dòng)的固態(tài)聚合物介質(zhì)，可將基本上均勻的預(yù)定介質(zhì)壓力傳給第一種聚合物介質(zhì)。第二種介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生基本上均勻的介質(zhì)壓力，于是該壓力便傳到制品坯料的表面，并使制品坯料經(jīng)受在約316℃以上的溫度中。
本發(fā)明在模塑成型方面做出一項(xiàng)重大的改進(jìn)，提供了利用一種加壓介質(zhì)的熱穩(wěn)定性和高絕熱性能來保護(hù)第二種介質(zhì)不發(fā)生熱降解的體系。
上述目的和本發(fā)明的其他意圖、特征和優(yōu)點(diǎn)，將在說明書、權(quán)利要求
和為了說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的附圖中闡明。
附圖舉例說明，通過控制加壓聚合物介質(zhì)的溫度和壓力來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明模塑成型方法所用設(shè)備的透視剖面圖。
附圖示意地說明本發(fā)明所述的方法，圖中制品坯料1放置于壓力容器3(例如不銹鋼、合金鋼容器)中，被聚合物介質(zhì)51所包圍，該介質(zhì)也可含有金屬顆粒，以增加其導(dǎo)熱性，如申請序號(hào)為D-1362題為“含金屬添加劑的固態(tài)可流動(dòng)聚合物介質(zhì)及使用它的模塑成型方法”的一般業(yè)已轉(zhuǎn)讓的共同未決的美國專利申請書中所述。該專利所公開的內(nèi)容本專利已資參考。最好在介質(zhì)和制品之間有一隔層28，以避免復(fù)合材料和介質(zhì)污染。此隔層不同于真空袋，它不必是氣密的。普通的鋁箔是一種典型材料。此隔層復(fù)蓋一層玻璃纖維通氣層，該通氣層借助于通氣口30與真空管線40相通。這些裝置可用來排除制品中的揮發(fā)物。最好將兩種介質(zhì)安排在一同軸體系中，相對彼此用另一隔層50(例如鋁箔)隔開，使溫度較高的介質(zhì)51接近制品坯而低溫介質(zhì)6則包圍在隔層50外面。一般情況下，5.1cm(2英寸)以下厚度的高溫介質(zhì)層就夠了，因?yàn)樗慕^熱性能很好。當(dāng)然，如果愿意的話，也可采用5cm以上的厚度。采用較薄的昂貴介質(zhì)層容許更多地使用廉價(jià)介質(zhì)。介質(zhì)可根據(jù)需要或多或少地與復(fù)合材料坯料相接觸。一般情況下，復(fù)合材料坯料1的不與介質(zhì)相接接觸的表面安排得接近(例如接觸)模具7，以保證(或保持)制品1的特殊形狀。增壓器(例如機(jī)械活塞)9可給制品坯料施加所需的均勻分布的介質(zhì)壓力。但是，此壓力最好是通過低溫聚合物介質(zhì)6的熱膨脹來產(chǎn)生。一般的壓力傳感器12可裝在壓力容器3的各個(gè)部位，以檢測所需的壓力。雖然本發(fā)明中可以使用任何壓力，但是，復(fù)合材料(例如碳-碳)模塑時(shí)一般要求壓力達(dá)到20.67兆帕(MPa)[3000磅/平方英寸(psi)]?？梢韵嘈?，高達(dá)137.88MPa(20，000psi)的壓力也能使用。
使用電阻加熱器15和最好是用感應(yīng)加熱裝置18來成型(例如固化、碳化、石墨化等)模塑制品1。提高模具或感受器(susceptor)的溫度，則熱量傳向制品。最好采用流體加熱/冷卻裝置31，以通過低溫加壓介質(zhì)的巨大熱膨脹來改變壓力。一般情況下，用于使加壓介質(zhì)膨脹所需的溫度，比使制品坯料固化所需的溫度低得多。依靠減壓閥21、活塞9和/或流體加熱/冷卻裝置31，可以調(diào)節(jié)這種壓力增長。于是，管子31便可根據(jù)是要熱還是要冷流體通過管子而交替用來加熱或冷卻介質(zhì)，以不依賴于固化區(qū)的溫度來控制壓力。
