[发明专利]制造先进复合材料部件的方法

说明书

一般而言，本发明涉及由诸如玻璃纤维、碳纤维、“Kevlar”(注册商标)以及环氧树脂和其它树脂的复合材料形成的板部件和管状结构及其它先进复合材料部件的制造。

本发明采用在标准环境温度下呈固态的树脂。因此，本发明可以采用热固性树脂如环氧聚酯和丙烯酸类，在本申请中将使用这些材料来描述本发明。但也应理解，本发明也可采用热塑性材料如低温热塑性材料如聚丙烯、聚苯乙烯和聚乙烯及高温热塑性材料如PEEK聚醚醚酮。因此，在本申请中术语“树脂”应理解为是指该范围的材料。

在本申请人的国际申请PCT/AU02/00078中，描述了多种制造先进复合材料部件的不同方法和系统。在所述方法之一中，室温下为固体的粘度非常高的树脂通过加热液化，然后被施加到模具表面。施加后，该树脂随后冷却和凝固，从而在模具表面上形成凝固树脂层。可通过采用位于模具下方且温度相对低的液体在其中循环的诸如管式冷却器或冷却囊的装置冷却模具表面来促进树脂的凝固。施加树脂的优选方法是采用喷射装置，其有助于确保在喷射程序中空气被冲击模具表面的液化树脂替代而远离模具表面，但如同作为本申请人的国际申请的一部分所预见的，可以采用一系列方法来向模具上施加熔融液体形式的树脂以确保其在凝固前均匀分布。一旦树脂层在模具表面上形成并凝固，然后可在凝固的树脂层上铺设布形式的纤维束层或组合构造的布层或预成型件和其它部件如吸胶布和优选至少一种树脂流率控制膜，以形成最终复合材料部件叠层。流率控制膜可铺设在树脂层和纤维束层之间或者在不同的纤维束层之间，以在随后的固化过程中控制树脂通过纤维束层的迁移速率。然后在最终复合材料部件叠层上铺设真空膜并密封到模具部分，使得可从真空膜下方的复合材料叠层抽出空气。树脂的固体性使得部件能被抽成完全真空，因此空气沿布内的开放通路抽出。在随后的固化过程中，向树脂和纤维束层施加热和压力，从而使树脂再次液化并允许纤维束层以受控的方式沉入液化的树脂中，使得在从部件移除所有空气之前不会填塞树脂流动通路。部件的这种受控润湿可通过利用横跨部件的一列热“热波”以确保空气从熔融树脂波前面移除的方式熔融树脂来促进。本申请人的专利所提及的高温、压力和振动可被施加到模具和复合材料叠层，由此还起到从复合材料叠层抽出任何残余空气的作用，使得所制造的最终先进复合材料部件的重量轻且强度和韧性高。

先向模具表面施加树脂具有如下多个优点：

a)最小化或避免其它制造方法如预浸渍、树脂膜熔渗(RFI)或树脂传递模塑(RTM)发生的模具表面和复合材料叠层之间空隙中的空气截留；

b)与其中需要树脂横跨部件从树脂进入点移到真空抽吸点的液体控制模塑技术如RTM或熔渗模塑(在许多情况下，大约数米)不同，树脂仅需要移动通过层合物的厚度(通常测得为毫米级)；

c)由于树脂呈连续层并具有受控的横跨部件的厚度，因此其可以受控的均匀方式上移通过并润湿部件而与部件的尺寸无关。这肯定与液体控制模塑方法(在许多情况下，必须采用多个树脂流以在树脂开始反应并开始增大粘度和硬化之前快速润湿部件)不同。这些多个树脂流必定在一些点处彼此接触，并在所述流的接触点处因这些点处性能的降低及沿流接触线的薄弱而有空气被截留在两个流之间的可能；

d)需要时，这更好地控制树脂向表面上的分布并使树脂向表面上的分布更均匀并且更精确，然后当熔融时移动通过纤维束而精确地润湿和填充层合物，从而最小化纤维束内干点的可能性并确保部件的所有部分中准确的树脂控制；

e)通过小心控制施加到模具和复合材料叠层的温度，并通过使用Kevlar遮蔽物(veil)，树脂通过复合材料叠层的迁移速率可得到更准确和更精确的控制；

f)由于在树脂熔融前可抽拉完全真空，因此使得所有空气从部件逸出或移除。因此，较少的气泡保留在根据该方法制造的成品复合材料部件中，因为空气会随着树脂逐渐移动通过并浸渍纤维束层而自然地移向复合材料叠层的上表面；

g)由于树脂不必行进从进入点到离开点的长距离，因此树脂不必具有低粘度或一致的粘度。因此，可用于该制造工艺的树脂与常规制造工艺如树脂转移模塑(RTM)中所用的树脂类型相比，购买成本通常较低并且是较长链的树脂类型。使用这类树脂使得复合材料产品的强度和韧性比用其它树脂制造的复合材料部件的强度和韧性大；和

h)可向模具表面上喷射不同类型的树脂。可向模具表面的不同区域上喷射不同的树脂。也可以交叠或共混的方式在模具表面上喷射不同的树脂层。