用于RTM工藝的軟模材料的工藝性能 zund L-1200-聚丙烯台中雷射雕刻－蘇惟愛焦點新聞熱搜

    摘要：本文對COCA31-11有機硅橡膠模具的硅橡膠的粘溫特性、試件基本力學性能及軟模試用效果等工藝性能進行了研究；研究結果表明，硅橡膠的澆鑄溫度在25度~30度之間可以滿足澆鑄成型工藝窗口要求，當硅橡膠硫化工藝為：30度硫化24h、90度后硫化1h時可以保證軟模具有良好的力學性能；用澆鑄成型的硅橡膠軟模進行碳纖維復合材料構件的試制，軟模和產品外形完整、尺寸準確，證明了COCA31-11硅橡膠可以作為軟模輔助RTM工藝中軟模材料使用。
1 前言
    熱膨脹模塑法是七十年代中期發展起來的一種新型的復合材料固化成型方法，它是以熱膨脹材料為芯模，剛性材料(金屬)為陰模，復合材料置于芯模與陰模之間，當模具受熱后，由于芯模的體積膨脹受到復合材料預成型體及陰模的限制而產生巨大的均勻壓力，從而實現在加熱固化過程中對復合材料預成型體施壓，其中熱膨脹材料一般為有機硅橡膠、聚甲基丙烯酰亞胺等。硅橡膠是有機硅聚合物中的重要產品之一，具有在很寬的溫度范圍內長時間保持彈性的特性，因此作為熱膨脹芯模材料研究成熟且應用較廣的是有機硅橡膠。
   國防科技大學聚合物基復合材料實驗室在軟模輔助RTM工藝一次整體成型內部結構復雜的復合材料構件上開展了研究工作，并初步取得了令人滿意的結果。這一改進型的RTM工藝與傳統RTM工藝大的區別就是在于軟模的應用，故軟模的材料選擇、軟模的設計和制備以及終復合材料成型過程中軟模的工藝控制是為關鍵的環節，因此有必要對軟模進行深入的研究。
    本文在研究確定的軟模熱膨脹性能基礎上，進一步對這種軟模材料的工藝性能進行深入研究，掌握其基本力學性能，確定該種硅橡膠的澆鑄工藝窗口及硫化工藝條件，同時對該種材料用于RTM工藝進行了構件制備試驗，為其在大型復雜構件中推廣應用奠定基礎。
2 實驗
2.1 原材料
    COCA31-11加成型硫化有機硅模具橡膠：深圳市固加實業發展有限公司生產。
2.2 實驗方法和儀器
2.2.1 硅橡膠粘度-溫度特性測試
    將硅橡膠膠料兩組分加熱到所需的溫度后，將兩組分混合并攪拌一分鐘，再將混合后的膠料置于JWC-32C精密恒溫槽中，恒溫槽是上海思爾達科學儀器有限公司生產，用旋轉粘度計法測定其粘度，粘度計是上海精密科學儀器有限公司生產的NDJ-5S數顯粘度計。
2.2.2 硅橡膠基本力學性能測試
    硅橡膠基本力學性能測試方法及使用主要儀器見表1。
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2.2.3 軟模試驗效果
    為了初步驗證軟模輔助RTM制備內表面帶筋、兩端帶內翻法蘭的圓筒狀構件的可行性，以及選擇的軟模材料的適用性，設計了如圖1所示的典型構件，來進行軟模的制備，并終制得復合材料構件。

3 結果分析與討論
3.1 硅橡膠澆注工藝窗口確定
    選定了COCA31-11加成型硫化有機硅模具橡膠為軟模材料后，還應確定其澆鑄成型工藝條件，才能制備出完整適用的大型整體軟模，掌握該硅橡膠原材料體系的粘度-溫度特性是為關鍵的步驟。實驗測得COCA31-11原材料體系在混合開始反應后的粘度-溫度特性如圖2所示。
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    從圖2可以看出，隨溫度的升高，原材料混合體系的初始粘度雖然有所下降，有利于澆鑄過程的實施，但保持低粘度的時間太短，不能滿足澆鑄過程對時間的起碼要求。但在室溫下較低的粘度能保持20分鐘以上，為實現大件的澆鑄提供了可能性。事實上進一步的測試表明該硅橡膠在30度溫度下需要76分鐘后開始硫化，可滿足硅橡膠澆注工藝窗口要求，因此可以確定硅橡膠的澆鑄溫度在25度~30度之間比較合適。
    硫化是硅橡膠模具制造的主要過程之一，在這個過程中硅橡膠要經歷一系列復雜的化學變化，由液體變為高彈性體，從而獲得所要求的物理、化學和力學性能。加成型硅橡膠模具制造普遍采用兩段硫化法，基于經驗數據的兩段硫化法有助于提高整個硅橡膠模具的硫化程度的均勻性，從而保證模具物理和力學性能，改善其抗壓縮永久變形性和尺寸穩定性，延長其使用壽命。廠方提供硅橡膠的硫化工藝為室溫硫化24小時后在80度~120度下后硫化0.5~1小時，經實驗終確定采用30度硫化24h、90度后硫化1h的硫化工藝。
3.2 硅橡膠基本力學性能及軟模試驗效果
    按照確定的澆鑄、硫化、后硫后等工藝條件制備出硅橡膠試件，測試硅橡膠的基本力學性能如表2所示。從表2可以看出，硅橡膠力學性能優良并且離散性較小，說明所確定的硅橡膠澆柱溫度及硫化工藝合理適用。

    為了進一步考察硅橡膠軟模在制備復合材料上的可行性，本文設計了一個具有典型內部復雜結構的構件(圖1所示)，初步澆注成型了硅橡膠軟模(圖3所示)，并用軟模輔助RTM成型了碳纖維/環氧復合材料構件(見圖4所示)，軟模外形完整、尺寸準確，而且利用軟模自身柔軟的特點解決了內部復雜構件的一次整體成型困難的問題，制備出了外形完整的復合材料構件，所制備的軟模經數次高溫、高壓使用后，壓縮變形很小，性能無明顯下降，這也充分證明了COCA31-11可以作為軟模輔助RTM工藝中軟模材料使用。
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    如何依據軟模材料的熱膨脹性能和制品的形狀尺寸對軟模設計，以及如何通過在成型過程中對軟模進行工藝控制，來發揮軟模膨脹擠膠作用制得高纖維含量的復合材料構件是以后研究的重要課題，總而方之，軟模輔助RTM具有極為廣闊的發展前景。
4 結論
    (1)通過粘度-溫度試驗確定了COCA31-11硅橡膠澆鑄溫度為25~30度，在30度時其硫化時間為76分鐘；
    (2)確定了COCA31-11硅橡膠的硫化工藝為：30度硫化24小時、90度后硫化1小時，在此硫化工藝條件下制備的硅橡膠試件力學性能優良，離散性較小；
    (3)用COCA31-11硅橡膠制備的軟模外形完整、尺寸準確，用其輔助RTM制備的碳纖維復合材料構件外形完整，并且COCA31-11軟模經過數次使用后無明顯變形，證明此種硅橡膠可以用于RTM成型具有復雜內部結構的復合材料構件。

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