一種管狀三維編織復合材料制品的成型裝置及成型方法與流程

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本發(fā)明涉及三維編織機進行復合材料制品所用的配套成型裝置，特別涉及一種管狀三維編織復合材料制品的成型裝置及成型方法。

背景技術：

三維編織復合材料是一種具有獨特增強結構的力學性能具備均一材料特點的高性能復合材料，其中纖維增強結構及其品質(zhì)是決定復合材料性能的關鍵，三維編織復合材料的預成型制件具有諸多突出的特點：首先在制件中的纖維互相交織、方向具有任意取向的特點，構成類似均質(zhì)材料的結構尤其在復合材料的厚度方向上的纖維比例與平面方向相同，有效避免了傳統(tǒng)疊層復合材料的分層問題；其次，三維編織結構可以根據(jù)制件要求的形狀進行靈活設計，對于普遍常見的管狀連續(xù)復合材料制品，其截面形狀也可根據(jù)要求設計成圓形、橢圓形、方形甚至變截面積的各種不同形狀；再者，三維編織預制件結構中的纖維類型可以任意選擇，甚至可以采用多種纖維混合編織的方法，這可以使碳纖維、碳化硅纖維、玻璃纖維、芳綸纖維及其它各種高性能纖維的優(yōu)異特性均得到發(fā)揮，綜合提高復合材料的整體特性。鑒于以上優(yōu)點，三維編織結構的復合材料及其制品生產(chǎn)的三維編織設備得到了迅速的發(fā)展，尤其在航空、航天等高技術領域所應用的復合材料關鍵結構件，基本均為三維編織結構，該技術尤其是三維編織設備占據(jù)了高端復合材料市場，并且具有極好的發(fā)展前景。

盡管三維編織設備極大的推動了三維編織結構復合材料的應用，并且可實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，單位預制件織物的編織并不是三維編織復合材料的最終生產(chǎn)步驟，要成為高性能復合材料，除了編織之外，后續(xù)的樹脂浸漬復合和固化成型均極為關鍵。拿管狀復合材料三維織物成型來講，一般以金屬芯?；蛘吣举|(zhì)管狀模具作為芯材，在芯模表面進行三維結構織物編織，編織成型后再進行樹脂浸漬固化之后脫模，對于長度較大或者異形變截面的制件來講，該硬質(zhì)模具所帶來的脫模技術難度相當之大；此外金屬芯?；蚰举|(zhì)模具的加工較為困難，而且由于金屬或木質(zhì)模具的重量較大，在三維復合材料加工過程中芯模裝配也是一個非常頭疼的難題。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明提供了一種配合三維編織設備使用的成型裝置，可用于管狀三維編織復合材料制品的成型，該成型裝置可實現(xiàn)各種均勻界面、各種異形變截面以及彎曲管狀三維編織復合材料的制備，并且可在預制體織物編織成型之后連續(xù)進行樹脂RTM浸漬及快速固化成型，此外還具有使復合材料制品快速脫模的功能。有效避免了傳統(tǒng)金屬或木質(zhì)芯模的成型過程繁瑣、功能單一、生產(chǎn)效率較低的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種管狀三維編織復合材料制品的成型裝置，包括：柔性芯模、內(nèi)縮型脫模裝置、柔性RTM外模、固化裝置和介質(zhì)循環(huán)裝置；所述柔性RTM外模和柔性芯膜之間設置有內(nèi)縮型脫模裝置，所述柔性RTM外模外側設置有固化裝置，所述柔性芯模與介質(zhì)循環(huán)裝置相連；所述內(nèi)縮型脫模裝置為螺旋裝置，所述螺旋裝置為纏繞在柔性芯膜表面的螺旋帶或彈簧帶。

