一种增强vartm工艺的压力调控装置及其应用方法
技术领域
1.本发明属于vartm工艺领域，具体为一种增强vartm工艺的压力调控装置及其应用方法。
背景技术：2.vartm工艺是一种低成本的复合材料液体成型工艺(liquid composite molding，lcm)，其只需要单面模具，且模具制作程序简单，使用寿命长，可设计性好，制品性能也相对较好，可制作大厚度、大尺寸产品，因而广泛应用于海洋、能源、汽车、体育和航空航天等制造行业。vartm工艺发展至今，虽然已在多个领域得到了实际应用，但其仍然有进一步改进的空间。追求更薄的制品的厚度一直是vartm工艺的主要目标之一，然而vartm工艺本身最多只能提供一个大气压的驱动压力，且在保压固化阶段需要同时关闭树脂注入管道和抽气管道，这就导致多余的树脂和气体都无法排出，最终产品厚度较大，孔隙率较高而纤维体积分数较低。如果只关闭树脂注入管道而开启抽气管道，则会导致树脂过多的被吸入抽气管道，最终产品因贫脂而疏松干燥，力学性能大大降低。
技术实现要素：3.本发明的目的在于提供一种能保证树脂成型产品力学性能的增强vartm工艺的压力调控装置及其应用方法。
4.本发明提供的这种增强vartm工艺的压力调控装置，包括装配式压力室和其侧壁可拆卸连接的压力调节组件，装配式压力室的上端设置有透明的观察窗、侧壁设置有树脂注入管和抽气管的安装孔。
5.上述装置的一种实施方式中，所述装配式压力室的整体形状为圆筒形，其筒体下端与底板焊接固定，筒体上端固定连接法兰，顶板与连接法兰通过紧固件可拆卸密封连接固定。
6.上述装置的一种实施方式中，所述连接法兰的顶面设置有下凹的环形槽，所述顶板的底面设置有上凹的环形槽，两环形槽之间嵌装密封圈，且顶板和连接法兰之间固定后，密封圈处于挤压状态。
7.上述装置的一种实施方式中，所述顶板的中心位置设置有观察孔，观察孔周围通过紧固件可拆卸连接压环，压环和顶板之间嵌装透明的玻璃板，玻璃板与顶板和压环之间的接触面涂抹玻璃胶。
8.上述装置的一种实施方式中，所述筒体的不同方位分别设置树脂注入管和抽气管的安装孔。
9.上述装置的一种实施方式中，所述压力调节组件包括转接头及其外端连接的三通接头，三通接头的一端连接真空压力表，另一端依次连接开关阀和调压阀，调节阀的出口连接气管接头。
10.上述装置的一种实施方式中，所述转接头与所述筒体侧壁螺纹连接。
11.本发明提供的这种利用上述装置进行产品成型制备的方法，在充模过程中，压力室内抽真空，加速树脂的流动；在保压固化过程中，压力室内充高压气体，进一步压实纤维层，减小制品厚度和提高力学性能。
12.上述方法包括以下步骤：
13.(1)将压力室顶板与玻璃板及压环的整体件从连接法兰处卸下；
14.(2)将模具放入压力室内，依次在模具上粘贴rtm密封胶、涂抹脱模材料、铺放纤维层、铺放脱模布和粘贴真空袋，将树脂注入管内端和抽气管内端分别穿过压力室侧壁上的安装孔与模具固定，与安装孔之间的间隙用rtm胶密封，未使用的安装孔进行封堵；
15.(3)关闭树脂注入管道，开启抽气管连接的真空泵，当真空袋内的相对压力达到负压设定值时，关闭真空泵，等待设定时间，观察抽气管上压力表读数的变化情况，若设定时间内压力表读数减小，则再次对所有连接节点压实密封，再次等待设定时间，重复该过程直至压力表读数不再随时间变化；
16.(4)将步骤(1)拆卸的整体件与连接法兰密封连接固定；
17.(5)将抽气管和气管接头所连接的管道均接入真空泵后开启真空泵，调节压力至真空压力表显示为预设真空度；
18.(6)打开树脂注入管，将树脂注入管插入已调配好的树脂里，树脂在大气压作用下开始浸润真空袋内的纤维层，当树脂完全浸润纤维层后，关闭真空泵和抽气管道，恢复压力室内的气压；
19.(7)将气管接头所连接的管道接入空气压缩机，向压力室内充入高压气体，通过调压阀使压力室内的压力达到预设值，关闭空气压缩机和调压阀；
20.(8)在室温条件下静待树脂自然固化设定时间，然后在靠近模具处切断树脂注入管道和抽气管道，取出模具；
21.(9)将模具送入鼓风干燥箱中按设定温度加热固化设定时间，完成后取出模具，撕掉真空袋，rtm密封胶，脱模布，从模具上取下固化后的产品毛坯；
