CN102216048A - 用于树脂传递成型的恒压灌注方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制备PMC及复合材料的方法和装置，其包括灌注步骤，其中在灌注步骤中将树脂储槽和预成型物保持在基本相同的真空压力下，或者涉及维持的相关结构。基本相同的真空压力可以使用可拆卸的树脂储槽而实现，其中所述树脂储槽包括在纤维预成型物的真空袋组件内或外部。该方法得到最大的可达到的真空压实压力并且简化了灌注树脂浸渍方法。该方法可用于加工预浸料和航空级纤维增强的树脂复合材料，在此还公开该树脂复合材料的纤维体积、空隙率和层叠材料质量符合或超过通过高压釜所制备的树脂复合材料。

Description

用于树脂传递成型的恒压灌注方法和装置

技术领域

本发明的实施方案涉及树脂的灌注方法，尤其涉及使用真空压力加工制造纤维增强复合材料的树脂灌注方法

背景技术

纤维增强的聚合物基材型复合材料(PMC)是常用于需要耐恶劣环境性、高强度和/或低重量的应用中的高性能结构材料。该类应用的实例包括飞行器组件(例如尾部、机翼、机身、螺旋桨)、船体和自行车框架。PMC包括与基材材料结合在一起的纤维层，所述基材材料例如聚合物树脂。纤维使基材增强，其中纤维承受由复合材料承担的主要负荷，而基材承受由复合材料承担的小部分负荷并且将负荷由破损的纤维传递至未受损坏的纤维。在该方法中，PMC可以承担比基材或者纤维可单独承担更多的负荷。此外，通过使增强纤维具有特别的几何结构或取向，可以高效地设计复合材料以最小化重量和体积。

已经开发了多种制备PMC的方法。实例可包括湿叠层法、预浸料法和液体灌注(infusion)法。在湿叠层法中，使用基材材料将增强纤维湿润、置于模具腔中并使其硬化或固化。该方法可以以自动方式进行，例如使用接收干燥纤维卷的切割枪(chopper gun)或机器，通过树脂浸蘸池使其运转并将浸润的纤维置于模具中。或者，可以用毛刷手动地施加树脂。

在预浸渍法中，用预浸渍的织物或预浸料来加工复合材料组件。以可控方式用基材树脂对增强纤维进行预浸渍并冷冻以防止树脂进行聚合。然后将冷冻的预浸料在冷冻条件下运输并储存直至需要时。当由预浸料加工复合材料部件时，将预浸料解冻至室温，切割至需要的尺寸并置于模具腔中。一旦在位置中，则将预浸物真空包装并在压力下进行固化以达到具有最小空隙的所需纤维体积分数。

在液体灌注方法中，将增强纤维置于模具腔中或者在干燥条件下用于网络成型工具的其他机械中，用基材树脂使其湿润并固化。液体灌注方法可以通过多种技术实现，包括高压和低压树脂传递成型法(RTM)、树脂膜灌注法(RFI)、真空辅助的树脂传递成型法(VARTM)、挤压成型法、高VARTM、Seeman复合材料树脂灌注成型法(

))、反应灌注成型法(RIM)或相同的合格的树脂传递成型法(SQUIRTM)。

然而，每种方法可能都有问题。虽然较为便宜，湿层叠加工通常会生产具有低的纤维体积分数和高的孔隙度的复合材料，这降低了所制备的复合材料的总强度和质量。相反，通过预浸料法制备复合材料可达到较高的纤维体积分数并降低空隙量，但是制备预浸料的成本大大提高。此外，由于甚至在冷冻状态下持续的聚合而使冷冻的预浸料的寿命有限，并且处理必须仔细控制。通过浸渍和其他密闭成型方法(例如RTM)制备复合材料也很昂贵，这是由于得到以及保养所需工具和液体灌注体系的成本较高。