優(yōu)選的，所述內(nèi)縮型脫模裝置還可以是圓柱形、螺旋形或弧形格柵狀的彈性構件；上述的彈性構件套裝在柔性芯膜表面，并可沿芯膜橫截面徑向收縮。

優(yōu)選的，所述固化裝置為柔性固化裝置，所述柔性固化裝置為彈性空腔構件。

本發(fā)明“內(nèi)縮型脫模裝置”是指：沿著制件截面方向可產(chǎn)生收縮形變，并通過此形變使多種形狀的制件產(chǎn)生利于脫模的改變的裝置。

柔性固化裝置是指：支撐三維結構纖維預制體織物，且與樹脂符合幅度可調(diào)的固化裝置。

整套裝置可實現(xiàn)管狀三維編織復合材料支撐芯模、自縮式快速脫模、快速RTM樹脂導入及快速固化成型等功能，有效與三維編織設備配合使用；各種異形截面管狀三維編織結構復合材料制品的連續(xù)編織，并且可以實現(xiàn)纖維編織與后續(xù)RTM復材成型連續(xù)進行并具備制品快速脫模的功能。

本發(fā)明中所述“固化裝置”是指：用于加熱、實現(xiàn)浸漬樹脂的三維織物預制體的固化成型的裝置，本領域技術可根據(jù)情況需要進行自主選擇，加熱方式可選擇：紅外加熱、電加熱、光、電磁加熱等方式。

本發(fā)明中所述“介質(zhì)循環(huán)裝置”是指：用于實現(xiàn)柔性芯模內(nèi)液體介質(zhì)(水、導熱油)的快速冷卻，保證固化后的復合材料制品快速降溫的裝置。

優(yōu)選的，所述內(nèi)縮型脫模裝置為彈性金屬材料。柔性芯膜受力后，易出現(xiàn)表面形變不均的問題，影響復合材料長度方向的均勻性，因此，優(yōu)選的，在其外部加裝剛性和彈性兼具的金屬材料制成的內(nèi)縮型脫模裝置，使腔體具有更好的硬度，提高復合材料成型的精度。

優(yōu)選的，所述內(nèi)縮型脫模裝置的外型與柔性芯模外型相匹配，由(可沿柔性芯膜橫截面徑向收縮)彈簧帶構成。所述的柔性芯模主要采用高耐壓、耐撕裂橡膠制備耐壓柔性芯模，芯模采用空腔式結構，預留有介質(zhì)入口，芯模的外型根據(jù)三維復合材料制品形狀而定，可設計成各種均質(zhì)截面形狀或變截面形狀。在柔性芯模使用時，將其內(nèi)部充入一定體積的高壓介質(zhì)，該介質(zhì)可選用空氣、水、導熱油等氣體或液體介質(zhì)，介質(zhì)的選擇根據(jù)后續(xù)復合材料固化成型要求而定，若常溫固化的復合材料制件可選用空氣作為充入介質(zhì)，若升溫固化可選用水或者油作為介質(zhì)。充入柔性芯模中的介質(zhì)壓力為1-10MPa范圍內(nèi)。

優(yōu)選的，所述柔性芯膜充入介質(zhì)承壓之后，內(nèi)縮型脫模裝置套裝在柔性芯模表面，內(nèi)縮彈簧帶鎖緊貼敷于柔性芯模表面。

優(yōu)選的，所述內(nèi)縮型脫模裝置的徑向的收縮厚度在0.5-20mm范圍內(nèi)。

所述的內(nèi)縮型脫模裝置的外型與柔性芯模外型相匹配，該裝置由內(nèi)縮彈簧帶構成，在芯模充入介質(zhì)承壓之后，將脫模裝置外套在柔性芯模表面，將內(nèi)縮彈簧帶鎖緊貼敷于柔性芯模表面。該內(nèi)縮型脫模裝置的徑向的收縮厚度在0.5-20mm范圍內(nèi)，可有效保證管狀制品脫模。

所述的柔性芯模在包覆內(nèi)縮脫模裝置后，裝配在三維編織機上進行管狀三維結構纖維預制體織物的編織，編織過程保證內(nèi)縮脫模彈簧帶的張緊力和柔性芯模內(nèi)的介質(zhì)壓力穩(wěn)定不變。