本發(fā)明中使用的特殊介質(zhì)是一種關(guān)鍵性的組分。它對溫度和壓力的響應(yīng)性，與其流動(dòng)性和固體性質(zhì)相結(jié)合，使它適用于本發(fā)明中。這些性質(zhì)可使介質(zhì)在制品坯料的表面上產(chǎn)生有利的、基本上均勻的、可控制的壓力。雖然這種材料稱為聚合物介質(zhì)，但是其他具有所有這些特性并能產(chǎn)生類似效果的材料(例如聚合物熔融金屬混合物)也能代用。雖然如下所述，可以采用二元介質(zhì)型加壓體系，但是也可采用更多種不同介質(zhì)，以適應(yīng)不同的體系。
采用兩種介質(zhì)[高溫介質(zhì)接近制品，低溫介質(zhì)再接近(高溫)介質(zhì)]時(shí)，便可使用價(jià)格較低的低溫介質(zhì)。如果該低溫介質(zhì)安排接近制品坯料，則較高的局部溫度可顯著地使聚合物介質(zhì)降解?？墒?，溫度較高的介質(zhì)卻在整個(gè)碳化階段中起加壓介質(zhì)的作用。這種高溫介質(zhì)，在申請序號(hào)為907946題為“固態(tài)可流動(dòng)聚合物高溫介質(zhì)及采用它模塑成型方法”的一般業(yè)已轉(zhuǎn)讓的共同未決的美國專利申請書中已經(jīng)公開，所公開的內(nèi)容本專利已資參考。這種低溫介質(zhì)，在申請序號(hào)為907959題為“固體的可流動(dòng)聚合物模塑介質(zhì)”的一般已轉(zhuǎn)讓的共同未決的美國專利申請書已經(jīng)公開，所公開的內(nèi)容已也可資參考。下面就是關(guān)于兩種聚合物介質(zhì)的說明，先從低溫介質(zhì)講起。
在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，該聚合物是一種無填料的硅橡膠顆粒，其粒度為-4+30美國篩目(4.7-0.42mm)，當(dāng)受壓時(shí)，在69kPa(10psi)的壓力下，能充分自動(dòng)壓實(shí)聚結(jié)成基本上無孔隙的介質(zhì)。
通常，使用硅橡膠作為加壓聚合物。最好是根據(jù)Bruner取得的3，843，601號(hào)美國專利中所述的類型加以改進(jìn)。還可參見Jeram等人取得的4，011，929號(hào)美國專利。這兩種專利中公開的內(nèi)容均在本專利中已資參考。一般來說，具有乙烯基的二甲基硅氧烷是較好的材料。它們可用普通的工業(yè)方法生產(chǎn)，包括由使用各種硫化技術(shù)的聚硅氧烷生產(chǎn)。有一種使用至今的較好材料是試制品的無填料硅橡膠材料，牌號(hào)為X5-8017，過去的牌號(hào)為636081(以下簡稱為8017)，它是米德蘭(密歇根州)的道-康寧公司的產(chǎn)品[(Dow Corning Corporation，Midland(Michigan)]。
道-康寧的另一種牌號(hào)為93-104的不含通常填料的硅橡膠(以下仍稱為“93-104”)也可使用。牌號(hào)為Polygel C-1200的硅橡膠[(康涅狄格州斯波特托弗化學(xué)公司的產(chǎn)品)]被認(rèn)為，也可用于本發(fā)明中。
雖然硅橡膠是較好的材料，但是具有所需性能的其他聚合物材料也能使用。大多數(shù)硅橡膠長期使用時(shí)有溫度限制，例如，通常約為288℃(550°F)以下。如果能保持介質(zhì)的主要性能不變的話，可以加入填料和其他添加劑。(Stauffer Chemical Compauy，Westpot，Connecti-cut)。