22.(10)对毛坯切割、修边，得到最终产品。
23.上述方法的一种实施方式中：
24.步骤(3)中，相对真空度的调节范围为0-(-0.92)bar，压力调节范围为0-0.3mpa，等待的设定时间为10-15分钟；
25.步骤(7)中，自然固化时间为12-18小时；
26.步骤(8)中，鼓风干燥箱内的设定温度为80-85℃，加热固化时间为8-12小时。
27.本压力调控装置主要包括气密性好、顶盖部分可拆卸装配的压力室及压力室可拆卸连接的压力调节组件。压力室的结构在保证密封性的基础上，便于模具的放入和取出，压力调节组件可为压力室内提供负压环境，也能提供正压环境。在vartm工艺充模阶段，将压力室内抽取一定真空度，压力室内抽相对真空，使真空袋内外压力相当，纤维预制件相对松弛，树脂流动更快速，缩短产品生产周期，纤维的浸润效果也更好。在保压固化阶段，压力室内充入高压气体，通过外部加压排出真空袋内残留的气体和多余的树脂，避免从真空袋内部抽取时将树脂过多的抽走，导致产品疏松干燥。压力室内可以将压力加到更大，进一步压实纤维层，减小产品的厚度，降低孔隙率，提高纤维体积分数和产品力学性能，避免真空抽取时最高只有一个大气压压力的局限性。压力调节组件能定量控制抽取的真空度和充入气
体的压力，可用于研究压力室内的压力对vartm工艺生产效率和产品性能参数的影响。
附图说明
28.图1为本发明一个实施例的轴测结构示意图。
29.图2为本实施例的主视剖视示意图。
30.图3为图1的俯视示意图。
31.图中序号：
32.压力室a；
33.a1-底板；a2-筒体；a3-连接法兰；a4-顶板；a5-玻璃板；a6-压环；-密封圈；a8-树脂注入管安装孔；a9-抽气管安装孔；a10-压力调节组件安装孔；
34.压力调节组件b；
35.b1-转接头；b2-t形三通；b3-真空压力表；b4-开关阀；b5-调压阀；b6气管接头。
具体实施方式
36.如图1所示，本实施例公开的这种增强vartm工艺的压力调控装置，包括压力室a和及其连接的压力调节组件b。
37.如图2所示，压力室a的整体形状为圆筒形，包括底板a1、筒体a2、连接法兰a3、顶板a4、玻璃板a5、压环a6。
38.底板a1的直径略大于筒体a2直径，筒体侧壁的不同位置设置树脂注入管安装孔a8和抽气管安装孔a9，还设置有用于连接压力调节组件b的螺纹孔a10。
39.筒体a2下端与底板a1对中焊接固定形成盆状容器。
40.筒体侧壁的不同方位设置树脂注入管安装孔和抽气管安装孔的目的为便于研究不同树脂注入口和抽气口位置对树脂浸润过程的影响。
41.连接法兰a3焊接于筒体a2的上端外壁，其上设置一圈紧固件安装孔，顶面对应紧固件安装孔的内侧设置一个下凹的环形槽。
42.顶板a4的直径略大于连接法兰a3的外径，其上设置一圈紧固件安装孔，底面设置一个上凹的环形凹槽。
43.顶板a4还设置有中心圆孔，对应中心圆孔的周围板体上设置有一圈紧固件安装孔。
44.玻璃板a5为高硼硅钢化玻璃板，其直径略大于顶板上中心圆孔的直径。
45.压环a6的中心孔为下大上小的台阶孔，压环设置一圈紧固件安装孔。
46.顶板a4与连接法兰a3装配时，先在连接法兰上的凹槽中放置密封圈mfq，然后将顶板盖上，使顶板上的凹槽压于密封圈上，然后采用沉头螺钉作为紧固件将顶板和连接法兰连接固定。密封圈的选择满足顶板和连接法兰固定后，密封圈处于挤压状态。
47.顶板a4固定后，将玻璃板a5对中盖住顶板上的中心圆孔，然后将压环a6盖于玻璃板上，注意这个过程中，玻璃板a5与顶板a4和压环a6的接触面均通过玻璃胶密封，最后将压环a6与顶板a4之间通过沉头螺钉连接固定。
48.装配完成后，压力室a的上端有圆形观察窗。
49.压力室的上述结构包括底板、筒体和连接法兰的焊接整体件，顶板、玻璃板及压环
的装配整体件，两整体件的顶板和连接法兰之间通过密封圈及紧固件可拆卸密封连接。
50.压力室的上述结构不仅方便模具的放入和取出，还能保证模具放入后的密封性。
51.如图3所示，压力调节组件b包括转接头b1及其外端连接的t形三通b2，t形三通的一端连接真空压力表b3，另一端依次连接开关阀b4和调压阀b5，调节阀的出口连接气管接头b6。气管接头采用快插式的结构。