優(yōu)選的，所述芯模采用空腔式結構，設置有介質(zhì)入口。

優(yōu)選的，所述柔性芯模在包覆內(nèi)縮脫模裝置后，裝配在三維編織機上進行管狀三維結構纖維預制體織物的編織，編織過程中縮脫模彈簧帶的張緊力和柔性芯模內(nèi)的介質(zhì)壓力穩(wěn)定不變。

優(yōu)選的，柔性芯模充入介質(zhì)后，介質(zhì)的壓力范圍為1-10MPa。

所述的柔性RTM外模采用高撕裂、耐高壓、高耐溫硅橡膠制備，其主要功能是在三維預制體纖維織物編織工序結束后進行樹脂導入工序。首先將柔性外模包覆于三維預制體織物表面，并通過柔性硅膠外模的自封接縫實現(xiàn)均勻密封，柔性外模預置抽氣接口和注膠接口，開啟抽氣接口將柔性外模成形的封閉空腔內(nèi)的三維預制體織物形成真空環(huán)境，真空度在0.06-0.1MPa。之后關閉抽氣口開啟注膠口，在一定的流速下將一定含量的樹脂膠液均勻浸漬于三維預制體織物內(nèi)部，整個浸漬過程保證樹脂含量為復合材料總質(zhì)量的30-50％范圍內(nèi)。

優(yōu)選的，所述的柔性固化裝置為柔性紅外輻射固化裝置，采用耐高溫橡膠內(nèi)置紅外輻射碳纖維電熱帶構成，耐高溫橡膠膜可緊密均勻貼敷在上述RTM工序完成之后的柔性外模表面，包覆完成后通電開啟固化裝置內(nèi)置的碳纖維電熱帶，通過碳纖維的遠紅外輻射加熱作用，有效實現(xiàn)浸漬樹脂的三維織物預制體的固化成型，固化溫度在80-200℃范圍可調(diào)。在達到固化成型時間之后，可開啟柔性芯模內(nèi)部的介質(zhì)循環(huán)裝置，該裝置外接于柔性芯模內(nèi)，可實現(xiàn)柔性芯模內(nèi)液體介質(zhì)(水、導熱油)的快速冷卻，保證固化后的復合材料制品快速降溫，降溫時間在10min以內(nèi)。

本發(fā)明還提供了一種管狀三維編織復合材料制品的成型方法，包括如下步驟：

1)將包覆有內(nèi)縮脫模裝置的柔性芯模裝配在三維編織機上進行管狀三維結構纖維預制體織物的編織；

2)編制完成后，將柔性外模包覆于三維預制體織物表面，密封、抽真空、注膠，固化加熱，降溫，將內(nèi)縮型脫模裝置沿徑向鎖緊將制品脫模，即得。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明一種管狀三維編織復合材料制品的配套成型裝置，用于配合三維編織機使用，該裝置可用于各種不同截面管狀復合材料及變截面管狀復合材料的制備，并可實現(xiàn)樹脂RTM成型及固化的連續(xù)化工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)三維復合材料織物結構的快速編織及固化成型。

2.本發(fā)明一種管狀三維編織復合材料制品的配套成型裝置，采用柔性芯模裝置和柔性RTM外模，整體裝置可適應各種不同變截面復合材料的形狀制備，同時配有內(nèi)縮式脫模裝置可實現(xiàn)三維編織復合材料制品固化成型后的快速脫模，大大提高了傳統(tǒng)三維編織復合材料的脫模困難問題，并可有效提高生產(chǎn)效率。