較好的8017硅橡膠的特征在于強(qiáng)度低和脆性高?！按嘈愿摺敝傅氖瞧鋸?qiáng)度相當(dāng)?shù)?，?dāng)中等粒度的固體受到不大的機(jī)械力，甚至用指頭擠壓時(shí)，即能碎為更小的顆粒。8017材料的肖氏A硬度小于(肖氏00硬度為50～55);面積為2.5×2.5cm厚度為1.27cm的試樣測得的抗壓強(qiáng)度約為70kPa;當(dāng)壓縮變形約為40%時(shí)，碾碎為更小顆粒。這種行為與一般的橡膠相反，后者強(qiáng)度較高，抗變形性較高，延伸率也較高。還觀察到，當(dāng)適用于本發(fā)明的聚合物強(qiáng)制通過小銳孔或者通過如下所述的直徑1.1cm的管子時(shí)，即可碎為更小的顆粒。例如，發(fā)現(xiàn)有一種公稱30目的粉末，過40目篩的篩余物為50%(重量)，后來變成40目篩余物僅有約25%(重量)。
聚合物必須具有上述性能，才有可能在有控制地和獨(dú)立地施加實(shí)際上均勻的壓力和升溫的條件下，生產(chǎn)出形狀復(fù)雜、性質(zhì)均勻的復(fù)合材料部件。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該聚合物的肖氏A硬度約小于15，通常小于8，最佳值則為小于1;其抗壓強(qiáng)度小于1MPa，最佳值則為小于0.2MPa。
本發(fā)明介質(zhì)在模塑壓力下的可流動(dòng)性，被認(rèn)為是良好介質(zhì)的性能中特別重要的一項(xiàng)。介質(zhì)具有這個(gè)性能，才有可能在容器內(nèi)部和進(jìn)出容器時(shí)重新分布;人們也才有可能控制壓力的絕對大小和變化。試驗(yàn)證明，這也是現(xiàn)用介質(zhì)與在此以前曾用的介質(zhì)(例如在傳壓墊模塑技術(shù)中)之間的區(qū)別。由推論可知，這種流動(dòng)性與粘度類似。但是，還不知有什么明確的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)可以測定這個(gè)對本發(fā)明很重要的性能。因此，如上所述，創(chuàng)造了一種檢測介質(zhì)中聚合物部分的試驗(yàn)裝置，它包含一個(gè)汽缸，帶有一個(gè)可向下移動(dòng)的活塞。向該汽缸中裝入待測的橡膠或其他介質(zhì)。有一根可更換的管子由該汽缸的側(cè)面伸出，可將橡膠排放到秤上，其重量作為時(shí)間的函數(shù)記錄下來;施加在橡膠上的壓力用傳感器檢測。該管子是一根光滑的不銹鋼，內(nèi)徑為1.1cm，表面光潔度為公稱32-64RMS(均方根)。管長根據(jù)需要選定，在7.6cm和15.2cm之間為宜。
因此，一般可以說，這種介質(zhì)壓具有流動(dòng)性，就是說，當(dāng)施加模塑壓力時(shí)，應(yīng)能發(fā)生傳質(zhì)。當(dāng)在上述裝置中采用10.MPa壓力和15cm的管子進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，較好的介質(zhì)的流量至少為0.6克/秒(g/s)，通常為6g/s，最好是25g/s。下面進(jìn)一步介紹二元介質(zhì)體系中的低溫聚合物部分。在本發(fā)明的實(shí)踐中，通常使用一種顆粒狀彈性體。當(dāng)8017聚合物用作顆粒狀固體時(shí)，在施加壓力前面，這些顆粒彼此間隔地分散在制品坯料表面上。但當(dāng)施加壓力后，這些顆粒自動(dòng)壓實(shí)聚結(jié)或連續(xù)而無孔隙的物體。由于這個(gè)原因及其固有的彈性，即可在制品母體表面上施加基本均勻的類似液壓一樣的壓力。由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加70kPa左右的中等壓力時(shí)，不含金屬添加劑的8017材料趨向聚結(jié);這時(shí)顆粒間的界面是如此緊密，以致受壓力的橡膠由不透明變?yōu)榘胪该鳌?017材料的真密度為0.97g/cc。表觀松密度為0.5g/cc的-30目粉，施加70kPa左右的壓力被壓縮聚結(jié)成密度為0.94～0.97/cc的半透明材料(將所得材料在70kPa到13.8MPa的范圍內(nèi)進(jìn)一步壓縮，結(jié)果證明，每改變10MPa壓力，則體積變化0.4%)在上述聚結(jié)條件下，可以認(rèn)為顆粒之間的間隙中幾乎不含孔隙或氣體(吸收的氣體除外)。