概述

本领域需要具有高的纤维体积分数和低的孔隙度的复合材料以及制备这些材料的方法和装置，这将提高所制备复合材料的强度和质量并降低生产所述材料的成本。

附图简述

图1A为树脂灌注方法中，在灌注树脂之前的纤维预成型物中的压力示意图；

图1B为树脂灌注方法中，在形成压力梯度之后的纤维预成型物中的压力示意图；

图1C为树脂灌注方法中将树脂引入纤维预成型物的排空区时，在纤维预成型物中的压力示意图；

图1D为纤维预成型物的排空区中至少一部分填入树脂之后，在纤维预成型物中的压力示意图；

图2A为本公开的树脂灌注体系的一个实施方案的示意图；

图2B为本公开的具有多个树脂储槽的树脂灌注体系的另一个实施方案的示意图；

图2C为本公开的包含支撑筋板的树脂灌注体系的另一个实施方案的示意图；和

图2D为本公开的包含外部阀的灌注树脂浸渍体系的另一个实施方案的示意图。

发明详述

在此讨论的本发明的一个实施方案，恒压灌注法(CPI VaRTM)可以基本降低聚合物基材复合材料性能的变化，提供了稳定的、可重复、可预测且可控的复合材料制备方法，其中所述性能变化可能由于内部压力梯度而引起。在一个实施方案中，可以抑制在基材的灌注浸渍或固化中在纤维预成型物上形成或维持压力梯度的可能性。这导致始终可达到最高程度地压实预成型物，这可以抑制在基材灌注过程中排出体积的潜在变化。该方法制备的复合材料层叠材料达到或超过由常规预浸料且在高压釜中固化而制备的那些。此外，除包括树脂储槽及相关的进料线/进入装袋流程的流动收缩器之外，该CPI VARTM方法的实施方案不需要任何额外设备。

此外，本发明的实施方案还提供了显著简化的灌注方法。这经由将树脂进料源置于组件的装袋线内而实现，这减少或基本除去了使用外部管线或树脂进料源的需要。这允许最好地将注入(infuse)烘箱内的组件进行包装，这显著降低了复合材料生产成本，因为由一个烘烤流程可以制备更多的组件。

在此所用的术语“大约”、“约”及“基本上”表示接近于完成所需功能或达到所需结果所述量的量。例如，术语“大约”、“约”及“基本”可以指在所述量的小于10％、小于5％、小于1％、小于0.1％和小于0.01％之内的量。

在此所用的术语“预浸料”具有本领域熟练技术人员熟知的诸如上述的通常意义。预浸料可以包括至少部分体积已经用基材材料浸渍的纤维片或纤维层叠材料。所述基材可以以部分固化的状态而存在。在一个实施方案中，预浸料的孔隙度基于预浸料的总体积约为0.1-1.5体积％。

在此所用的术语“固化”具有本领域熟练技术人员熟知的通常意义，并且可以包括聚合和/或交联过程。固化可以通过包括但并不限于加热、曝露于紫外光线及曝露于辐射的方法而进行。在某些实施方案中，固化可以在基材中进行。在固化以前，基材可以还包含一种或多种在约室温下为液体、半固体、结晶固体以及其组合的化合物。在某些实施方案中，灌注和固化可以在一个过程中进行。

在此所用的术语“基材”、“树脂”和“基材树脂”具有本领域熟练技术人员熟知的通常意义，并且可以包括一种或多种包含热固性和/或热塑性材料的化合物。实例可以包括但并不限于环氧树脂、环氧固化剂、酚醛树脂、酚类、氰酸酯树脂、酰亚胺类(例如聚酰亚胺、二马来酰亚胺(BMI)、聚醚酰亚胺)、聚酯、苯并噁嗪类、聚苯并咪唑、聚苯并噻唑、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚碳酸酯、聚对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)，其组合物以及其前体。在一个实施方案中，树脂为单组分环氧树脂。在另一个实施方案中，树脂为低粘度的单组分环氧树脂。在另一实施方案中，树脂在室温下具有极高粘度，但在升高温度下具有低粘度及长的使用寿命。此时，树脂的高粘度可能阻碍树脂在室温下流入预成型物中。因此在加工过程中，可以将树脂加热至使树脂熔化至低粘度且允许树脂流入预成型物的温度。高粘度树脂可以在环境温度下具有约3000-20000cp的粘度，并且高粘度树脂在30-125摄氏度下可以具有50-500cp的粘度。在另一个实施方案中，树脂在室温下具有低的粘度。低粘度树脂可以在环境温度下具有约50-700cp的粘度。在一个实施方案中，复合材料中的基材含量基于复合材料的体积约为30-70vol％。

在此使用的术语“灌注”具有本领域熟练技术人员熟知的通常意义，并且可以包括将树脂加入预成型物中。在一个实施方案中，灌注树脂可以包括通过真空压力机械地驱使树脂进入预成型物中。在另一个实施方案中，灌注可以通过向树脂储槽施加热量及外压的一种或多种而实现。施加热量或压力以促使树脂由储槽进入预成型物。在一个实施方案中，灌注在约40-120℃下进行。在另一个实施方案中，灌注可以在约环境温度下进行。

