阅读说明：本技术 等静压侧压力防护的复合材料固结 (Isostatic side pressure protected composite consolidation ) 是由 D·汤普森 于 2018-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于由复合层压堆叠材料制造弹道制品的模具,其中所述模具具有滑动密封部分,所述滑动密封部分套入外部圆周部分和基部,以便防护复合层压堆叠材料的侧部在压热器中时免于受到施加的等静压力。通过防护复合层压堆叠材料的侧部,可以将多余的树脂基质材料从复合层压堆叠材料中压出,以提供重量减轻且厚度减小的均匀的复合制品。(A mold for making a ballistic article from a composite laminate stack material, wherein the mold has a sliding seal portion that nests over an outer circumferential portion and a base portion to shield sides of the composite laminate stack material from an applied isostatic pressure while in an autoclave. By shielding the sides of the composite laminate stack material, excess resin matrix material can be pressed out of the composite laminate stack material to provide a uniform composite article with reduced weight and thickness.)

等静压侧压力防护的复合材料固结

背景技术

多年来，热塑性材料和热固性材料为了形成复合层压制品的固结已经通过同时施加高压和高温而被实现。这种固结过程通常应用于具有热调节压板的液压机中，或者应用于具有加压和热调节气体的压热器中。

在装配有热调节压板的液压机内对层压制品的固结(通常被称为“液压轴向压制”)通常允许施加高量级的固结压力，这些固结压力被引导通过相对的刚性表面。这种高量级的固结压力通常与高性能复合层压制品的制造有关。在一些领域种，例如在防弹层压制品的制造中，液压轴向压制可以制造具有相对较高的抗穿透性的复合制品。然而，液压轴向压制也具有局限性，例如低生产率、昂贵的工具以及与弹道测试结果相关的相对较高的标准偏差(SD)。

在含有加压和热调节气体的压热器内的层压制品的固结(通常称为“压热处理”)通常允许施加低量级的固结等静压力。这种压热工艺在工业中被广泛使用，并且与大型零件的生产以及大量零件的批量生产有关。在一些领域中，例如防弹层压制品的制造中，压热处理会受到限制，例如需要相对较高比例的基质(树脂)以获得足够的层压固结。最重要的是，压热处理与提供相对较低的抗穿透性的复合制品的制造有关。

压热处理工艺的一种取代工艺是用气态流体代替液态流体，然后用液压施加固结压力代替气动施加固结压力。在这种应用中，包含加压液态流体的处理空间被称为液压釜，而所述过程被称为“液压热处理(hydroclaving)”。如美国专利US 8,979,523 B2中所公开的，在已知的复合固结过程中采用液压热处理的形式。该过程将压热处理的生产效率与液压轴向压制机的高量级的固结压力相结合。

WO2008/098771记载了一种用于制造模制制品的方法，该方法使用已知的等静压加压工艺以在非常特定的状态下使一堆层压材料固结，包括将所述一堆特定的层压材料和粘合剂放置于等静压加压装置中并在特定的压力和高温下进行固结。

已经发现，对于防弹层压制品，作用在复合层压制品上的高量级的等静压固结压力的施加可以对所获得的层压制品的抗穿透性产生不利影响。

发明内容

本文所使用的术语仅是为了说明特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。例如，除非上下文另外明确指出，本文所使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”也旨在包括复数形式。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，其指明所述特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。本文所使用的术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合，并且可以缩写为“/”。

为了便于说明，在本文中可以使用诸如“下方”、“在….之下”、“下部”、“上方”、“上部”和类似术语的空间相对术语，以便于说明一个元件或特征与另外的(多个)元件或(多个)特征的关系，如图所示。将理解的是，除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图涵盖装置在使用或操作时的不同方位。

本发明已经被特别设计为向为堆叠材料的复合层压制品的侧壁提供固结压力的防护，所述为堆叠材料的复合层压制品可以是或可以不是作为合成纤维的预浸材料，例如但不限于芳族聚酰胺(例如，)、高模数聚乙烯(HMPE)材料(例如，)、高模数聚丙烯(HMPP)、的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)(例如，)、或者在通过等静压固结下的其它适当的弹道层压材料。如果需要，树脂化合物层可以是堆叠体中的层。当侧壁被防护时，作用在层压制品的其余表面上的压力提供压紧，所述压紧用于使层压制品在其侧壁处挤出，其作用在于随后拉紧增强的纤维。所获得的层压制品在保持相同体积的同时在其主要尺寸上更薄且略微拉长。增强纤维的这种拉紧对所获得的层压制品的抗穿透性具有有益的作用，其中当与相对较低的标准偏差(SD)结合时产生出色的性能，该相对较低的标准偏差与用于等静压固结层压制品的弹道测试结果相关联。