因此，較好的材料以顆粒形式使用時(shí)，在350kPa(240kPa更好，69kPa最好)的壓力下將能自動(dòng)壓實(shí)并趨于聚結(jié)成表觀無孔隙的物體。
根據(jù)各種模塑成型試驗(yàn)和材料性能測定可以看出，理想的結(jié)果都是使用那些強(qiáng)度低的，在模塑壓力下具有自動(dòng)壓實(shí)性能和流動(dòng)性并顯示出象液壓一樣性能的介質(zhì)所取得的。在提出此申請之前，也曾使用過除8017以外的其他硅橡膠，并且考慮到，還有其他的有機(jī)聚合物和材料(已知的或可以進(jìn)一步開發(fā)的)能夠符號(hào)本發(fā)明的基本特點(diǎn)。為了探索與取得良好模塑效果有關(guān)的理想性能起見，曾在實(shí)際復(fù)合材料制品的模塑試驗(yàn)中，在上述的流動(dòng)試驗(yàn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)裝置中，用不同的橡膠進(jìn)行過比較試驗(yàn)。
用顆粒狀8017材料進(jìn)行的試驗(yàn)表明，約在6.9MPa的公稱壓力下，壓力的最大波動(dòng)只有2%;其他的所用材料產(chǎn)生的壓力均勻在10%范圍內(nèi)。
上面已介紹了低溫介質(zhì)，下面介紹高溫介質(zhì)。
典型的高溫聚合物介質(zhì)是無填料的乙烯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物(VMS-DMS)顆粒，粒度為-4+30美國篩目(4.7-0.42mm)。當(dāng)它受到0.103-0.138MPa(15-20psi)的壓力時(shí)，充分自動(dòng)壓實(shí)而聚結(jié)成基本無孔隙的介質(zhì)。
一般，是一種含有高乙烯含量的VMS-DMS的橡膠用作加壓介質(zhì)，最好是，該橡膠是由上述的低溫介質(zhì)加以改進(jìn)而成?！案咭蚁┗俊敝傅氖牵蚁┗谆柩跬檎技s10%至約100%。典型的VMS-DMS組成在轉(zhuǎn)讓給美國的美國4，581，391號(hào)專利中有說明，其公開內(nèi)容本專利也已參考。這些乙烯基硅氧烷可用通常的工業(yè)方法生產(chǎn)。最好是采用一種約含40%到60%乙烯基的乙烯基硅氧烷，因?yàn)樗鼈兡茉谳^高溫度下(例如約454℃至約482℃)保持彈性。至今仍在使用的一種較好的材料是試驗(yàn)性的無填料乙烯基硅氧烷材料，是道-康寧公司(密歇根州的米蘭德)的產(chǎn)品，牌號(hào)為8026。
道-康寧公司的牌號(hào)為8800，8801，8024和8025的其他乙烯基聚合物也適用。牌號(hào)為QCII-1010X的聚乙烯基甲基硅氧烷[(量子公司Quantum Company)，密歇根]也可用于本發(fā)明中。
雖然VMS-DMS橡膠(彈性體)是較好的材料，但是，具有所需性能的其他聚合物材料也可使用。例如，甲基苯基硅氧烷(MPS)、含有熱塑穩(wěn)定劑的乙烯基甲基硅氧烷以及具有優(yōu)異高溫性能和流動(dòng)性能的苯撐硅橡膠。如果能保持介質(zhì)的主要性能(例如流動(dòng)性)不變的話，填料和其他添加劑(例如金屬顆粒)可以加入。
與較好的低溫介質(zhì)情況類似，較好的高溫介質(zhì)(乙烯基硅氧烷橡膠)的特征也是強(qiáng)度低和脆性高。
