磁辅助复合材料制造：一种在真空袋/铺层工艺中实现高固化压力的灵活新技术

本实验的主要目标是采用磁辅助复合材料制造（MACM）技术，在层压板成型过程中施加高固化压力，从而显著提高湿法铺层真空袋复合材料层压板的质量。该技术的主要优势在于，它是一种低成本、操作简单的复合材料层压板制造方法，能够相对容易地制备尺寸较大、几何形状复杂的构件。该方法不仅广泛适用于湿法铺层真空袋工艺，还可应用于其他复合材料制造技术，例如非热压罐预浸料固化和真空辅助树脂传递模塑成型。

若无视觉演示，层材制备以及磁体的排列与放置难以掌握。我们认为，本演示将有助于其他研究人员应用MACM技术制备高性能复合材料层压板。开始操作时，将25块尺寸为1英寸×1英寸×1/2英寸的N52钕铁硼永磁体，以极性交替的方式，小心地排列成5×5的方阵，置于一块12英寸×6英寸×3/16英寸的磁性钢板上。

使用旋转式布料切割器切割六层 8 英寸 × 6 英寸的平纹玻璃纤维，然后在 350 rpm 条件下搅拌 40 克环氧树脂和 10.96 克树脂固化剂，直至完全混合。将树脂脱气 15 分钟，以去除混合过程中混入的空气。接着，将一块预先涂有聚四氟乙烯（PTFE）脱模剂、厚度为 0.3 毫米、尺寸为 8 英寸 × 6 英寸的铝制压板放置在 10.5 英寸 × 8.5 英寸穿孔脱模膜的中央位置。

使用宽约1.27厘米的聚酯胶带将脱模板的边缘固定在脱模膜上。接着，将带背胶的柔性硅胶加热片固定在一块厚度为0.635厘米的400系列工具钢的一侧。在钢块的另一侧，用厚度为0.076毫米的无孔聚四氟乙烯涂层玻璃纤维脱模膜覆盖一个17英寸×11英寸的区域。

使用专为真空袋压成型设计的1/2英寸宽双面密封胶带勾勒出区域轮廓。在6英寸×8英寸的范围内涂抹适量的脱气树脂，以浸润一层平纹玻璃纤维织物。将一层织物放置于树脂上，用辊筒压实并挤出多余的树脂。

在织物上倒入额外的树脂，并使用刮板将树脂均匀涂布在织物表面，直至纤维层完全浸润。对剩余的五层玻璃纤维重复此过程，每层使用大致相同量的树脂。然后，将压板放置在纤维预制体上。

用聚酯胶带将附带的脱模膜边缘固定。在脱模膜上放置两层尺寸为16英寸×10英寸的透气布。将两件式铝制扭锁真空阀的底座放在透气布上，确保阀体距离饱和预制件至少6英寸（15.3厘米），以避免与多余的树脂接触。

移除密封胶带的背衬。将真空袋膜覆盖在组件上，并将边缘牢固地压紧在密封胶带上。然后，将真空阀的上部连接至配备压力调节器的真空泵。

在真空袋薄膜的阀门底座位置切开一个小缝。将阀门的上部插入底座中，并轻轻旋转上部，使其锁定到位，同时避免真空袋产生褶皱。启动真空泵，待压力在93千帕稳定后，检查系统是否漏气。

将底板的四边全部夹紧在支撑基座上，以固定组件。在恒定真空条件下于室温下固化层压材料45分钟。然后，小心地将永磁体阵列放置在真空袋上，注意确保磁体与纤维层堆叠位置正确对齐。

以每分钟5摄氏度的速率将底板温度升至60摄氏度。在此温度下固化层压板8小时。固化完成后，释放真空，移除真空袋，并脱模复合层压板。

开始测量程序时，将一块钢制底板固定在配备1,000磅力载荷传感器和线性可变差动变压器的力学测试仪器的可移动横梁上。将一块钢制顶板连接到载荷传感器上。确保钢制底板与顶板之间的距离至少为25毫米。

然后，小心地将一块钕铁硼永磁体放置在底板上。以每分钟一至两毫米的速度开始向上移动底板。记录随时间变化的磁力和位移。

持续监测磁力压缩力的测量值，直至磁铁几乎接触到顶板为止。然后停止测试，并计算磁力压缩压力与间隙的关系。开始进行密度测定前，按照ASTM标准从层压样品上切割出三个试样。

将每个样本放入含有 300 毫升水性透明重液的烧杯中。将复合样本置于烧杯内，并确保样本漂浮在液面上。向液体中加入 3 毫升蒸馏水，并以 1,000 转/分钟的速度搅拌溶液 5 分钟。

以这种方式继续加水，直至复合材料试样悬浮于混合液中，表明溶液的密度等于试样密度。使用比重杯测定溶液的密度。开始树脂烧蚀程序时，将每个试样分别放入一个瓷坩埚中。

测量并记录试样及坩埚的重量，然后将坩埚放入马弗炉中。以每分钟约10°C的速率将炉温升至1,112华氏度（600摄氏度），使树脂燃烧4小时。之后关闭马弗炉，并小心打开炉门。

让炉子冷却至室温。然后从炉中取出已冷却的坩埚，称量回收的玻璃纤维，以计算纤维和树脂的质量分数。钕铁硼磁体产生的磁压力实测值随板间间隙的变化与供应商提供的数据表吻合良好，证实了在固化过程中，随着叠层厚度的减小，施加在层压板上的磁压力随之增加。

两种短切毡层压板在固化过程中铺层厚度的适度减小，导致磁压力显著增加。平纹织物层压板的铺层厚度仅略微减小，因此在固化过程中磁压力增加较小。施加0.2至0.4兆帕范围内的磁压压实压力，可显著降低平纹织物和短切毡玻璃纤维层压板的平均厚度。

这体现在富树脂区域和孔隙体积的显著减少，且该变化在多种树脂体系中均被观察到。采用MACM制备的层压板具有更高的纤维体积分数和更低的孔隙体积分数，因而其弯曲强度和弯曲模量相较于传统方法制备的层压板均有显著提升。

观看本视频后，您应能充分理解如何在湿法铺层真空袋工艺中利用永磁体在层压板固化过程中施加高固化压力。这种高固化压力显著提升了复合材料层压板的性能。我们对磁压技术在制造结构型高性能复合材料层压板中的应用前景充满期待。

我们认为，该方法可应用于其他复合材料制造工艺中。在排列和放置永磁体时务必格外小心，因为它们会产生非常高的压力。进行此操作时，应始终采取佩戴抗冲击手套等预防措施。