根据本发明的一个实施例的等静压侧压防护(ISPS)复合材料固结包括固定装置，所述固定装置防护层压制品的侧壁免受压力，同时将层压制品和固定装置一起暴露于等静压力。

优选地，所述固定装置包括圆周侧壁部分，并且提供层压制品侧壁的压力防护、控制层压制品的曲率的封闭的型面部分、和密封部分。圆周侧壁部分可以根据需要采用任何这种形状。

优选地，所述密封部分包含开口，所述开口允许将等静压力直接施加到除其接触的层压制品表面的周边之外的所有部分。

优选地，所述封闭的型面部分和所述密封部分都接触所述圆周部分和非侧壁层压制品表面，并且在所述圆周部分和层压制品的侧壁之间形成密封空隙。所述密封部分和所述封闭的型面部分能够在压力下朝向彼此移动，并且优选地，所述密封部分和所述封闭的型面部分的相对表面是相同轮廓的偏移，所述偏移由层压制品的厚度决定。

在本发明的各种实施例中，可以将所述圆周部分和所述封闭的型面部分组合，或者可以将所述圆周部分和所述密封部分组合。

在操作中，层压制品和所述固定装置通常被封闭在可重复使用的硅酮隔膜中并被热封在一次性塑料袋中，在真空下与内容物和围绕物熔合。所述硅酮隔膜可以包括多个单独的部分，并且理想地被预先形成以精确地配合层压制品和所述固定装置。所述硅酮隔膜足够柔软，以便将施加的压力传递到暴露的层压制品和所述固定装置的表面，而没有明显的等静压特性损失。理想的是在XTEKLimited的XTclave^TM复合材料固结过程中，包含所述硅酮隔膜、所述固定装置和层压制品的热封的所述一次性塑料袋被同时并受控地循环通过施加升高的等静压力和温度来对层压制品进行ISPS固结。随后从热封的所述一次性塑料袋、所述硅酮隔膜和所述固定装置中提取层压制品，并且典型地对其进行精加工。

优选地，所述圆周部分、所述封闭的型面部分和所述密封部分由刚性且坚固的材料构成，例如金属、金属合金或复合材料。进一步优选地，这些材料应该具有有利的导热性。本发明的各种成功的实施例已经使用了被设计用于耐高温复合材料加工应用的钢合金(AS1444-1996-4140)、铝合金(ASTM B 209 6061-T6)和碳纤维增强环氧树脂基质(GMSComposites EP-250)。已经发现有利的是使用润滑剂，例如包含二硫化钼的锂基润滑脂，以辅助所述密封部分和所述圆周部分之间的运动。

优选地，圆周侧壁部分是非圆形的。

优选地，向固定装置施加压力的作用是封闭所述圆周部分和所述密封部分以及封闭型面部分之间的交界面。进一步优选地，所述密封部分被设计成在压力下弹性变形以保持与所述圆周部分的接触。利用施加的压力激发密封作用能够改进功能和可靠性。

对于使经历ISPS复合材料固结的层压制品经历流动性，有利的是将隔膜定位在所述密封部分和层压制品之间。优选地，该所述膜在层压制品的整个表面上延伸。这种所述隔膜用于使层压制品在其与所述密封部分的交界面的周边处的标记最小化。本发明的各种成功的实施例已经使用薄(0.2mm)黄铜(Alloy C26000)和聚碳酸酯(0.5mm)材料用于这种所述隔膜。最重要的是，这种隔膜必须足够柔软，以将施加的压力传递到暴露的层压制品上，而不会有明显的等静压特性损失。