較好的X5-8026材料的肖氏A硬度小于15;用面積為2.5×2.5cm厚度為1.27cm的試樣試驗(yàn)時(shí)，抗壓強(qiáng)度約為3MPa;當(dāng)壓縮變形約為40%時(shí)，則碾碎為更小的顆粒。在本發(fā)明中較好的8026聚合物(與低溫介質(zhì)類似)也可使用，當(dāng)強(qiáng)制通過一個(gè)小銳孔或通過如下所述的直徑為1.1cm的管子時(shí)，有碎裂成更小顆粒的趨向。例如，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，有一種公稱30目的粉末，在40目篩上的篩余物原為50%(重量)，碎裂后40目篩篩余物僅約為25%(重量)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該聚合物的肖氏A硬度約小于15，最佳值小于10;其抗壓強(qiáng)度小于0.345MPa(50psi)，最佳值小于0.207MPa(30psi)。
此外高溫介質(zhì)的特征也在于其流動(dòng)性能。因此，通常可以說，這種介質(zhì)具有流動(dòng)性，就是說，當(dāng)施加模塑壓力時(shí)，會(huì)發(fā)生質(zhì)量傳遞。當(dāng)10.3MPa的壓力和15.2cm的管子用前述裝置測試時(shí)，較好的介質(zhì)的流量應(yīng)為至少0.6g/s，通常為6g/s，最好是25g/s。
與低溫介質(zhì)相類似，高溫介質(zhì)顆粒可自動(dòng)壓實(shí)并聚結(jié)成連續(xù)的無孔隙物體。由于這個(gè)原因及其固有的彈性，可在制品坯料表面上施加均勻的、類似液壓的壓力。由試驗(yàn)可以看出，當(dāng)施加約125-150kPa的中等壓力時(shí)，8026材料趨向聚結(jié);這時(shí)，顆粒間的界面是如此緊密，以致受壓的橡膠由不透明變?yōu)榘胪该鳌?026材料的真密度為0.97g/cc，-30目粉末的表觀松密度為0.5g/cc，當(dāng)施加150kPa(21.8psi)的壓力時(shí)，它被壓縮成聚結(jié)的半透明材料，其密度為0.90-0.97g/cc。[將所得材料在150kPa(21.8psi)到13.8MPa(2000psi)的范圍內(nèi)進(jìn)一步壓縮時(shí)可以看出，每改變10MPa(1450psi)壓力，則體積變化0.4%]。在上述聚結(jié)條件下可以認(rèn)為，顆粒間界面中幾乎不含孔隙或氣體(吸收的氣體除外)。
因此，以顆粒形狀使用的較好的材料，當(dāng)受到低于250kPa的壓力時(shí)(150kPa較好，100kPa更好)，將會(huì)自動(dòng)壓實(shí)并趨向于聚結(jié)成表觀無孔隙的物體。
除上述性能外，高溫介質(zhì)(與低溫介質(zhì)情況不同)能夠分別在約高于316℃(600°F)的溫度下和0.689MPa(100psi)的壓力下流動(dòng)?！澳軌蛄鲃?dòng)”指的是產(chǎn)生基本均勻的等壓力。這種性能有利于在較高溫度下模塑，這是碳-碳復(fù)合材料所需要的。需要特別指出，約含40%到60%乙烯基的乙烯基硅氧烷，在室溫以下到約538℃(1000°F)的溫度下和由約0.689MPa(100psi)到約20.682MPa(3000psi)的壓力下都能夠流動(dòng)?？梢哉J(rèn)為，能夠使用高達(dá)20，000psi的壓力。