52.压力调节组件b与筒体a2装配时，转接头ba螺纹连接于筒体侧壁的螺纹孔a10中。
53.真空压力表既能测量真空度，又能测量压力值；气管接头通过管道既能连接真空泵抽取压力室内的空气，又能连接空气压缩机向压力室内注入高压气体。
54.利用本压力调控装置进行产品成型制备的具体过程如下：
55.(1)将压力室的顶板、玻璃板及压环装配整体件从筒体上端打开。
56.(2)用无水乙醇对模具进行全面擦拭清洗，沿模具边缘铺贴rtm胶带，模具上涂敷一层脱模蜡，依次铺放裁剪好的纤维预制件，脱模布，导流网，将模具整体放入压力室内。
57.(3)树脂注入管和抽气管的安装固定
58.将树脂注入管道的内端穿过筒体上的安装孔后与模具的一边粘接，树脂注入管道的外端与盛装树脂的容器连接；
59.将抽气管的内端穿过筒体侧壁的安装孔后模具的另一边粘接，抽气管的外端与真空泵连接；
60.将筒体侧壁树脂注入管和抽气管的安装孔内外均采用rtm胶进行密封，其他暂未使用的安装孔用橡胶塞堵住。
61.(4)用真空袋将模具密封。
62.(5)关闭树脂注入管道，开启抽气管连接的真空泵，当真空袋内的相对压力达到-0.92bar时，关闭真空泵，等待10分钟，观察抽气管上压力表读数的变化情况，若10分钟内压力表读数减小，则再次对所有连接节点压实密封，再次等待10分钟，重复该过程直至压力表读数不再随时间变化。
63.(6)将步骤(1)打开的装配整体件与连接法兰重新连接固定。
64.(7)充模
65.将抽气管道和气管接头所连接管道同时接入真空泵，开启真空泵，调节压力至真空压力表显示为预设真空度，然后打开树脂注入管道，将树脂注入管道插入已调配好的树脂里，树脂在大气压作用下开始浸润真空袋内的纤维层，当树脂完全浸润纤维层后，关闭真空泵和抽气管道，恢复压力室内的气压。
66.(8)固化
67.将气管接头连接到空气压缩机，向压力室内注入高压气体，通过真空压力表读取压力室内的压力，压力达到预设值后，关闭开关阀和空气压缩机，室温条件下保压12小时，直至树脂基本固化。固化完成后，打开开关阀，卸掉压力室内的压力。再在室温条件下静待树脂自然固化12小时。
68.(9)将顶板、玻璃板和压环装配整体件从筒体上端打开，在靠近模具处切断树脂注入管道和抽气管道，取出模具，拆掉树脂注入管道和抽气管道，用无水乙醇将压力室所有粘贴过rtm胶的地方擦拭清洗干净，便于压力室下次使用。
69.(10)将模具送入鼓风干燥箱中80℃加热固化8小时，完成后取出模具，撕掉真空
袋，rtm密封胶，脱模布，从模具上取下固化后的产品毛坯，对毛坯切割、修边，得到最终产品。
70.(11)用无水乙醇全面擦拭清洗模具，便于下次使用。
71.本压力调控装置主要包括气密性好、顶盖部分可拆卸装配的压力室及压力室可拆卸连接的压力调节组件。压力室的结构在保证密封性的基础上，便于模具的放入和取出，压力调节组件可为压力室内提供负压环境，也能提供正压环境。在vartm工艺充模阶段，将压力室内抽取一定真空度，压力室内抽相对真空，使真空袋内外压力相当，纤维预制件相对松弛，树脂流动更快速，缩短产品生产周期，纤维的浸润效果也更好。在保压固化阶段，压力室内充入高压气体，通过外部加压排出真空袋内残留的气体和多余的树脂，避免从真空袋内部抽取时将树脂过多的抽走，导致产品疏松干燥。压力室内可以将压力加到更大，进一步压实纤维层，减小产品的厚度，降低孔隙率，提高纤维体积分数和产品力学性能，避免真空抽取时最高只有一个大气压压力的局限性。压力调节组件能定量控制抽取的真空度和充入气体的压力，可用于研究压力室内的压力对vartm工艺生产效率和产品性能参数的影响。