在本发明的另一种形式中，具有一种通过固结层压堆叠体用于弹道制品的模具，所述模具包括：

滑动密封部分；和

基部型面部分，所述基部型面部分具有沿圆周向上延伸的侧壁，所述侧壁具有内表面和基部型面表面；

沿圆周向上延伸的侧壁具有大于待固结的层压堆叠体的外部尺寸的内部尺寸；

其中，滑动密封部分与沿圆周向上延伸的侧壁的内表面形成滑动配合。

优选地，密封部分使层压堆叠体的侧面免于受到外部压力。

优选地，基部型面部分的沿圆周向上延伸的侧壁的内部尺寸比待固结的层压堆叠体的外部尺寸大0.001mm至25mm。

优选地，密封部分为环或带。

优选地，滑动密封部分为具有成角度轮廓的环或带。

优选地，滑动密封部分为具有倾斜轮廓的环或带。

优选地，滑动密封部分为具有“L”形轮廓的环或带。

优选地，密封部分为具有基本一致的轮廓的环箍或带。

优选地，密封部分是可变形的。

优选地，基部型面部分为两件式。

优选地，基部型面部分为两件式，包括基部型面部分和圆周侧壁部分。

优选地，模具为模制工具。

在本发明的另一种形式中，提供一种制备模制品的方法，包括以下步骤：形成层压材料的堆叠体；

提供等静压加压装置；

将层压材料的堆叠体放到模具中，模具具有滑动密封部分；和

基部型面部分，所述基部型面部分具有沿圆周向上延伸的侧壁，所述侧壁具有内表面和基部型面表面；

基部型面部分的沿圆周向上延伸的侧壁具有大于待加固的层压堆叠体的外部尺寸的内部尺寸；

向滑动密封环的外表面施加等静压力，

其中，滑动密封部分在等静压力下与沿圆周向上延伸的侧壁的内表面形成滑动配合。

优选地，模制品为弹道制品。

优选地，密封部分是可变形的。

优选地，层压材料的堆叠体具有顶面、底面和侧面。

优选地，防止等静压力施加到层压材料的侧面。

附图说明

仅通过示例/说明的方式，参照附图说明本发明的实施例，在附图中：

图1是本发明的第一实施例的立体图；

图2是图1所示的实施例的分解立体图；

图3A是沿图1的A-A截取的立体横截面图，其中没有层压堆叠体；

图3B是沿图1的A-A截取的立体横截面图，其中具有层压堆叠体；

图4是本发明的侧部的局部剖视图，其中具有层压堆叠体；

图5是具有层压堆叠体的本发明的第二实施例的局部剖视图；

图6是具有层压堆叠体的本发明的第三实施例的局部剖视图；以及

图7是具有层压堆叠体的本发明的第四实施例的局部剖视图。

具体实施方式

在此使用的术语“层压堆叠体”是指彼此堆叠在上方以形成堆或堆叠体的诸如弹道材料或弹道层压片的材料的堆叠体。

在此使用的术语“预浸料”是指已经预先浸渍有树脂系统或基质的织物材料，例如弹道层压片的弹道材料。

参照图1，示出了本发明的复合固结设备或模具(100)，在组装时，圆周部分(1)紧密地配合在向上延伸的基部型面(39)的上方，圆周部分的表面(40)和(36)之间紧密配合。然后将层压堆叠体(4)放置在开口(37)内，其中层压堆叠体(4)的尺寸小于开口，使得预浸材料的层压堆叠体(4)的侧面(41)与圆周部分(1)的内表面(36)之间在0mm与25mm之间。例如，图4示出在圆周部分(1)的内表面(36)和层压堆叠体(4)的侧面表面(41)之间的间隙＞0mm。

然后，密封部分(3)紧密地配合在圆周部分(1)的开口(37)中，并且在密封部分(3)的外表面(28)和圆周部分(1)的内表面(36)之间滑动配合。密封部分(3)和圆周部分(1)之间的这种紧密配合可以在图3和图4中看到。

参照图2，模具设备(100)包括密封部分(3)、圆周部分(1)和型面部分(基部)(2)。密封部分(3)被成形为在圆周部分(1)内形成滑动配合，该圆周部分然后被成形为与型面部分(基部)(2)的一部分配合。

密封部分(3)具有外表面(28)、内表面(31)、顶部边缘(29)、底部边缘(30)和开口(34)。内表面(31)具有倾斜的斜面(32)和(33)，以提供围绕环箍或带的基本一致的轮廓，在该实施例中，所述轮廓是倾斜或成角度的轮廓，但是也可以是“L”形轮廓，如图5和图7所示。外表面(28)的形状与圆周部分(1)的内表面(36)相匹配，以便在将密封部分(3)***到圆周部分(1)中时提供紧密的滑动配合。密封部分(3)可以由可变形的材料制成，使得施加到密封部分(3)的任何压力都可以在其自身和圆周部分(1)的内表面(36)之间产生被激发的密封。

圆周部分(1)包括彼此平行的外表面(35)和内表面(36)。开口(37)为与密封部分(3)的外表面(28)相匹配的形状，以允许密封部分(3)***所述开口中。

型面部分(基部)(2)在其周边具有凸缘部分(38)，这样圆周部分(1)可以直接放置在凸缘表面(38)上，使得内表面(36)的一部分通过紧密配合邻接型面部分(2)的表面(40)或者与型面部分(2)的表面(40)邻近。型面部分(基部)(2)的表面(39)支持要制造的弹道制品的表面形状。表面(39)可以根据需要为光滑的或者有图案的。如图5所示，表面(39)略微凹入以形成弯曲的弹道制品。其它形状被认为落入本发明的保护范围内。