表征高溫介質(zhì)與低溫介質(zhì)不同的另一性質(zhì)是，當(dāng)介質(zhì)在約高于316℃(600°F)的溫度下使用時(shí)，該介質(zhì)是基本上熱塑穩(wěn)定的。所謂“基本上熱穩(wěn)定”指的是，在制品的整個(gè)固化周期中，該介質(zhì)能保持足夠的柔性(彈性)，以將模塑壓力傳送到制品上。因此，當(dāng)溫度約高約482℃(900°F)時(shí)，該聚合物仍然可起負(fù)荷傳遞介質(zhì)的作用。關(guān)鍵是，在這樣的溫度下該聚合物必須是化學(xué)穩(wěn)定的，以免它還原(解聚)，生成油狀殘?jiān)?，因?yàn)檫@些油類非常有妨礙，能污染進(jìn)行模塑的制品(例如，含有樹脂的復(fù)合材料)。這些聚合物可能產(chǎn)生少量的分解產(chǎn)物，后者可由壓力容器的通氣口排出。這種性能有利于在較高溫度下加工(模塑)，這是碳-碳復(fù)合材料所需要的。在這些溫度以上介質(zhì)是不穩(wěn)定的，不能在本發(fā)明中使用，因?yàn)樗鼈儗⑦€原為油狀單體或分解物。另一方面，一部分聚合物可能轉(zhuǎn)變(例如熱解)為硬化狀態(tài)，即使磨碎，也不能流動(dòng)。但是，如有足夠的未熱解的材料帶動(dòng)它們時(shí)，則熱解后的聚合物仍可將模塑壓力純到制品上。
尤其是約含40%到約60%乙烯基的乙烯基硅氧烷，在高達(dá)約649℃(1200°F)的溫度和約0.682MPa(100psi)到約20.68MPa(3000psi)的壓力下能夠傳遞模塑壓力。還可以確信，使用高達(dá)約137.88MPa(20，000psi)的壓力亦能工作。
高溫介質(zhì)也具有較高的絕熱性能。本發(fā)明中利用此性能來保護(hù)低溫介質(zhì)不發(fā)生熱降解。
在本專利申請之前，曾使用過8026以外的其他硅橡膠，考慮到其中可能還有其他的有機(jī)聚合物和其他材料(已知的或可開發(fā)的)可以符合本發(fā)明的主要特點(diǎn)。為了探索與良好模塑效果有關(guān)的理想性能起見，在實(shí)際復(fù)合材料制品的模塑試驗(yàn)中，在前述的流動(dòng)試驗(yàn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)裝置中，用不同的橡膠進(jìn)行了比較試驗(yàn)。
正如低溫材料的情況一樣，對待模塑的制品的不同部位施加均勻的壓力是重要的。用顆粒狀8026材料進(jìn)行的比較試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在約6.9MPa(1000psi)的公稱壓力下，最大的壓力波動(dòng)僅為350kPa(0.35MPa)(51psi)，一般小于210kPa(0.21MPa)。其他適用的材料產(chǎn)生的壓力均勻性在10%范圍內(nèi)。
對于低溫和高溫介質(zhì)性能的表征，僅以某些現(xiàn)有材料的性能為依據(jù)。不足以確認(rèn)，所有測定的各項(xiàng)性能都是必要的。正相反，在一定程度上可以認(rèn)為，這些測定的性能有些多余，但它們卻分別表示本發(fā)明的特征。
本發(fā)明已通過聚合物復(fù)合材料[例如充填普通玻璃纖維、石墨纖維等的普通環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、聚苯并咪唑(PBI)、雙馬來酰亞胺(BMI)，甚至于聚醚醚酮(PEEK)和聚砜等樹脂]來說明。但是，顯要易見，本發(fā)明同樣可用于其他聚合物材料、層壓材料的模塑和其他材料[包括金屬，例如普通的粉末金屬(例如鋁)預(yù)型件和陶瓷]的加工成型。這里所用“模塑成型”一詞，包括所有在其表面施加壓力的材料加工成型操作。本發(fā)明特別適用于碳-碳復(fù)合材料，如申請序號(hào)為907942、題為“碳-碳復(fù)合材料模塑法”的一般業(yè)已轉(zhuǎn)讓的共同未決美國專利申請中所述。該專利申請中的公開內(nèi)容本專利已資參考。