技术特征：1.一种增强vartm工艺的压力调控装置，其特征在于：该装置包括装配式压力室和其侧壁可拆卸连接的压力调节组件，装配式压力室的上端设置有透明的观察窗、侧壁设置有树脂注入管和抽气管的安装孔。2.如权利要求1所述的增强vartm工艺的压力调控装置，其特征在于：所述装配式压力室的整体形状为圆筒形，其筒体下端与底板焊接固定，筒体上端固定连接法兰，顶板与连接法兰通过紧固件可拆卸密封连接固定。3.如权利要求2所述的增强vartm工艺的压力调控装置，其特征在于：所述连接法兰的顶面设置有下凹的环形槽，所述顶板的底面设置有上凹的环形槽，两环形槽之间嵌装密封圈，且顶板和连接法兰之间固定后，密封圈处于挤压状态。4.如权利要求2所述的增强vartm工艺的压力调控装置，其特征在于：所述顶板的中心位置设置有观察孔，观察孔周围通过紧固件可拆卸连接压环，压环和顶板之间嵌装透明的玻璃板，玻璃板与顶板和压环之间的接触面涂抹玻璃胶。5.如权利要求2所述的增强vartm工艺的压力调控装置，其特征在于：所述筒体的不同位置分别设置树脂注入管和抽气管的安装孔。6.如权利要求1所述的增强vartm工艺的压力调控装置，其特征在于：所述压力调节组件包括转接头及其外端连接的三通接头，三通接头的一端连接真空压力表，另一端依次连接开关阀和调压阀，调节阀的出口连接气管接头。7.如权利要求6所述的增强vartm工艺的压力调控装置，其特征在于：所述转接头与所述筒体侧壁螺纹连接。8.一种利用权利要求7所述装置进行产品成型制备的方法，其特征在于：在充模过程中，压力室内抽真空，加速树脂的流动；在保压固化过程中，压力室内充高压气体，进一步压实纤维层，减小制品厚度和提高力学性能。9.如权利要求8所述的方法，包括以下步骤：(1)将压力室顶板与玻璃板及压环的整体件从连接法兰处卸下；(2)将模具放入压力室内，依次在模具上粘贴rtm密封胶、涂抹脱模材料、铺放纤维层、铺放脱模布和粘贴真空袋，将树脂注入管内端和抽气管内端分别穿过压力室侧壁上的安装孔与模具固定，与安装孔之间的间隙用rtm胶密封，未使用的安装孔进行封堵；(3)关闭树脂注入管道，开启抽气管连接的真空泵，当真空袋内的相对压力达到负压设定值时，关闭真空泵，等待设定时间，观察抽气管上压力表读数的变化情况，若设定时间内压力表读数减小，则再次对所有连接节点压实密封，再次等待设定时间，重复该过程直至压力表读数不再随时间变化；(4)将步骤(1)拆卸的整体件与连接法兰密封连接固定；(5)将抽气管和气管接头所连接的管道均接入真空泵后开启真空泵，调节压力至真空压力表显示为预设真空度；(6)打开树脂注入管，将树脂注入管插入已调配好的树脂里，树脂在大气压作用下开始浸润真空袋内的纤维层，当树脂完全浸润纤维层后，关闭真空泵和抽气管道，拔掉真空泵上气管接头所连接的管道，恢复压力室内的气压；(7)将气管接头所连接的管道接入空气压缩机，向压力室内充入高压气体，通过调压阀使压力室内的压力达到预设值，关闭空气压缩机和调压阀；
(8)在室温条件下静待树脂自然固化设定时间，然后在靠近模具处切断树脂注入管道和抽气管道，取出模具；(9)将模具送入鼓风干燥箱中按设定温度加热固化设定时间，完成后取出模具，撕掉真空袋，rtm密封胶，脱模布，从模具上取下固化后的产品毛坯；(10)对毛坯切割、修边，得到最终产品。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，相对真空度的调节范围为0-(-0.92)bar，压力调节范围为0-0.3mpa，等待的设定时间为10-15分钟；步骤(7)中，自然固化时间为12-18小时；步骤(8)中，鼓风干燥箱内的设定温度为80-85℃，加热固化时间为8-12小时。
技术总结本发明公开了一种增强VARTM工艺的压力调控装置及其应用方法，装置主要包括气密性好、顶盖部分可拆卸装配的压力室及压力室可拆卸连接的压力调节组件。在保证密封性的基础上，便于模具放入和取出，压力调节组件可为压力室内提供负压环境和正压环境。充模阶段，将压力室内抽取一定真空度，使真空袋内外压力相当，纤维预制件相对松弛，树脂流动更快，缩短产品生产周期，纤维浸润效果更好。保压固化阶段，压力室内充入高压气体，通过外部加压排出真空袋内残留的气体和多余的树脂，避免从真空袋内部抽取时将树脂过多的抽走，导致产品疏松干燥。压力室内可将压力加到更大，进一步压实纤维层，减小产品厚度，降低孔隙率，提高纤维体积分数和产品力学性能。数和产品力学性能。数和产品力学性能。
技术研发人员：申儒林 刘和华 龚艳玲
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.07.14
技术公布日：2022/11/1