在此所用的术语“储槽”具有本领域熟练技术人员所熟知的通常意义并且可以包括可拆卸的储槽，例如可拆卸膜或其他柔性储槽或活塞驱动的储槽。在另一个实施方案中，储槽为具有树脂放气系统的可拆卸标准灌注装袋结构中的一部分。此处所述的方法和装置可以包括一个或多个树脂储槽。多个树脂储槽可以与一个或多个预成型物相连接，例如系列或平行或串联一起，以传输(deliver)足够的树脂并完全灌注预成型物。

在本发明的一个实施方案中，树脂进料系统包括可拆卸树脂袋或储槽，其保持与待灌注的预成型物相同的真空状态。此外，树脂储槽通常位于与待灌注的预成型物相同的袋中。该方法使用常规方法，其中预成型物经由多种现有技术覆盖的上述方法进行压实。本发明的一个实施方案不使用可控或非可控的外在树脂进料源，但是使用内部源，所述内部源依赖于树脂储槽没有能力抵抗在真空袋下的储槽上所施用大气压。该系统允许所述预成型物完全压实，并在整个过程中保持完整的压力气氛下。在一个实施方案中，树脂进料储槽也置于同样的完全大气条件下；然而，在施加真空下，树脂不能进入排空区。

可以经由几种方法使树脂的流动停止。例如，在一个实施方案中，可以使用室温下具有高粘度的树脂，这阻止了流动，然后在灌注过程中加热时熔化或变成低粘度。在另一个实施方案中，在树脂储槽和预成型物之间可以使用流动缩窄器，通过加热或外部作用使其激活。可以将所述流动限制装置放在储槽与预成型物之间的进料线上，例如外部阀，这在关闭时防止了树脂流入预成型物中。

在另一个实施方案中，在施加真空下立即使树脂开始灌注入预成型物中，然而在另一个实施方案中，在制备预成型物、压实并可以灌注之后使树脂开始流动。

在此所用的术语“流体传输”具有本领域熟练技术人员所熟知的通常意义，并且可以涉及结构，其中所述结构例如为与通向预成型物的进料线连接的进料线。在一个实施方案中，树脂由储槽而进入预成型物的速度为10-1000ml/min。

在此所用的术语“预成型物”或“纤维预成型物”具有本领域熟练技术人员所熟知的通常意义，并且可以包括纤维组合，例如可用于得到树脂的单方向纤维和编织纤维。在此所述的方法和装置可以包括一个或多个预成型物。

在此所用的术语“真空”或“真空压力”具有本领域熟练技术人员所熟知的通常意义并且可以包括1大气压或更低的真空压力。在灌注步骤中，可以在灌注步骤过程中施加基本相同的真空压力。在一个实施方案中，真空度约为0-1atm。在另一个实施方案中，可以通过诸如压力池的辅助方法而施加更大压力，其中所述压力池例如高压釜。还可以使用1atm、0.9atm、0.8atm、0.7atm、0.6atm、0.5atm、0.4atm、0.3atm、0.2atm、0.1atm的真空压力。在一个实施方案中，在灌注步骤过程中，在预成型物中基本没有形成压力梯度。在一个实施方案中，本方法涉及但不限于只有真空的灌注树脂浸渍方法以制备纤维增强的复合材料。在一个实施方案中，在整个灌注和固化循环中，在整个干燥纤维预成型物中完全保持了真空压力。

在此所用的术语“外壳”或“真空袋”各自具有本领域熟练技术人员所熟知的通常意义，并且可以包括能够在灌注或固化步骤中，使得储槽和预成型物基本保持相同真空压力的外壳或真空袋。在一个实施方案中，外壳或真空袋挤压了预成型物。例如在一个实施方案中，在施加真空压力时，外壳的至少部分基本符合预成型物的外形。在另一个实施方案中，外壳或真空袋包括聚乙烯、聚氨酯、乳胶、硅树脂和诸如塑料袋的乙烯基树脂中的至少一种。在另一个实施方案中，外壳或真空袋包括半刚性材料，其覆盖了预成型物的全部或部分以形成真空膜。

在一个实施方案中，预成型物或树脂储槽在相同外壳或真空袋中。在此所述的方法和装置可以包括一个或多个外壳或真空袋。在另一个实施方案中，预成型物及树脂储槽在不同的外壳或真空袋中。

在一个实施方案中，可以使储槽清空并且可以填满预成型物，然后可以将组分固化以完成。在使组分固化以后，可以用超声方法进行非破坏性地检测并且测量厚度、纤维体积和空隙量中的至少一个。在一个实施方案中，所述组分包含在此引用的一个或多个硬化的元件。所述组分可以使用浮动式覆盖板以在固化过程中支持筋板。所述组件优选满足关于最小变化的航空要求。

在此所用的术语“复合材料”各自具有诸如上述的本领域熟练技术人员所熟知的通常意义，并包括层叠物和聚合物基材的复合材料。在一个实施方案中，复合材料的纤维含量基于复合材料的总体积至少为55％，在另一个实施方案中为60％或更多，65％或更多，70％或更多，75％或更多，80％或更多。在一个实施方案中，复合材料的孔隙度基于复合材料的总体积约为0.1-1.5vol％。本方法可以形成的复合材料具有高纤维体积及低空隙量，满足或超过在高压釜中制备的常规复合材料复合材料。所得复合材料可用于包括，但并不限于航空应用的应用中。

在此所用的术语“纤维体积分数”各自具有本领域熟练技术人员所熟知的通常意义，并且包括复合材料中纤维的量，基于总复合材料体积纤维体积百分数。在一些实施方案中，复合材料的纤维体积分数大于含有相同组分、但通过其中在灌注步骤中储槽和预成型物未保持基本相同真空压力的方法制备的复合材料的纤维体积分数复合材料灌注。用于复合材料的纤维或织物的类型影响纤维体积分数的计算，因此在某些实施方案中，使用相同的纤维或织物以对通过在此公开方法制备的复合材料的纤维体积分数与通过常规方法制备的复合材料的纤维体积分数进行对比。在其他实施方案中，在此所述的方法得到比使用常规VARTM方法得到的纤维体积分数大1％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，例如约3-5％或更多的复合材料纤维体积分数，所述常规方法例如为其中储槽和预成型物在灌注步骤中未保持基本相同的真空压力的方法。在另一个实施方案中，纤维体积分数为58体积％或更多，包括59体积％或更多、60体积％或更多、61体积％或更多、62体积％或更多、63体积％或更多、64体积％或更多、65体积％或更多。

在此所用的术语“厚度”每个都具有本领域熟练技术人员所熟知的通常意义，并且包括包含复合材料的一层或多层的每个的厚度。在某些实施方案中，所述一层或多层具有基本均匀的厚度，例如在各层的总面积上厚度基本没有变化。在某些实施方案中，在各层的面积上具有约3％或更小、2.5％或更小、2％或更小、1.5％或更小、1％或更小或0.5％或更小的变化。一个层可包括称为诸如毯状物的厚层。

在此所述的方法可以包括额外的步骤。例如，可以甚至在灌注步骤之前或过程中对预成型物进行压紧和压实。在一个实施方案中，在整个灌注步骤中，压实压力基本恒定。通常，灌注步骤过程中的压实压力大于常规方法，即其中树脂储槽和预成型物不在基本相同的真空压力下。

在此所述的方法还可以在灌注步骤前包括使至少部分的树脂进行加热的步骤。在一个实施方案中，预成型物中包括树脂储槽的整个装置可以置于烘箱中并加热至使树脂熔化至低粘度且允许树脂流入预成型物的温度。

在此所用的术语“至少部分”表示包含可能包括整体的总的量。例如，术语“部分”可以指大于总体的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％。

在此所用的术语“室温”或“环境温度”具有本领域熟练技术人员所熟知的意义，并且可以包括约16-32℃(60-90°F)的温度。在此所用的术语“纤维”具有本领域熟练技术人员所熟知的意义，并且可以包括适用于使复合材料增强的一种或多种纤维型材料。纤维可以呈颗粒、小薄片、丝、短纤维、连续纤维、片、层片及其组合的任何一种形式。连续纤维还可以采取单方向、多维(例如而为或三维)、非织造、织造、针织、针缝、缠绕、编织结构以及卷曲垫、毡垫、短切毡结构中的任何一个。纺织的纤维结构可以包含多个具有小于约1000个纤维丝、小于约3000个纤维丝、小于约6000个纤维丝、小于约12000个纤维丝、小于约24000个纤维丝、小于约48000个纤维丝、小于约56000个纤维丝、小于约125000个纤维丝和大于约125000个纤维丝的纺织纱线束。在另一个实施方案中，所述纱线束可以十字针(cross-tow stitches)、引纬针(welf-insertion knitting)或少量树脂(例如胶水)而固定。

若需要的话，可以改变纤维的组成。纤维组成的实施方案可以包括但并不限于玻璃、碳、芳族聚酰胺纤维、石英、聚乙烯、聚酯、聚对苯苯并噁唑纤维、硼、碳化硅、聚酰胺、碳和石墨及其组合。在一个实施方案中，纤维为碳、纤维玻璃、芳族聚酰胺纤维或其他热塑性材料。增强纤维可以为有机物或无机物。此外，纤维可以包括织物构造，其包括呈连续或非连续形式的那些。

在此所用的术语“层叠物”具有本领域熟练技术人员所熟知的通常意义，并且可以包括彼此靠近放置的一个或多个预浸料。在某些实施方案中，层叠物中的预成型物可以以选定方向放置。在另一个实施方案中，预浸料可以任选用线状材料固定在一起，以阻止其在选定方向上相对移动。在另一个实施方案中，“层叠物”可以包括在此所述的完全浸渍的预浸料、部分浸渍的预浸料、有孔的预浸料的任何组合。层叠物可以通过包括但并不限于手工层叠物、自动带层叠物(ATL)、先进纤维铺放(AFP)和纤维缠绕的技术而制备。

在此所用的术语“加固”具有本领域熟练技术人员所熟知的通常意义，因此包括使树脂或基材材料流动以在纤维中取代空隙空间的方法。例如“加固”可以包括但并不限于使基材流入纤维与预成型物之间和之中的空隙空间、穿孔等。“加固”还可以在加热、真空和加压中的一个或多个作用下进行。

在此所用的术语“液体灌注方法”具有本领域熟练技术人员所熟知的通常意义，并且可以包括常规液体灌注方法。液体灌注方法可以包括如下任何方法，其中首先将增强纤维放入模具腔、冲压头或任何其他在干燥条件下的网状成型工具中，然后用树脂状基材使其润湿，然后固化。该方法可以具有多种不同的加工方法，包括RTM、RFI、VARTM、RTMLight、拉挤成型、Hyper VARTM、SCRIMP、RIM、SQUIRTM、和其它一些液体注入方法的演变方法。这些常规方法中的每一种都有优缺点。多数这些方法之间的主要区别涉及精度和工具费用。

对于常规RTM和闭模方法，取得和维护工具的费用昂贵，然而工具是该方法的最核心部分。该机制决定了最终形状和部件的表面控制，并在决定树脂怎样填充和润湿封入在工具中的干纤维方面起积极作用。通常，因为工具变得不可操作，对这些用闭模方法制备的部件的尺寸和形状有所限制。除工具外，常规所需在温度和高压下灌注树脂的设备，例如挤压和灌注机的购买和维护也会非常昂贵。有一些闭模方法的演变方法使用较低价钱的工具并除去了树脂灌注体系，但通常他们比其它液体注入方法更昂贵。然而，这些方法通常生产要求高纤维体积和最小空隙率的航空级层叠材料。

液体注入放法还包括单侧液体注入放法，该方法是闭模方法的一种演变。代替2侧工具，单侧工具被用于此方法中，在对侧使用一柔性袋子。该方法是闭模方法的一种廉价版本，因为他只要求单侧模具，需要最低的额外设备以执行该方法，并基本没有限制。该方法只使用真空(大气压)来进料和填入润湿干纤维的树脂。通过使用低粘度的树脂材料和适当的注入技术以维持层叠材料上的真空压力，就可以生产航空级的层叠材料。

这种常规方法所引起的问题之一是由于树脂进料体系通常在装袋的预成型物的外面且树脂进料通常在部件上进行监测，其是基于部件的。该体系导致在过程中必须监测和控制多个进料管及出料管，而且有形成泄漏的可能性并发生错误。此额外的问题使同时可以灌注组分的个数受到了限制，并因而由没有有效地利用烘箱空间而增加了成本。如上所述，通常使在高压釜中制备的预浸渍层叠材料排列以使最大数量的组件得以同时固化。

另一个常规液体灌注方法为拉挤成型，与其他液体灌注方法相比其更加受限。拉挤成型方法包括将干燥的纤维加热具有特定截面的塑模中，然后在此处加入树脂并然后固化。该方法通常用于制备通常具有典型/恒定截面积的长的、连续组分。

下面，对上述的常规的单侧液体灌注方法进行更详细的描述，其中所述方法仅取决于真空(例如大气压)以对干燥纤维进行供料和润湿。使用真空(大气压)作为预成型物的干燥纤维进料及润湿的主要动力的干燥纤维的常规液体灌注在本工业中为人们所熟知。有许多关于该方法的专利，例如首先在二十世纪40年代和二十世纪50年代使用的Macro方法(US Pat.No.2,495,640)和Smith(US Pat.No.2,913,036)直至最近的专利Palmer(US Pat.No.4,942,013)和Seeman(US Pat.No.4,902,215)。还有许多专利的变型方案，它们描述了将树脂加入并在干燥纤维分配的方法且已经在技术演示及杂志中得以描述。

使用大气压以灌注或浸渍干燥纤维(预成型物)是相当直接的方法，其利用大气和真空之间存在的自然压力差。在典型的常规灌注方法中，使树脂容器或液体树脂进料系统处于大气条件下，而预成型物处于真空条件下的袋中。通过大气将预成型物相对于袋而进行挤压，因而在袋上形成了平衡的反应力，如图1A所示。

最后的结果是，排空空间的净体积被预成型物的纤维填充若干百分比，而其余体积是敞开空间。排空空间的体积取决于几个变量，包括该空间的真空量，其决定了压紧预成型物的大气压的量，以及被压紧的预成型物的回弹性。此回弹性通常称为预成型物的“体积因子”。为了获得航空质量层压材料，所述体积中的纤维百分比典型地需要大于55％。该纤维百分比是构造预成型物中存在的许多变量的函数，如织物构造、纤维/束尺寸和纤维排列。

有几种方法用于将预成型物压紧至纤维体积的55％或更大的状态。这可以包括如Woods(US Pat.App.Pub.No.2005/0073076 A1)中所述的多个压实循环。压紧还可以包括在压实循环中施加热量以帮助将预成型物结合到一起。还有其他的方法，包括使织物紧密地叠在一起。有许多其他方法在技术文献中得以描述，但是所有这些方法的目的是增加排出体积中纤维百分数。通过增加纤维百分数，由于提高了主要承载元件(纤维)的密度而可以改进层叠材料的机械性能。

压实预成型物的本身缺点是减少了真空并造成挤压预成型物的大气压的损失。由于真空下降，预成型物的弹性作用于袋上，这有效地增加了体积且降低了纤维密度。由于这是用树脂供入并填充预成型物的主要动力，在典型的灌注方法中主要关注该固有缺点。

在典型的灌注方法中，注入起始于在如Fgiure 1A所示的稳态变成敞开体系时，此时树脂进料打开且大气压力产生压力梯度并将树脂推入到如图1B所示的挤压预成型物中。

具体而言，图1A-1B显示了普通注入方法的问题。图1A是普通灌注方法在在真空装袋和预备灌注的稳态的示意图。在一个例子中，真空可能打开和树脂进料可能关闭，在预成型物上没有压力梯度。大气压力(PA)存在于各处，净所得袋压是1个大气压。预成型物与工具和袋以机械阻抗力Fp而相互作用。

图1B为灌注方法在起始敞开状态下的示意图，此时树脂进料线打开，并且形成了压力梯度。在树脂压力的压力下，PR＝PA+(顶部压力)，由真空出口PA至树脂入口的预成型物上形成了压力梯度。这使树脂从高压区流向低压区。顶部压力(Head)为在进入预成型物之前由于进料管中树脂柱高度而形成的任何/-压力。若桶高于进料点，则具有正的顶部压力，导致进料点的树脂压力大于1个大气压。若桶低于进料点，则具有负的顶部压力，并且树脂压力低于大气压。应指出的是粘性效应通常引起某些(-)的顶部压力/渗透损失和Darcys Law。若粘性损失或(-)的顶部压力满足或超过真空导致的压力梯度，那么灌注将停止。还应指出的是若预成型物的反应力(Fp)持续，且在过滤过程中真空压力下降(回到PA)，则FP会有效下降至未受挤压时的物理状态。

在预成型物上得到的压力梯度不仅使树脂进入排空体积，而且降低了挤压预成型物的真空压力。真空的这种损失使预成型物对袋的弹性增加了真空下降的体积。若灌注继续，则真空下降的区域随着更多的树脂注入排空体积而增加，如图1C和1D所示。

如图1C和1D所示，在灌注过程中，预成型物内的压力梯度以及所导致的预成型物的厚度变化和纤维体积会变化且难以控制。所述变化取决于多个输入，包括部件尺寸、厚度、渗透率、流动介质材料、装袋过程、树脂入口及出口的位置和许多其他影响使树脂供入预成型物中的因素。这种无法控制的变化是将灌注方法用于航空组件的主要障碍，这是由于其导致厚度的不均匀性或者低的纤维体积。