3.結構簡單、操作方便、實用性強。

附圖說明

圖1是管狀三維編織復合材料制品的成型裝置示意圖，

其中，1.柔性芯模耐、2.壓表、3.內(nèi)縮型脫模裝置、4.三維預制體織物、5.柔性RTM外模、6.抽氣口、7.注膠口、8.柔性紅外輻射固化裝置、9.電壓調(diào)節(jié)裝置、10.冷熱介質(zhì)切換閥、11.介質(zhì)循環(huán)裝置。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖1是管狀三維編織復合材料制品的成型裝置示意圖，其中包括：柔性芯模1、內(nèi)縮型脫模裝置3、柔性RTM外模5、柔性紅外輻射固化裝置8和介質(zhì)循環(huán)裝置11五套組件構成，其中柔性芯模內(nèi)的介質(zhì)壓力通過耐壓表2控制，將柔性芯模1和內(nèi)縮式脫模裝置3裝配好之后，進行三維預制體織物4的編織，編織好之后裝配柔性RTM外模5，其中抽氣口6接入5進行抽真空處理，抽至真空度后接入注膠口7進行樹脂導入。完成樹脂浸漬后裝配柔性紅外輻射固化裝置8并通過電壓調(diào)節(jié)裝置9進行不同電壓調(diào)節(jié)進行加熱固化，固化完成后，開啟冷熱介質(zhì)切換閥10并通過介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)11完成制品快速降溫，降溫后放出1中的冷卻介質(zhì)，并將內(nèi)縮型脫模裝置3沿徑向鎖緊將制品脫模。

實施例1

采用本發(fā)明的圓管狀三維編織復合材料制品成型裝置配合三維編織機，制備均勻圓管狀三維編織織物結構復合材料制品，首先將柔性芯模1內(nèi)沖入一定體積的壓縮空氣，保證芯模1內(nèi)的壓力為3MPa左右。在氣壓達到要求之后將芯模1充氣口密封牢固，之后在柔性充氣芯模1外表面裝入內(nèi)縮型脫模裝置3，該脫模裝置3包覆于充氣后的芯模1表面，并通過鎖緊旋鈕調(diào)節(jié)內(nèi)縮彈簧帶使其緊密貼敷于柔性芯模1表面，將柔性芯模1與內(nèi)縮彈簧帶形成整體。將上述裝置裝配好之后置于三維編織機之上進行管狀三維結構預制體的編織，編織過程中實時注意柔性芯模1內(nèi)的空氣壓力變化，保持壓力表2示數(shù)穩(wěn)定。在三維預制體織物4編織完畢之后，將柔性RTM外模5包覆于三維預制體織物4表面，并通過柔性硅膠外模5的自封接縫實現(xiàn)密封，開啟抽氣接口6將柔性外模5成形的封閉空腔內(nèi)的三維預制體織物4形成真空環(huán)境，真空度在0.06MPa，之后關閉抽氣口6開啟注膠口7，將一定含量的樹脂膠液均勻浸漬于三維預制體織物4內(nèi)部，整個浸漬過程保證樹脂含量為復合材料總質(zhì)量的40％。最后將柔性紅外輻射固化裝置8緊密均勻貼敷在上述RTM工序完成之后的柔性外模4表面，包覆完成后通電開啟固化裝置8內(nèi)置的碳纖維電熱帶，進行固化成型，固化溫度在120℃。固化1小時之后，可開啟柔性芯模1內(nèi)部的冷空氣循環(huán)裝置，在10min降至室溫后，放出柔性內(nèi)膜1中的空氣，之后將內(nèi)縮型脫模裝置3沿著半徑方向向內(nèi)鎖緊，收縮量為2mm后，將三維編織復合材料管狀制品從內(nèi)縮彈簧帶表面脫出。