一般說，任何可機(jī)械地分隔不同介質(zhì)的隔層均可使用。最好隔層是柔性的，在化學(xué)上與介質(zhì)相容，并能經(jīng)受住局部受熱的條件。隔層可以是多孔的或不透性的，視是否允許氣體由一種介質(zhì)傳到另一種介質(zhì)而定。有時(shí)需要容許分解氣體通過加壓系統(tǒng)。有時(shí)則要求隔離氣體產(chǎn)物，以防止在敏感的介質(zhì)中發(fā)生有害的反應(yīng)。不透性隔層的實(shí)例為鋁箔或聚四氟乙烯(泰氟隆)薄膜(特拉華州威爾明頓，杜邦公司)。多孔材料的實(shí)例有諾梅克斯(Nomex，聚酰胺)紙(杜邦)、密織玻璃纖維布和阿爾梅綸(Armalon，涂覆聚四氟乙烯的粗織玻璃布，杜邦)。
所用壓力容器實(shí)際上可以是任何可裝載介質(zhì)和/或制品的支承物和/或構(gòu)架的容器。因此，它可以是一個(gè)金屬(例如不銹鋼、合金鋼)容器或者甚至于是一個(gè)帶有模具的真空袋。換句話說，該壓力容器是一個(gè)或數(shù)個(gè)能盛放待模塑制品的制品。
雖然本發(fā)明已從一密閉容器方面來說明，但是，顯而易見，本發(fā)明方法的原理允許有其他的變動(dòng)。例如，當(dāng)襯里在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼內(nèi)進(jìn)行模塑時(shí)，則制品可就地模塑。本發(fā)明還可在其他情況下應(yīng)用，例如，當(dāng)沒有密閉容器時(shí)，介質(zhì)在壓縮模塑過程中占據(jù)在陰模或模具的型腔內(nèi)的。例如，一個(gè)上陰模包圍一個(gè)下陽模，后者有一型腔，它可容納制品坯料并使它成型。硅橡膠介質(zhì)填充在陰模中制品上方的空間內(nèi)。當(dāng)相對的兩個(gè)活塞將模具互相接近時(shí)，介質(zhì)的體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生壓力，于是制品被模塑成型。因此，一般來說，本發(fā)明可用于多種多樣的模塑情況。
實(shí)施例一種FM 5064預(yù)定浸料坯(加里福尼亞州圣安娜，美國聚合物公司)，它含有34%(重量)USP 39酚醛樹脂(可由美國聚合物公司供給)并鋪迭了66%(重量)石墨織物和碳素填料，而且拆開了方形模具三側(cè)的擋塊。該制品上面鋪上一層涂覆聚四氟乙烯的玻璃纖維(阿爾梅綸，可由猶他州鹽湖城的T.M.I.公司供給)布裹一層1581型玻璃布(滲料層，可由T.M.I.公司供給)，后者與真空口相通。在玻璃纖維布上面鋪上一層0.018mm(0.0007英寸厚)的鋁箔，留出通氣孔不復(fù)蓋。然后在鋁箔和真空口上鋪上第二層玻璃纖維布，形成“透氣”層，以利于排除揮發(fā)物。在上述迭合件上鋪上三層鋁箔作為最后的覆蓋層，然后接到芯到上。
將準(zhǔn)備好的待模塑迭合件放置于壓力容器中，以進(jìn)行加工成型。再將一個(gè)鋁箔圓筒放入壓力容器中，此圓筒套在制品外，其軸向間隙約為3.8cm(1.5英寸)。然后將此圓筒小心地充填以8026介質(zhì)。該圓筒支撐在芯型座上的模具盤上。當(dāng)圓筒中進(jìn)入足夠的介質(zhì)后，鋁箔受到擠壓并變平，使介質(zhì)形成一個(gè)基本上均勻的厚復(fù)蓋層。然后用8017介質(zhì)將鋁箔隔層包圍起來。
將模具/芯型組件加熱以使制品充分固化。加熱和冷卻也可使控制盤管保持所需的壓力狀態(tài)。
通過一個(gè)連續(xù)的“一步”周期來使制品加工成型。這就是說，在固化周期后緊接著進(jìn)行后固化和碳化處理。在各種處理步驟之間，決不要象通常那樣將制品由模具脫出。固化，后固化果碳化周期如下溫度(°F) 時(shí)間(分)97 0180 60180 90240 150240 180310 240310 360350 420350 540500 720500 780550 840550 900700 1080700 1140
