磁铁辅助复合制造: 真空袋/糊化过程中实现高固结压力的一种柔性新技术

该程序的总体目标是使用磁铁辅助复合材料制造或 MACM 技术，通过在层压板制造过程中施加高固结压力来显着提高湿法铺层真空袋复合材料层压板的质量。这种技术的主要优点是它是一种低成本、简单的复合材料层压板制造方法，可用于相对容易地制造大型、几何复杂的零件。该方法不仅适用于湿法层真空袋工艺，还适用于其他复合材料制造技术，例如热压罐外预浸料固化和真空辅助树脂传递成型。

如果没有视觉演示，层准备和磁体的布置和放置是很难学习的。我们相信这个演讲将帮助其他研究人员实施 MACM 来制造高性能的复合层压板。要开始该程序，请小心地将 25 个 1 英寸 x 1 英寸 x 1/2 英寸的 N52 钕铁硼永磁体以 5 x 5 的方形配置交替极性放置在 12 英寸 x 6 英寸 x 3/16 英寸的磁性钢板上。

使用旋转织物切割机切割六层 8 英寸 x 6 英寸的平纹玻璃纤维，然后以 350 rpm 的速度将 40 克环氧树脂和 10.96 克树脂固化剂搅拌在一起，直到完全混合。对树脂进行脱气 15 分钟，以去除混合过程中引入的滞留空气。然后，将一个 0.3 毫米厚的 8 英寸 x 6 英寸铝制填缝板预先涂有 PTFE 脱模剂，放在 10 1/2 英寸 x 8 1/2 英寸穿孔离型膜的中心。

用半英寸宽的聚酯胶带将填缝板的边缘粘在离型膜上。接下来，将背胶柔性硅胶加热片固定在 1/4 英寸厚的 400 系列工具钢板的一侧。在钢板的另一侧覆盖 17 英寸 x 11 英寸的区域，用 0.003 英寸厚的无孔 PTFE 涂层玻璃纤维离型膜覆盖。

用专为真空袋装设计的 1/2 英寸宽的双面密封胶带勾勒出该区域。在 6 英寸 x 8 英寸的区域上涂抹足够的脱气树脂，以润湿单层平织玻璃纤维。将单层织物放在树脂上，然后用滚筒压出多余的树脂。

将额外的树脂倒在织物上，然后使用刮刀将树脂涂抹在织物上，直到纤维床完全饱和。对剩余的 5 层玻璃纤维重复此过程，每层使用大致相同量的树脂。然后，将填缝板放在纤维预制棒上。

用聚酯胶带粘住所连接的离型膜的边缘。在离型膜顶部放置两层 16 英寸 x 10 英寸的透气布。将两件式铝制扭锁真空阀的底部放在通气布上，确保阀门距离饱和预成型件至少 6 英寸或 15.3 厘米，以避免接触过多的树脂。

取下密封胶胶带背衬。将真空袋膜放在组件上，并将边缘牢牢地压在密封胶带上。然后，将真空阀的顶部连接到配备有压力调节器的真空泵。

在真空袋薄膜的阀门底部切一个小缝。将阀门的顶部插入底部，轻轻扭动顶部以将其锁定到位，而不会使真空袋起皱。启动真空泵，等待压力稳定在 93 千克帕斯卡，然后检查系统是否有泄漏。

将底板的所有四个侧面夹在支撑底座上，以固定组件。让层压板在室温下在恒定真空下固化 45 分钟。然后，小心地将永磁体阵列放在真空袋上，注意确保磁体与纤维堆栈正确对齐。

以每分钟 5 摄氏度的速度将底板的温度升高到 60 摄氏度。在该温度下将层压板固化 8 小时。固化完成后，释放真空，取出真空袋，然后对复合层压板进行脱模。

要开始测量程序，请将钢底板固定到配备 1， 000 磅力称重传感器和线性可变差动变压器的机械测试仪器的可移动横杆上。将钢制顶板连接到称重传感器上。确保底部钢板与顶板的距离至少为 25 毫米。

然后，小心地将一个钕铁硼永磁体放在底板上。开始以每分钟 1 到 2 毫米的速度向上移动底板。记录产生的磁力和随时间变化的位移。

继续监测磁压实力测量值，直到磁体几乎接触顶板。然后，停止测试并计算磁压实压力与间隙的关系。要开始密度测定，请根据 ASTM 规格从层压板样品中切割三个样品。

将每个标本放入装有 300 毫升水性透明重液的烧杯中。将复合样品放入烧杯中，确保样品漂浮在液体上。向液体中加入 3 毫升蒸馏水，并以 1， 000 rpm 的速度搅拌溶液 5 分钟。

继续以这种方式加水，直到复合试样悬浮在混合物中，表明溶液的密度等于试样的密度。使用比重杯测定溶液的密度。要开始填料燃尽程序，请将每个样品放入单独的瓷坩埚中。

测量并记录试样和坩埚的重量，然后将坩埚放入熔炉中。以每分钟约 10 摄氏度的速度将炉子加热至 1， 112 华氏度或 600 摄氏度，然后让树脂燃烧四个小时。然后，关闭炉子并小心地打开炉门。

让炉子冷却至室温。然后，从炉中取出冷却的坩埚，称量回收的玻璃纤维，以计算纤维和树脂的重量分数。钕铁硼磁体产生的测得磁压与板之间间隙的函数关系与供应商提供的数据表非常吻合，证实了在固化过程中，随着叠层厚度的减小，对层压板施加的磁压增加。

在固结过程中，两种无规毡层合板的铺层厚度适度降低，导致磁压显著增加。平纹层压板铺层厚度仅略有下降，导致固结过程中磁压略有增加。施加 0.2 至 0.4 兆帕斯卡范围内的磁压实压力显着降低了平纹和无规毡玻璃纤维层压板的平均层压板厚度。

这反映在富含树脂的区域和空隙体积的显著减少上。在多个填料系统中观察到了这种变化。与传统生产的层压板相比，用 MACM 制造的层压板的纤维体积分数增加和空隙体积分数降低，导致弯曲强度和弯曲模量得到显着改善。

看完这个视频后，您应该对在湿法叠层真空袋工艺中层压板固化过程中如何使用永磁体施加高固结压力有了很好的了解。高固结压力大大增强了这些复合材料层压板的性能。我们对磁压在制造结构性、高性能复合材料层压板中的应用感到非常兴奋。

我们相信这种方法可以用于其他复合材料制造工艺。在布置和放置永磁体时不要忘记格外小心，因为它们会产生非常高的压力。执行此程序时，应始终采取预防措施，例如佩戴抗冲击手套。