實施例2

采用本發(fā)明的方管狀三維編織復合材料制品成型裝置配合三維編織機，制備均勻方管狀三維編織織物結構復合材料制品，首先將柔性芯模1內(nèi)沖入一定體積的水，保證芯模1內(nèi)的壓力為2MPa左右。在水壓達到要求之后將芯模1充水口密封牢固，之后在柔性充水芯模1外表面裝入內(nèi)縮型脫模裝置3，該脫模裝置3包覆于充水后的芯模1表面，并通過鎖緊旋鈕調(diào)節(jié)內(nèi)縮彈簧帶使其緊密貼敷于柔性芯模1表面，將柔性芯模1與內(nèi)縮彈簧帶形成整體。將上述裝置裝配好之后置于三維編織機之上進行方管狀三維結構預制體的編織，編織過程中實時注意柔性芯模1內(nèi)的水壓變化，保持壓力表2示數(shù)穩(wěn)定。在三維預制體織物4編織完畢之后，將柔性RTM外模5包覆于三維預制體織物4表面，并通過柔性硅膠外模5的自封接縫實現(xiàn)密封，開啟抽氣接口6將柔性外模5成形的封閉空腔內(nèi)的三維預制體織物4形成真空環(huán)境，真空度在0.08MPa，之后關閉抽氣口6開啟注膠口7，將一定含量的樹脂膠液均勻浸漬于三維預制體織物4內(nèi)部，整個浸漬過程保證樹脂含量為復合材料總質(zhì)量的36％。最后將柔性紅外輻射固化裝置8緊密均勻貼敷在上述RTM工序完成之后的柔性外模表面5，包覆完成后通電開啟固化裝置8內(nèi)置的碳纖維電熱帶，進行固化成型，固化溫度在110℃。固化1.5小時之后，可開啟柔性芯模1內(nèi)部的冷水循環(huán)裝置，在15min降至室溫后，放出柔性芯膜1中的水，之后將內(nèi)縮型脫模裝置3沿著半徑方向向內(nèi)鎖緊，收縮量為1mm后，將三維編織復合材料管狀制品從內(nèi)縮彈簧帶表面脫出。

實施例3

采用本發(fā)明的橢圓管狀三維編織復合材料制品成型裝置配合三維編織機，制備均勻橢圓管狀三維編織織物結構復合材料制品，首先將柔性芯模1內(nèi)沖入一定體積的導熱油，保證芯模1內(nèi)的壓力為2.5MPa左右。在導熱油壓達到要求之后將芯模1充油口密封牢固，之后在柔性充油芯模1外表面裝入內(nèi)縮型脫模裝置3，該脫模裝置3包覆于充油后的芯模1表面，并通過鎖緊旋鈕調(diào)節(jié)內(nèi)縮彈簧帶使其緊密貼敷于柔性芯模1表面，將柔性芯模1與內(nèi)縮彈簧帶形成整體。將上述裝置裝配好之后置于三維編織機之上進行方管狀三維結構預制體的編織，編織過程中實時注意柔性芯模1內(nèi)的油壓變化，保持壓力表2示數(shù)穩(wěn)定。在三維預制體織物4編織完畢之后，將柔性RTM外模5包覆于三維預制體織物4表面，并通過柔性硅膠外模5的自封接縫實現(xiàn)密封，開啟抽氣接口6將柔性外模5成形的封閉空腔內(nèi)的三維預制體織物4形成真空環(huán)境，真空度在0.1MPa，之后關閉抽氣口6開啟注膠口7，將一定含量的樹脂膠液均勻浸漬于三維預制體織物4內(nèi)部，整個浸漬過程保證樹脂含量為復合材料總質(zhì)量的45％。最后將柔性紅外輻射固化裝置8緊密均勻貼敷在上述RTM工序完成之后的柔性外模5表面，包覆完成后通電開啟固化裝置8內(nèi)置的碳纖維電熱帶，進行固化成型，固化溫度在120℃。固化0.8小時之后，可開啟柔性芯模1內(nèi)部的冷油循環(huán)裝置，在10min降至室溫后，放出柔性芯膜1中的油，之后將內(nèi)縮型脫模裝置3沿著半徑方向向內(nèi)鎖緊，收縮量為1.5mm后，將三維編織復合材料橢圓管狀制品從內(nèi)縮彈簧帶表面脫出。

