预开槽泡沫材料板的制造方法 本发明涉及复合材料板预开槽泡沫材料的制造方法，更具体地，涉及制造带泡沫材料边缘板的复合材料蜂窝芯板的方法，该方法消除了由于从板的表面层所用的树脂预浸渍材料释气引起的制造缺陷。
为提高飞机内部设置板的阻燃性能而对其进行的一种改良，主要是改进了用于构成板表层的树脂预浸渍材料所用的树脂化学成分。酚醛树脂系统能提供所需的阻燃性，但由于树脂固化过程中生成的大量挥发性物质，也就产生了制造问题。为防止在板内部形成过高压力，而这种过高压力会使板的面板与其芯难以粘合，在制造过程中必须容留处理增加生成的大量挥发性物质。
这种板材由泡沫边材包裹的蜂窝芯组成，在面板之间刚性粘接，面板位于板材的每一侧面，由一层或多层树脂预浸渍纤维材料(预浸材料)组成。构成板材的组件由形成面板的预浸胶中的树脂和蜂窝芯板中的树脂粘接在一起。考虑到雕刻和外形边缘的需要，泡沫边缘能为板材的周边提供整洁统一地固体边缘表面，而蜂窝芯材是不具备的。
虽然泡沫边具备上述所需的功能，但它也生成了一道屏障，阻止了挥发性物质的溢出，挥发性物质是构成面板的或/和蜂窝芯制造用的预浸渍材料中树脂固化过程中生成的。在烘箱中固化板材时，固化预浸渍面板中树脂的加热趋向于首先加热板材的最外边缘和顶部，这样就会在板材的其它部分中所有挥发性物质生成之前，在整个周期内相对较早的时间时，树脂在外缘流动并在面板和泡沫边之间形成一个密封层，这时上述的屏障作用犹为明显。然后，继续加热，烘箱中板材的内部和底部温度升高，树脂固化，在泡沫边和面板之间沿外缘先前生成的密封层就会将板材内部生成的挥发性物质局限在其内部。
解决树脂固化过程中挥发物生成时板内部通气需求的一个方法是沿径向在泡沫边上开缝，提供从板内部到泡沫边外边缘的气体通道。该技术通常证明是成功的，但由于开缝的深度及缝间间距的不同，确信由于固化时板中过高内压导致的故障仍以令人难以接受的频率不时发生。而且，在工厂中一块看起来满足质量要求的板，一旦到达某高度，其气压低于密封板内的气压，板常常会产生会层。最后一点，手工开缝技术十分耗时，高成本，非复制性，是工作工人所讨厌的沉闷冗长的工作。而且，用锯进行手工开缝时，会产生不希望有的泡沫碎沫，并在泡沫上生成小裂纹和撕裂，这会增大应力，使泡沫边缘的强度低于预期值。
所以，需要一种预开缝泡沫板材料，可用于制造复合材料板的泡沫边，它应具备优化的开缝形式，从板的内部至外部提供气流通道，以排放制造过程中板内的挥发物。当泡沫边材从泡沫板上切下时，无论以什么角度切割，这种开缝构形应是同等有效的。开缝构形不应明显削弱泡沫边。如果可能，泡沫表面的气体开缝应该可以松驰并在制造的后期至少部分填充以便使板内部密封，从而在用于飞机上时防止湿气和其它杂质的吸入。最后，这种预开缝泡沫应该不太昂贵，最好是比手工开缝方法成本低。
因此，本发明的目的在于提供一种改良的预开缝泡沫板，它具有凹缝布局，为复合材料板制造过程中生成于内部的挥发性物质提供通气孔，以防止板内形成过高气压，这种过高气压在制造过程中会影响板组件间的正常粘接。本发明的另一目的在于提供一种制造复合材料板的改进方法，它利用预开缝泡沫边缘为用于制造板的树脂固化过程中产生的挥发性物质提供通气孔。本发明又一个目的是提供一种预开缝泡沫板的制造方法，它将凹缝构型压入用作复合材料板泡沫边的泡沫板的表面，该过程保持了板的强度，避免了产生碎尘，并避免了在泡沫板中产生影响其强度和使用寿命的应力增长因素。本发明的另又一个目的是提供一种复合材料板，使用时，其外围是密封的以防杂质的吸入，但在制造过程中，它有通气道供制造复合材料板的材料中所用的树脂产生的或出现的挥发性物质溢出。本发明的再又一个目的是提供一种预开槽泡沫板的方法，为产生于复合材料板芯内的挥发性物质制造排气通道，该方法在排放这种挥发性物质时是可靠有效的，同时通道可张弛并可方便地密封板的外围边缘以防止杂质吸入。