在图3A中示出沿图1的A-A线截得的复合固结设备或模具(100)的横截面。图3A中的复合固结设备或模具(100)没有任何层压堆叠体，并且示出圆周部分(1)的布置，其中密封部分(3)被滑动地***，使得所述密封部分紧靠内表面(36)嵌入。图3B是与图3A相同的视图，其中具有层压堆叠体(4)。层压堆叠体(4)具有顶面或上表面(54)、底面(55)和侧表面(41)。当圆周部分(1)和型面部分(基部)(2)被放置在一起时，将层压堆叠体(4)放置在圆周部分(1)的开口(37)中，使得层压堆叠体(4)的底面(55)靠在型面部分(基部)(2)的表面(39)上。

然后，密封部分(3)被***到圆周部分(1)的开口(37)中，并且使层压堆叠体(4)的上表面(54)的一部分暴露。圆周部分(1)的开口(37)的内径等于或大于层压堆叠体(4)的外径。当层压堆叠体(4)的外径小于圆周部分(1)的开口(37)的内径时，形成密封的空隙(5)。

然后将组装好的放置有层压堆叠体(4)的复合材料固结设备或模具(100)***到柔性硅酮隔膜(6)中，在真空下密封并***到保护塑料袋(7)中，然后放置到诸如高压的压热器的适当的固结设备中，施加的最终压力可以接着向层压堆叠体(4)的顶面(54)以及密封部分(3)的倾斜斜面(31)施加等静压力，因此为层压堆叠体(4)的侧面(41)提供等静侧压力防护。这样，在固结状态(压力和热量)下，多余的基质(树脂)材料被压迫至层压堆叠体(4)的侧面(41)并进入到密封的空隙(5)中，从而防止等静压力通过固结状态被施加到层压堆叠体(4)的侧面(41)。

参照图4，其示出本发明的等静压复合材料固结设备或模具(100)的局部剖视图，显示出固定装置或者复合材料固结设备或模具，其包括圆周部分(1)、封闭的型面部分(2)和密封部分(3)，包含层压堆叠体(4)。密封的空隙(5)很明显。固定装置被容纳在为两部分的硅酮隔膜(6)内，所述硅酮隔膜被容纳在密封的塑料袋(7)中。本发明的这种形式是模块化的，因为其允许采用在固结不同厚度的层压堆叠体时所需要的封闭的型面部分(2)的替代形式。

图5是本发明的第二实施例的局部剖视图，示出固定装置，所述固定装置包括与封闭的型面部分(8)和密封部分(9)结合的圆周部分，包含层压堆叠体(10)。密封的空隙(11)是明显的。固定装置被容纳在硅酮隔膜(12)中，所述硅酮隔膜被容纳在密封的塑料袋(13)内。本发明的这种实施例特别是对于层压堆叠体的厚度来说，尽管不是模块化，却是紧凑的。

图6是本发明的第三实施例的局部剖视图，示出固定装置，所述固定装置包括与L形轮廓的密封部分(14)和封闭的型面部分(15)结合的圆周部分，包含层压堆叠体(16)。密封的空隙(17)是明显的。由适当的密封材料(例如，橡胶或其它可变形材料)制成的附加密封环(18)被定位于封闭的型面部分(15)的背面上，以便在封闭的型面部分(15)和L形轮廓的密封部分(14)之间形成牢固的密封。固定装置被容纳在为两部分的硅酮隔膜(19)中，所述硅酮隔膜被容纳在密封的塑料袋(20)内。本发明的这种形式是紧凑的且为模块化的。

图7是本发明的第四实施例的局部剖视图，示出了固定装置，所述固定装置包括与封闭的型面部分(21)和密封部分(22)相结合的圆周部分，包含层压堆叠体(23)。平坦密封膜(24)被定位于密封部分(22)和层压堆叠体(23)之间，以在密封部分(22)和层压堆叠体(23)之间产生密封作用。平坦密封膜(24)可以与所公开的本发明的任何形式结合使用，以增强层压堆叠体与任何相邻密封表面之间的所述密封作用。密封的空隙(25)是明显的。固定装置被容纳在硅酮隔膜(26)中，而所述硅酮隔膜被容纳在密封的塑料袋(27)内。本发明的该实施例采用附加隔膜(24)，以使层压堆叠体(23)在其与密封部分(22)的交界的周边处的标记最小化。

与通过已知的等静压方法和设备生产的类似弹道制品相比，通过允许将过量的预浸基质材料从层压堆叠体的主体中挤出，由本发明形成的弹道制品被示出具有明显改进的防弹性能。另外，由本发明形成的弹道制品也比由其它等静压方法制得的弹道制品更薄且更轻，因此相对于已知的弹道制品提供了显著的改进。