實施例4

采用本發(fā)明的變截面橢圓管狀三維編織復合材料制品成型裝置配合三維編織機，制備變截面橢圓管狀三維編織結構復合材料制品，首先將柔性芯模1內(nèi)沖入一定體積的導熱油，保證芯模1內(nèi)的壓力為4MPa左右。在導熱油壓達到要求之后將芯模1充油口密封牢固，之后在柔性充油芯模1外表面裝入內(nèi)縮型脫模裝置3，該脫模裝置3包覆于充油后的芯模1表面，并通過鎖緊旋鈕調(diào)節(jié)內(nèi)縮彈簧帶使其緊密貼敷于柔性芯模1表面，將柔性芯模1與內(nèi)縮彈簧帶形成整體。將上述裝置裝配好之后置于三維編織機之上進行變截面橢圓管狀三維結構預制體的編織，編織過程中實時注意柔性芯模1內(nèi)的油壓變化，保持壓力示數(shù)穩(wěn)定。在三維預制體織物4編織完畢之后，將柔性RTM外模5包覆于三維預制體織物5表面，并通過柔性硅膠外模5的自封接縫實現(xiàn)密封，開啟抽氣接口6將柔性外模5成形的封閉空腔內(nèi)的三維預制體織物4形成真空環(huán)境，真空度在0.1MPa，之后關閉抽氣口6開啟注膠口7，將一定含量的樹脂膠液均勻浸漬于三維預制體織物4內(nèi)部，整個浸漬過程保證樹脂含量為復合材料總質(zhì)量的50％。最后將柔性紅外輻射固化裝置8緊密均勻貼敷在上述RTM工序完成之后的柔性外模5表面，包覆完成后通電開啟固化裝置8內(nèi)置的碳纖維電熱帶，進行固化成型，固化溫度在115℃。固化1.2小時后，可開啟柔性芯模1內(nèi)部的冷油循環(huán)裝置，在10min降至室溫后，放出柔性芯膜1中的油，之后將內(nèi)縮脫模裝置3沿著半徑方向向內(nèi)鎖緊，收縮量為10mm后，將三維編織復合材料變截面橢圓管狀制品從內(nèi)縮彈簧帶表面脫出。

實施例5

一種管狀三維編織復合材料制品的成型裝置，包括：柔性芯模1、內(nèi)縮型脫模裝置3、柔性RTM外模5、固化裝置8和介質(zhì)循環(huán)裝置11；所述柔性RTM外5模和柔性芯膜1之間設置有內(nèi)縮型脫模裝置3，所述柔性RTM外模5外側設置有固化裝置8，所述柔性芯模1與介質(zhì)循環(huán)裝置11相連；所述內(nèi)縮型脫模裝置3為圓柱形、螺旋形或弧形格柵狀的彈性構件。

實施例6

所述內(nèi)縮型脫模裝置3為有彈性的金屬材料，或所述固化裝置8為柔性固化裝置，所述柔性固化裝置為彈性空腔構件。

實施例7

所述內(nèi)縮型脫模裝置3的外型與柔性芯模1外型相匹配，由彈簧帶構成。

實施例8

所述柔性芯膜1充入介質(zhì)承壓之后，內(nèi)縮型脫模裝置3套裝在柔性芯模1表面，內(nèi)縮彈簧帶鎖緊貼敷于柔性芯模1表面。

實施例9

所述內(nèi)縮型脫模裝置3的徑向的收縮厚度在0.5-20mm范圍內(nèi)。

實施例10

所述芯模1采用空腔式結構，設置有介質(zhì)入口。

實施例11

所述柔性芯模1在包覆內(nèi)縮脫模裝置3后，裝配在三維編織機上進行管狀三維結構纖維預制體織物4的編織，編織過程中內(nèi)縮脫模裝置3的張緊力和柔性芯模1內(nèi)的介質(zhì)壓力穩(wěn)定不變。