本发明的这些和其它一些目的是在一种用于板制作的预开槽泡沫中实现的，其中泡沫板的表面有三组平行线凹槽，每一组与另两组方向成60°，用激光、超声刀、成型轧滚、平板模、锯系统或其它类似工具滚轧、锯切或模压泡沫表面形成。优选轧滚压入系统是因其将凹槽压入板中而不产生应力增大因素。在制造过程中，板芯中生成的气体通过泡沫板表面的凹缝排到板之外，防止了板内生成过高压力。为可靠地连接，将板内抽真空以便使面板紧紧贴在蜂窝芯上。加热过程中，泡沫材料松驰并回弹部分地填充凹缝，形成面板的预浸渍材料中的树脂流出将凹缝完全填充，使板的外缘再次密封。残余的或板边缘被面板中流出的树脂密封后产生的挥发性物质由将面板与蜂窝芯材拉到一起的板内预抽真空容纳。
通过阅读以下结合附图对优选实施例的描述，本发明及其目的和优点将能够得到更好的理解，其中：
图1是一块板的顶部面板向后揭开后的透视图，显示了顶部面板的两层，揭示了内部蜂窝芯材，泡沫边缘显示了泡沫板表面中形成的凹槽布局；
图2是图1所示结构的平面图；
图3是图2所示的蜂窝芯元件一角的部分和泡沫边缘一部分的放大平面图；
图4是图1和图2所示的板的组成部件的分解视图，显示了其装在真空袋中在烘箱内进行固化和粘接的装配情形；
图5是泡沫板的平面图，从这种泡沫板上切下各种小片用以构成复合材料板的泡沫边框；
图6是表示图5所示的泡沫板中预压槽构形的典型单元尺寸的平面视图；
图7是各种参数在复合材料板制造过程中随时间变化的大致时序图线；
图8是将图5所示的凹槽构形压入硬泡沫板的滚轧机的示意图；
图9是类似于图4的分解视图，显示了用电加热器而不是烘箱的另一种实施例；以及
图10是图9中组件所用的电加热器的平面示意图。
现在参见附图，其中类似附图标号表示同一个或相应的部件。进一步具体到图1，所显示的板30顶部面板31的一部分向后揭开，以显示板的内部构型。板30由内部组件的两侧覆盖面板31组成。内部组件包括一个平板状的芯组件，如蜂窝芯元件32，以及位于蜂窝芯元件32外围的封闭单元泡沫边缘34，如聚氨酯泡沫。边缘元件34可用若干单块35榫结或在结头36处胶接制成，如图2所示，也可以从一大块泡沫板上整块切下。优选的方案是，泡沫边缘34由若干单块35组成，这是因为不用接头36的整块制成边缘36所造成的费用浪费超过了单块构型的优越性。优选地，单块带角而不是在转角处切断，为保证避免在安装过程中和粘接在面板31之间之前移动，用楔形榫结头连结加固。蜂窝芯元件32是由酚醛树脂、环氧树脂或其它树脂系统预浸渍Nomex纸构成的六边形单元37所构成，如图3所示，单元37的轴垂直于板的平面。此外，蜂窝芯也可用金属箔或热塑性膜构成。
面板31粘贴在芯元件32的两侧面和周边34上。每块面板31由一层或多层制成，通常优选为两层树脂预浸渍编织、纺织或无纺纤维材料，如玻璃纤维织物，Kevalar，石墨或其它类似材料，通常称之为“预浸渍材料”，预浸渍材料中的浸渍树脂将其相互连接并与内部组件粘接在一起。这里预浸渍材料选用的树脂是酚醛树脂，选择它的原因是因其物理特性：阻燃性和耐火性、重量轻、在火焰中散发的有毒气体少、以及其强度和硬度等机械性质。使用其它聚合物系统的预浸渍材料也有类似的板芯压力制造问题，也就可从本发明获益。
虽然酚醛树脂具备预期的物理特性，但在其固化过程中产生大量的挥发性物质，将其用于制造板30也就产生了制造问题。制造板30时，所称的内部元件由蜂窝芯元件32和周边泡沫边34组成，内部元件的每一面上有两块预浸渍胶38，这些构成最后成板的元件40如图4装配在两块放气膜42和42′之间，这个组件夹在两层通气材料44和44′之间。然后整个组件用耐热不透气材料(如酚醛树脂预浸渍材料用的尼龙或环氧树脂预浸渍材料用的PVC)的真空袋46之中，或盖上硅胶层，然后用常规密封材料48与工作台52的上表面50密封连接。通过连接所有的真空口54的通气材料带45，一组真空口54在工作台52表面内经过气体管道56通过连接器58经过真空管路62与如真空泵60等的真空源相连。