750 1200750 12601000 15601000 1620介質(zhì)壓力也采用下列的階梯式周期壓力(psi) 時(shí)間(分)50 050 601000 751000 16350 1650從一開始就通過滲料層/透氣層將模具抽成全真空(20英寸Hg)。
在上述實(shí)施例中，結(jié)果得到比重為1.28的制件，而一般的碳化制品的比重則小于1.2。
本方法在模塑成型方面做出一項(xiàng)重要的改進(jìn)是提供了一種用組合加壓聚合物介質(zhì)的體系。這樣一來，就可利用一種介質(zhì)的熱穩(wěn)定性和高絕熱能力來保護(hù)第二種介質(zhì)不發(fā)生熱降解。通過利用兩種不同的加壓介質(zhì)，可使模塑成型體系具有較大的靈活性。
當(dāng)然，本發(fā)明不局限于本說明書中所列舉的具體實(shí)施例和其中的闡述，只要不違背下列權(quán)利要求
書中規(guī)定原則的精神或范圍，可以做出各種變動(dòng)和修改。
權(quán)利要求
1.在較高的溫度和壓力下由制品坯料模塑成制品的方法，包括以下幾部分a)將上述制品坯料安置在壓力容器內(nèi)；b)加入第一種固體的可流動(dòng)聚合物介質(zhì)，該介質(zhì)在約高于316℃的溫度下基本上是熱穩(wěn)定的，因此該第一種聚合物能夠?qū)⒒旧暇鶆虻?、預(yù)定的介質(zhì)壓力傳到該制品坯料的表面上；c)加入第二種固態(tài)可流動(dòng)聚合物介質(zhì)，使得該第二種聚合物能夠?qū)⑸鲜龌旧暇鶆虻摹㈩A(yù)定的介質(zhì)壓力傳給第一種固態(tài)可流動(dòng)聚合物介質(zhì)；d)上述第二種介質(zhì)產(chǎn)生一種基本上均勻的介質(zhì)壓力，使得該壓力傳到該制品母體的表面上；e)將上述制品坯料置于約高于316℃溫度中。從而上述第二種聚合物介質(zhì)受到上述第一種聚合物的保護(hù)，而不發(fā)生熱降解。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述第一種聚合物介質(zhì)包括一種固態(tài)可流動(dòng)的顆粒狀硅橡膠，該橡膠在室溫施加10.34MPa壓力的情況下通過一根直徑為1.1cm、長7.6cm的管子時(shí)，其公稱流量至少為0.6克/秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其中所述的第一種聚合物介質(zhì)包括一種具有約40%到約60%乙烯基的乙烯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述的第二種聚合物介質(zhì)包括一種固態(tài)可流動(dòng)的顆粒狀硅橡膠，該橡膠在室溫施加10.34MPa壓力的情況下通過一根直徑為1.1cm，長7.6cm的管子時(shí)，其公稱流量至少為0.6克/秒。
專利摘要
一種利用兩種固態(tài)可流動(dòng)的顆粒狀聚合物加壓介質(zhì)的制品模塑成型法，其中一種介質(zhì)受到第二種介質(zhì)的保護(hù)而不發(fā)生熱降解。該法包括將一個(gè)制品坯料放置于壓力容器中，加入第一種固態(tài)可流動(dòng)聚合物介質(zhì)(該介質(zhì)在約高于316℃的溫度下基本上是熱穩(wěn)定的)，它能將基本上均勻的預(yù)定介質(zhì)壓力傳到該制品坯料的表面上。加入第二種固態(tài)可流動(dòng)聚合物介質(zhì)，它能將基本上均勻的預(yù)定介質(zhì)壓力傳給第一種介質(zhì)。
文檔編號(hào)B22D19/14GK87106265SQ87106265
公開日1988年3月23日 申請日期1987年9月8日
發(fā)明者羅伯特·V·克羅雷 申請人:聯(lián)合工藝公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan