CN1733470A - 纤维－纯钛金箔复合型材、制作方法及其固化模具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纤维―纯钛金箔复合型材、制作方法及其固化模具。其型材包括至少一层高强高模纤维布和至少一层纯钛金箔，各层相互间隔放置，用粘胶粘接。其方法第一步备料，将纯钛金箔和高强高模纤维布各自浸胶并裁制所需的尺寸；第二步成形，用步骤1制得的材料中的一种，在已刷涂过脱模剂的阳模上卷铺一周层后，再续铺另一种材料，根据所需要的层数，依次间隔铺放，卷铺碾压后放入固化模具中；第三步固化，固化时间为2小时至24小时，固化温度是在常温下固化或加温固化。固化模具包括上模、下模和阳模。该型材具有薄、厚壁圆管、方管、异形管、U形、单曲面、双曲面型材，适合做渔竿、风筝结构管、飞行器的各个结构件，具有高的弹性模量、刚性、抗冲击、抗剪切的物理性能，其方法简单易操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种层状型材产品、制作方法及其加工摸具，具体地说，涉及一种纤维—纯钛金箔复合型材及其制作工艺和固化模具。
背景技术
复合材料已广泛地在渔竿、风筝结构管、飞行器等结构件上应用。这些复合材料通常是以碳纤维单向布铺层，实现纤维增强体在复合材料结构件中的定向、定部位的加强。同时也需要多种角度，，如0°、±15°、±30°、±45°、±60°、90°铺层，用来防止结构件受力后定向纤维增强体产生位移而造成结构件提前断裂。通常的复合材料纤维增强体，铺层定位纤维用料多、重量大；定位纤维用料少、定向纤维增强体容易产生位移……。
用纯碳纤维单向布所制的渔竿的嵌插段、风筝结构管的嵌插段、多功能飞行器尾称结构管、翼梁……在受力时容易产生劈裂、容伤性能差，不可开槽打孔、螺栓紧定、不抗冲击……。
发明内容
本发明的目的是提供一种纤维—纯钛金箔复合型材、制作工艺及其固化模具。
本发明所述的纤维—纯钛金箔复合型材，包括至少一层高强高模纤维布和至少一层纯钛金箔，各层相互间隔放置，用粘胶粘接。
所述高强高模纤维布是碳纤维单向布、碳纤维双向编织布、芳纶纤维双向编织布、碳纤维/芳纶纤维双向混编布、高强高模聚乙烯防弹纤维双向编织布、高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/碳纤维双向混编织布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/芳纶纤维双向混编织布。
所述粘胶是环氧树脂胶、酚醛树脂胶、高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂高温结构胶、高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂常温结构胶、常温固化高性能有机结构胶或高强度无机结构胶。
本发明所述的纤维—纯钛金箔复合型材的制作方法，其步骤是：
第一步备料，将纯钛金箔和高强高模纤维布各自浸胶后，裁制所需的尺寸，该尺寸可以是阳模的外表面的一个周长或两个周长以上。
第二步成形，在阳模上刷涂脱模剂，用步骤1制得的材料中的一种，在已刷涂过脱模剂的阳模上卷铺一周层后，再续铺另一种材料，根据所需要的层数，依次间隔铺放，卷铺碾压后放入固化模具中，用螺栓将模具的上、下模紧固。
第三步固化，固化时间为2小时至24小时，固化温度是在常温下固化或加温固化。
所述加温固化是使温度半小时升到120-180℃，恒温一小时，在箱内自然降温到60℃，出固化箱，脱模。
本发明所述的制作纤维—纯钛金箔复合型材的固化摸具，包括上模、下模和阳模。所述上、下模相对的一面设置有凹槽，该槽的形状与所制产品的外形相适应，所述阳模的外表面与所制产品的内孔或内表面一致，上、下模设置有对称的通孔，用螺母紧固。
本发明所述的方法还具有两加压模件，该加压模件位于上、下模之间靠近阳模，该加压模件的截面为T形，靠近阳模的一端为小端，其形状与所制产品的外形相同，其另一端为锥形。
所述上模具有凸出于上、下模的相对平面的凸环，其下模具有与上模的凸环相对应的凹槽，凸环和凹槽的相对面具有锥度。
所述阳模根据所制作的型材的外表面分为多个分段，在每个分段的外表面卷铺所需制作的型材所使用的材料，然后组装在一起，形成所需形状的阳模。
所述阳模的两端具有阶梯孔，其小孔为螺纹孔，大孔中设置有弹簧，套装有锥形套的螺栓穿过弹簧与螺孔连接，所述预压套与阳模之间通过导向键滑动连接，还具有两个有内锥孔的卡箍。
本发明所述的纤维—纯钛金箔复合型材适合制作渔竿、风筝结构管、飞行器的各个结构件、部件。它用各向同性的纯钛金箔材作为纤维增强体每个铺层的间层，可以减少纤维增强体产生位移的变更角度铺层的定位纤维铺层的数量，所制成的结构件更加轻强，具有更高的弹性模量、刚性、抗冲击、抗剪切的物理性能，更优异的损伤容限与剩余强度。改变了纯碳纤维制品不抗冲击、不可开槽打孔、螺栓紧定等缺陷。更适合飞行器的空气动力弹性模量结构件的要求，减少飞行器的重量，增加了有效载荷。
通过选用不同的使用环境温度结构胶与不同熔解温度的高强高模纤维，可制出纤维—纯钛金箔材为增强体的多种基体的可在-60——500℃工况使用的超混杂、超轻强复合材料制品。其制作工艺简单：纯钛金箔为增强体复合材料，可以用普通阳模工艺生产方法可制薄壁圆管；也可以用二向位合模多向位模压定径工艺方法制薄壁、厚壁圆管、方管、异形管、U形、单曲面、双曲面型材。在模压、固化的过程中，用阴、阳模的直径恰当的配合，可以准确地控制增强体(纤维、纯钛金箔)与基体胶的定量配比。所制出的结构件内、外径尺寸精度高，各部位强度、刚度均匀。再加上预应力工艺方法可以得到由表层到内层有预应力的、新型复合材料结构件。
附图说明
图1是本发明制作方管的固化模具结构示意图；
图2是本发明制作圆管的固化模具结构示意图；
图3是本发明制作异形管的固化模具结构示意图；
图4是本发明制作类似U件的固化模具结构示意图；
图5是固化模具中阳模的一个实施例；
图6是图5的A-A剖面图。
具体实施方式
本发明所述的纤维—纯钛金箔复合型材，包括至少一层高强高模纤维布和至少一层纯钛金箔，各层相互间隔放置，用粘胶粘接。
所述高强高模纤维布可以是碳纤维单向布，其厚度规格有：0.04、0.075、0.125或0.18mm；碳纤维双向编织布，如：平纹、斜纹、五枚缎纹、八枚缎纹或双向经纬45°立体编织布，或芳纶纤维双向编织布，该布是以经、纬纱数定规格，有：420、1100、1680……，或碳纤维/芳纶纤维双向混编布，该布是以碳纤维千根模数定规格，有：1K、3K、6K或12K，或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维双向编织布，该布以经、纬纱数定规格有：160、200、300、320、440、1100、1600……、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/碳纤维双向混编织布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/芳纶纤维双向混编织布。
所采用的粘胶可以是环氧树脂胶、酚醛树脂胶、高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂高温结构胶、高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂常温结构胶、常温固化高性能有机结构胶或高强度无机结构胶。
本发明所述的纤维—纯钛金箔复合型材为管材或类似U形材或T形材。所述管材可以是圆管、方管、矩形管或异形管。各种材料可以制作渔竿、风筝结构管、飞行器的各个结构件或部件。
本发明所述方法的步骤是：
第一步，备料。
将纯钛金箔和高强高模纤维布各自浸胶后，裁制所需的尺寸，该尺寸可以是阳模的外表面的一个周长或两个周长以上。
当所制作的型材为一层高强高模纤维布和一层纯钛金箔时，两种材料可分别载成阳模外表面的一个周长。若为两层高强高模纤维和一层纯钛金箔，则高强高模纤维需载为阳模外表面的两个周长，纯钛金箔载为阳模外表面的一个周长。若需制作在两层纯钛金箔中夹有高强高模纤维布的型材时，纯钛金箔则载为阳模外表面的两个周长，高强高模纤维布载为阳模外表面的一个周长。
当制作厚壁型材时，所述的阳模外表面应为所铺层的实际外周表面，所以，各材料的“阳模外表面周长”的尺寸是随着壁厚的增加而改变的。
第二步，成形。
在阳模上刷涂脱模剂，用步骤1制得的材料中的一种，在已刷涂过脱模剂的阳模上卷铺一周层后，再续铺另一种材料，根据所需要的层数，依次间隔铺放，卷铺碾压后放入固化模具中，用螺栓将模具的上、下模紧固。
当采用的粘胶为常温固化高性能有机结构胶和高强度无机结构胶时，必须在纯钛金箔和高强高模纤维布浸胶后20分钟之内紧固完毕。
第三步，固化，固化时间为2小时至24小时，固化温度是在常温下固化或加温至120℃-180℃。
当使用的粘胶为常温固化高性能有机结构胶和高强度无机结构胶时，第二步工序得到的紧固模具在长温下保持24小时后开模。若粘胶为环氧树脂、高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂、酚醛树脂时，第二步所得的紧固模具需放入固化箱内加温固化。
所述加温固化是使温度半小时升到120-180℃，恒温一小时，在箱内自然降温到60℃，出固化箱，脱模。
其中采用环氧树脂胶时，固化温度为140℃，采用酚醛树脂时，其固化温度为180℃，采用高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂高温胶胶时，其固化温度为120℃。
参见图1和图2，本发明所述的固化模具，包括上模块1、下模块5和阳(芯)模4。所述上、下模1、5相对的一面设置有凹槽，该槽的形状可以是矩形、半圆形或与所制产品的外形相适应的形状，所述阳模4的外表面与所制产品的内孔或内表面一致。上、下模1、5设置有多个对称的通孔，螺栓6穿过通孔，用螺母拧紧。
本发明所述的模具还具有两加压模件2，该加压模件位于上、下模1、5之间，靠近阳模5。该加压模件2的截面为T形，靠近阳模的一端为小端，其形状与所制产品的外形相同，可以是圆弧形或平面形，其另一端，即大端为锥形，在紧固过程中，上、下模挤压加压模件的锥形端，通过多向位模压定径，可使增强体的各层、各部位结合得更加紧密、强度与刚性一致。
参见图3，该图表示加工类似U形物的固化模具。该模具的上模具有凸出于上、下模1、5的相对平面的凸环，其下模具有与上模的凸环相对应的凹槽，凸环和凹槽的相对面具有锥度，当加压时，由于凸环和凹槽的配合，使被加工件更加紧密与阳模贴合。
参见图4，该图表示加工异型管的固化模具。该模具的阳模根据所制作的型材的外表面分为多个分段，在每个分段的外表面卷铺纤维—纯钛金箔复合采材7，然后组装在一起，形成所需形状的阳模。在多个分段中，其中一个分段与相邻分段的一个或两个接触面为倾斜面，与此面接触的分段面与其倾斜度相配合，可在合模时的压力下，产生多向位模压定径，制出外层高强高模纤维双向编织布整体蒙皮，中间由多个加强体组合的闭合式复合材料结构型材。
参见图5和图6，所述阳模4的两端具有阶梯孔，其小孔为螺纹孔，大孔中设置有弹簧8，螺栓9穿过弹簧与螺孔连接，在螺栓上套装有具有锥形头的预压套11，所述预压套11与阳模4之间通过导向键10滑动连接，导向键可以是单键、双键或花键，还包括两个具有内锥孔的卡箍12，该卡箍的内孔锥度与预压套的锥形头的锥度相同。卷铺时，在卷铺所需制作的预浸材料延长超过预压套11的锥面未固化时，将卡箍12紧套在预压套11上，然后放松螺拴9，即可产生拉力，制出预应力型材。
使用时，将螺栓9拧入螺孔中使弹簧8压缩，然后卷铺已浸胶的，纯钛金箔或纤维布，纯钛金箔或纤维布3，卷铺好后，将卡箍套装在已完成铺层的锥形模件上，松开螺栓，即释放具有预应力的压簧，放入模具之中进行固化。经过预应力工艺处理的复合材料，定向铺层的纤维束有应力，能充分地发挥定向铺层的每一束纤维的最高的物理性能。可有效地防止结构件在受力后产生提前断裂。
实施例1
用纯钛金箔和碳纤维布，如单向布、双向编织平纹、斜纹、五枚缎纹、八枚缎纹或双向45°立体编织布中的一种各自浸有环氧树脂胶，制作以环氧树脂为基体的二周层碳纤维布有纯钛金箔材夹层的预浸胶布多向位模压定径工艺圆管。
将浸有环氧树脂胶的碳纤维布，裁成具有阳模两个外表面周长的长度，浸有环氧树脂胶的纯钛金箔，裁为具有阳模一个外表面周长的长度；在预涂过脱模剂的阳模上，将裁有两个外表面周长的碳纤维布铺卷铺在阳模上一周层，将钛金箔平铺在未卷铺的另一周碳纤维单向布上，放到碾压平台机上卷铺碾压，然后放入固化模具中，用螺栓将上、下模块紧固，再放入固化箱内，半小时升温到140℃，恒温一小时固化，在箱内自然降温到60℃，出固化箱，脱模。
此实施例中的碳纤维布可以用芳纶纤维双向编织布、或碳纤维/芳纶纤维双向混编布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维双向编织布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/碳纤维双向混编织布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/芳纶纤维双向混编织布替代。
实施例2
用纯钛金箔和高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维双向编织布各自浸有高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂胶，制作以高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂胶为基体的二周层高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维双向编织布有纯钛金箔材夹层的预浸胶布多向位模压型材。
将浸有环氧树脂胶的高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维双向编织布裁成具有阳模的一个外表面周长的长度，将浸有高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂胶的纯钛金箔裁为具有阳模两个外表面周长的长度；在预刷过脱模剂的阳模上，首先将纯钛金箔材卷铺在阳模上一周层后，把一周层的PE纤维双向编织布平铺在未卷铺的另一周长未卷铺的纯钛金箔材上，继续在碾压平台机上卷铺碾压，制出有(PE)纤维夹层的纯钛金箔材未固化的型材，然后放入模具中，用螺栓将上、下模具偶件紧固，再放入固化箱内，半小时升温到120℃，恒温一小时固化，在箱内自然降温到60℃，出固化箱，脱模。
此实施例中的高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维双向编织布可以用各种碳纤维布、或芳纶纤维双向编织布、或碳纤维/芳纶纤维双向混编布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/碳纤维双向混编织布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/芳纶纤维双向混编织布替代。
实施例3
用纯钛金箔和芳纶纤维双向编布各自浸有酚醛树脂胶制作以酚醛树脂为基体的二周层芳纶纤维双向编织布具有纯钛金箔材夹层的预浸胶布多向位模压定径工艺圆管。
将浸有酚醛树脂胶的芳纶纤维双向编织布，预裁成具有阳模两个外表面周长的长度，浸有酚醛树脂胶的纯钛金箔，预裁为具有阳模一个外表面周长的长度。在预涂过脱模剂的阳模上，将裁有二周层的芳纶双向编织布铺卷铺在阳模上一周层后，将钛金箔平铺在未卷铺的另一周芳纶双向编织布上，放到碾压平台机上卷铺碾压，制成有纯钛金箔夹层的芳纶双向编织预浸胶布的、未固化的型材，然后放入模具中，用螺栓将上、下模具偶块紧固，再放入固化箱内，半小时升温到180℃，恒温一小时固化，在箱内自然降温到60℃，出箱，脱模。
此实施例中的芳纶纤维双向编织布，可以用各种碳纤维布、或碳纤维/芳纶纤维双向混编布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维双向编织布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/碳纤维双向混编织布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/芳纶纤维双向混编织布替代。
实施例4
用纯钛金箔和碳纤维/芳纶纤维双向混编布各自浸有常温固化高性能有机结构胶制作以常温固化高性能结构胶为基体的二周层纯钛金箔材具有碳纤维/芳纶纤维双向混编布夹层的预浸胶布多向位模压定径工艺圆管。
将浸有常温固化高性能有机结构胶的碳纤维/芳纶纤维双向混编布，预裁成具有阳模两个外表面周长的长度，浸有常温固化高性能结构胶的的纯钛金箔，预裁为具有阳模一个外表面周长的长度；在预涂过脱模剂的阳模上，将裁有二周层的碳纤维/芳纶纤维双向混编布卷铺在阳模上一周层，将钛金箔平铺在未卷铺的另一周碳纤维/芳纶纤维双向混编布上，放到碾压平台机上卷铺碾压，制成有纯钛金箔夹层的碳纤维/芳纶纤维双向混编布的、未固化的型材，然后放入模具中，用螺栓将上、下模具偶块在20分钟内紧固，24小时后脱模，72小时达到最大强度。所述的常温固化高性能结构胶亦可用环氧树脂胶或酚醛树脂基体替代。
此实施例中的碳纤维/芳纶纤维双向混编布可用各种碳纤维布、或芳纶纤维双向编织布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维双向编织布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/碳纤维双向混编织布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/芳纶纤维双向混编织布替代。
所采用的常温固化高性能有机结构胶可以用高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂常温胶、常温固化高性能有机结构胶或高强度无机结构胶替带。
上述四个实施例均是制作薄壁型材，如需制作厚壁型材，只需将所使用的材料裁成所制作层数需要的长度，按照前述方法操作，即可得到厚壁型材。
本发明所述的型材，以纯钛金箔为纤维增强体间层，可与碳纤维布、芳纶纤维双向编织布、碳纤维/芳纶纤维双向混编布或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维双向编织布任意组合，在同一种产品中可以使用上述材料中的一种，也可以使用上述材料中的两种或多种。
本发明采用了多种复合材料的基体(环氧树脂、酚醛树脂、常温固化高强度结构胶、高强度无机结构胶)可制作热固型、常温固化型以纯钛金箔为纤维增强体间层的复合材料制品(纯钛金箔可在-60°-500℃工况环境中长期使用)。也可以把高模碳纤维双向编织布制成硅酸盐无机物组成的双组分预浸胶布用多向位模压定径模具制出超轻强的(可在1700℃工况环境中长期使用)复合材料结构件、部件。
用高强高模纤维/纯钛金箔材为增强体的多向位模压定径预应力超轻强复合材料、工艺、模具，可以生产出更高弹性模量、刚度、抗冲击、抗剪切、优异的损伤容限与剩余强度超混杂、超轻强复合材料制品，更适合多功能、特种飞行器的空气动力弹性模量要求的结构件、部件。
Claims (10)
1、纤维—纯钛金箔复合型材，包括至少一层高强高模纤维布和至少一层纯钛金箔，各层相互间隔放置，用粘胶粘接。
2、根据权利要求1所述的复合型材，其特征是所述高强高模纤维布是碳纤维单向布、碳纤维双向编织布、芳纶纤维双向编织布、碳纤维/芳纶纤维双向混编布、高强高模聚乙烯防弹纤维双向编织布、高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/碳纤维双向混编织布、或高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维/芳纶纤维双向混编织布。
3、根据权利要求1或2所述的复合型材，其特征是所述粘胶是环氧树脂胶、酚醛树脂胶、高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂高温结构胶、高强高模聚乙烯(PE)防弹纤维树脂常温结构胶、常温固化高性能有机结构胶或高强度无机结构胶。
4、纤维—纯钛金箔复合型材的制作方法，其步骤是：
第一步备料，将纯钛金箔和高强高模纤维布各自浸胶后，裁制所需的尺寸，该尺寸可以是阳模的外表面的一个周长或两个周长以上。
第二步成形，在阳模上刷涂脱模剂，用步骤1制得的材料中的一种，在已刷涂过脱模剂的阳模上卷铺一周层后，再续铺另一种材料，根据所需要的层数，依次间隔铺放，卷铺碾压后放入固化模具中，用螺栓将模具的上、下模紧固。
第三步固化，固化时间为2小时至24小时，固化温度是在常温下固化或加温固化。
5、根据权利要求4所述的制作方法，其特征是所述加温固化是使温度半小时升到120-180℃，恒温一小时，在箱内自然降温到60℃，出固化箱，脱模。
6、制作纤维—纯钛金箔复合型材的固化摸具，其特征是包括上模(1)、下模(5)和阳模(4)。所述上、下模(1、5)相对的一面设置有凹槽，该槽的形状与所制产品的外形相适应，所述阳模(5)的外表面与所制产品的内孔或内表面一致，上、下模(1、5)设置有对称的通孔，用螺母紧固。
7、根据权利要求6所述的固化摸具，其特征是还具有两加压模件(2)，该加压模件位于上、下模(1、5)之间靠近阳模(5)，该加压模件(2)的截面为T形，靠近阳模的一端为小端，其形状与所制产品的外形相同，其另一端为锥形。
8、根据权利要求6所述的固化摸具，其特征是所述上模具有凸出于上、下模(1、5)的相对平面的凸环，其下模具有与上模的凸环相对应的凹槽，凸环和凹槽的相对面具有锥度。
9、根据权利要求6所述的固化摸具，其特征是所述阳模根据所制作的型材的外表面分为多个分段，在每个分段的外表面卷铺所需制作的型材所使用的材料，然后组装在一起，形成所需形状的阳模。
10、根据权利要求6所述的固化摸具，其特征是所述阳模的两端具有阶梯孔，其小孔为螺纹孔，大孔中设置有弹簧，套装有锥形套的螺栓穿过弹簧与螺孔连接，所述预压套(11)与阳模(4)之间通过导向键(10)滑动连接，还具有两个有内锥孔的卡箍(12)。
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