更具体而言，图1C为灌注方法在开放状态下的示意图，此时将树脂加入排空区、填充开放空间并降低该区域内的真空压力。在预成型物上的压力梯度致使树脂流过预成型物，累积粘性下降。随粘性下降，树脂压力PR具有压力梯度。随着灌注过程中时间的增加，预成型物的反应力FP从真空点至进料点而逐渐下降。应指出的是粘性损失为树脂流出前端至树脂进料点之间长度的函数。随着长度的增加，损失增加，导致通过预成型物的流动降低。若该长度过长，则该树脂损失克服了压力梯度，造成流动前端停止。这种预成型物的逐步填充通常持续至下述之一的情况发生：1)供入适量的树脂并且关闭了树脂进料线；2)全部灌注了预成型物，并且树脂离开真空口；3)树脂流动前端达到死区，并且关闭了树脂进料线。

图1D为树脂填充了排空区及预成型物以后的灌注方法示意图。该示意图显示出各种结束灌注方法的选择的压力梯度。

选择1：  (关闭了树脂进料，具有或不具有死区，排放)随着时间，当过量树脂通过真空源而除去时，非刚性的袋瘪掉(体积损失)。一旦袋中又具有了预成型物，预成型物将反应力FR施加于袋上，直至在预成型物上建立了PA。一旦体积受限并且该体系当前为刚性容器，则树脂压力PR回到真空压力-PA。

选择2：(关闭了树脂进料，具有或不具有死区，关闭的真空)随着时间，树脂压力PR在预成型物上达到比真空压力大的平衡。

选择3：(开放了树脂进料，具有或不具有死区，排放)随着时间，因为经由更高的渗透率而形成了最小阻抗路径，使树脂压力PR在流动介质中达到了平衡梯度([PA+顶部压力]至-PA)，并且在固化过程中必须连续供入树脂并排放

选择4：(开放了树脂进料，具有或不具有死区，排放)随着时间，树脂在预成型物上达到平衡(PA+顶部压力)。

选择1和2可以通过净树脂方法而进行，在净树脂方法中，灌注准确量的树脂，然后关闭树脂进料。选择1可以造成过量的树脂排放(放出)或者一旦在完成灌注之后达到真空状态时会产生挥发物。

上述常规灌注方法，其对过程中所形成的内部压力梯度的控制有限或者无法控制，具有有限的成功。这些方法可能形成适于航空组件的层叠材料性能，然而，所述方法不实用、不可重复或预见。该不确定性进而阻碍了所述方法在航空工业的广泛应用。

为了改进树脂流动并提高方法的可预见性/可重复性，在树脂的流动和树脂经过的路径方面有许多进展。该方法描述于Seeman(US Pat.No.4,902,215)中，其涉及经由装袋流程中的流动介质以及装袋本身而引致流动和压力梯度的方法。Woods(US Pat.App.Pub.o.2005/0073076 A1)详细描述了该问题并且建议在树脂进料口使用部分真空以控制施加于预成型物上的大气压。该方法称为CAPRI方法(可控大气压的树脂灌注方法)，并且意欲减小灌注层叠材料的变异性。除了这些常规方法，还有许多用于控制进料压力的知识。其包括在进料线上使用流量调节器或者改变树脂进料口相对于预成型物的高度以形成正或负的顶部压力。

不管装袋流程、入口和出口或者通过控制/调节的进料口压力，所有现有技术中的主要驱动力是某种压力梯度。总是考虑所述方法中的梯度是否在灌注及固化过程中在整个预成型物上一直保持了完全的大气压。

在此所述的改进方法涉及上述液体灌注方法。本发明的一个实施方案可能适于该方法的所有变型方案且并不限于一个优选方法。

实施例

使用在此所述的CPI VARTM方法的实施方案进行了多个实验以制造航空级的层叠材料。这些实施例为示意性目的而讨论，不用理解为限制所公开的实施方案的范围。

实施例1

使用了单一部分的环氧树脂体系(Cytec Engineered Materials CYCOM977-20)，其在室温具有极高的粘度且在升高温度下具有低的粘度并且保存寿命长。首先将该树脂以250-1000g的量装于聚丙烯塑料袋中。将这些袋加热密封，以使一端具有缩窄，以允许一旦切开而插入管线。聚丙烯为CYCOM977-20用于所需固化循环的可用材料。然后将所述预包装的可拆卸的树脂储槽在工具上置于预成型物旁，并且在储槽至预成型物的进料线之间连接一个进料线。每个包括树脂排放体系的灌注流程中将预成型物装袋，并且真空袋置于预成型物和树脂储槽上，如图2A所示。将预成型物压实并压紧，然后检查泄漏并准备固化。该树脂的高粘度抑制了树脂在该方法中流入预成型物中。

一旦就绪，将整个装配放置于烘箱中并加热至使树脂熔化至低粘度且允许树脂流入预成型物中的温度。一旦将储槽清空且填入预成型物，则将部件固化完全。固化之后，用超声方法对组件进行不破坏性的检查并测量厚度、纤维体积和空隙率。检查和测量结果显示整个层叠材料符合航空对所测性能最小变化的需求。层叠材料的纤维体积分数大于58％，变化小于1％，并且固化的层厚度为0.018英寸，板上的变化小于2％。

实施例2

使用如实施例1的相同的单一部分的环氧树脂和树脂袋以灌注更大的组件。根据图2B加工组件并装袋，其包括标准的灌注装袋流程并具有树脂排放体系。为了灌注该组件，使用多个连接或串联在一起的树脂储槽以传输足够的树脂并完全灌注预成型物。该方法得到具有最小变化的航空级层叠材料。

实施例3

使用如实施例1-2的相同的单一部分的环氧树脂以制备更加复杂的包括某些加硬元件的组件。根据图2C加工该组件并装袋，使用浮动的覆盖板以支撑筋板。如图所示，树脂储槽置于浮动的覆盖板旁以在所需位置供入树脂。该方法又得到具有最小变化的航空级层叠材料。

实施例4

使用了低粘度的单一部分的环氧树脂和树脂袋，其中所述树脂在室温下具有低的粘度。根据图2D加工组件，其包括在关闭时防止树脂流入预成型物的外部阀门。整个预成型物和树脂储槽装于袋中，并且可以灌注。一旦就绪，将阀门打开并且灌注预成型物。该变型方案得到具有最小变化的航空级层叠材料。

众所周知，本领域熟练技术人员知道本发明及优选实施方案中描述的实施例可以具有变化。该文件中所述的方法、装置和实施例并不会将本发明限制于那些方法，而且基本概念适用于所有可能的改进。本发明并不限于任何类别的方法且适用于所有液体灌注方法。

Claims (20)

1.一种制造复合材料的方法，其包括：

引入预成型物和树脂填充的储槽；

真空下将树脂由储槽灌注入预成型物中；

保持储槽和预成型物在基本相同的真空下；以及

使树脂固化。

2.如权利要求1的方法，

其中所述灌注的树脂在预成型物中基本未产生压力梯度。

3.权利要求1的方法，其还包括：

在灌注步骤之前将预成型物压实。

4.权利要求1的方法，其还包括：

在灌注步骤之前加热至少部分树脂。

5.权利要求1的方法，其还包括：

一个或多个树脂填充的储槽将树脂由一个或多个储槽灌注入预成型物中。

6.权利要求1的方法，

其中所述预成型物置于真空袋中，且所述储槽置于所述真空袋中。

7.权利要求1的方法，

其中所述预成型物置于真空袋中，以及

其中所述储槽置于另一个真空袋中。

8.权利要求1的方法，

其中所述储槽为可拆卸的储槽。

9.权利要求1的方法，

其中所述灌注步骤还包括将树脂机械驱使入预成型物中。

10.权利要求1的方法，

其中所述真空为1大气压或更小。

11.使用权利要求1的方法形成的复合材料。

12.使用权利要求1的方法形成的复合材料，

其中复合材料的纤维体积分数大于含有相同组分但通过其中在灌注步骤中储槽和预成型物没有保持在基本相同的真空下的方法而制备的复合材料的纤维体积分数。

13.权利要求1的复合材料，

其中复合材料中的一个或多个层的厚度在各层面积上基本均匀。

14.权利要求1的复合材料，

其中所述复合材料的孔隙度基于复合材料的总体积约为0.1-1.5体积％。

15.一种装置，其包括：

一个或多个真空袋，

置于真空袋之一中的预成型物、

置于真空袋之一中的树脂填充的储槽，

其中所述树脂填充的储槽与预成型物流体连通。

16.权利要求15的装置，

其中所述预成型物和树脂填充的储槽处在同一个真空袋中。

17.权利要求15的装置，

其中所述预成型物和树脂填充的储槽处于分开的真空袋中。

18.权利要求15的装置，

其中所述树脂填充的储槽为可拆卸储槽。

19.权利要求15的装置，

其中所述树脂填充的储槽为活塞驱动的储槽。

20.使用权利要求15的装置形成的复合材料。

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