操作中，如图4所示的装置用密封材料48将其密封在真空袋46之中，工作台52的上表面50之上。真空泵60通过真空管路62与连接器58相连，并从真空袋64内的密封封闭区中抽出空气。从真空袋46中抽出空气具有双重优点，可以使作用在袋46上表面的大气压力向下压在袋中装配元件上，在上层板38上作用一个向下的压力使它们贴向芯元件32和34并使之贴向底层38′。当在烘箱中加热配件使树脂在预浸渍胶层38和38′中流动时，这种压力对促使元件40粘合在一起是有效的。袋46中成真空的第二个优点是，抽出了蜂窝元件32单元中的空气，从而形成低压巢，则可以容留酚醛树脂发出的剩余气体，下面将会谈到，周边板元件密封之后会使这些气体滞留板内。
当真空袋46内形成真空之后，真空管路从连接器58处断开，装有真空袋46及其装配元件的安装台52与许多相同的工作台和装配真空袋一起移入一个烘箱中。用真空管路56中的单向阀64维持真空袋46中的真空状态，防止空气反向吸入真空袋46中。在烘箱中，连接器58与另一条与真空泵60相连的真空管路64相连，抽出酚醛树脂在烘箱中固化过程中生成的或出现的挥发性气体，并维持大气通过袋46作用在层38和38′上的加固压力。
在烘箱中对电阻加热元件66供电，空气在被元件66加热的循环供气线68中循环，并绕烘箱中真空袋46循环，以加热真空袋及其内部元件以及工作台52。当温度上升时，预浸渍在预浸胶板38和38′中的树脂粘性开始降低并产生流动，浸湿预浸渍板、蜂窝芯元件32的表面边缘以及泡沫边缘34。在这一过程中，预浸渍板38中的酚醛树脂产生大量挥发性物质，主要是水蒸气、甲醛和游离的苯酚，必须为这些物质提供溢出通道，使其不至留在完全粘接在一起后形成的板的内部。除非为这些挥发物质提供排出通道，否则它们将在面板31和31′之间的板芯中形成很大压力，影响板38和38′与蜂窝芯元件32甚至可能与泡沫边缘块34之间的完全粘接。因此，如图5所示，在泡沫边缘块的表面提供了一种凹缝布局。
如图5所示的硬聚胺脂闭合单元泡沫板80，其表面有压入的表面凹缝布局82。该布局形状是三组平行线相互间反向成60°。图5的82A、82B和82C显示了每一组三条组线典型布局。如图所示的，82A组的线性凹缝在板80中沿板的纵轴向平行，而82B组和82C组分别相对于82A在右边和左边成60°。如图所示，整个布局中，线性凹缝82A、82B和82C都只单点相交，但已经作的布局是在任何一点仅有两条线相交。
如图6所示，板80中的线性凹缝82构成了一系列相邻的等边三角形84。针对所制板的尺寸，线性凹缝间的间距的为13/4英寸，这样构成的等边三角形的所有侧边长都约为2英寸。发现这种尺寸能制成很好的通风道组，用于酚醛树脂固化过程中板内产生的挥发气体的排出。凹缝的宽度约为1/16英寸，深度1/16至3/16英寸。针对不同的处理程序、结构或树脂系统，可以调整上述尺寸与真空要求相匹配。
可用具备深度仪的锯切出图5所示的凹缝布局，每切一次都可自动显示深度。类似地，可用具有上述布局的平板或曲线模进行模加工将凹缝压入泡沫板中。这些技术能获得满意的线性凹槽布局，但用锯时会产生泡沫粉尘，用锯和压模时都会在泡沫板中产生小裂纹或撕裂。在大多数情形下，这些问题不会显著影响板的制造或使用，所以或许可以不必介意。但是，在某些条件下它们会被认为是不合适的，则可应用优选技术，如图8所示，所用滚轧机90和92的外表面有图8所示的模布局。两个滚轧机纵列在板80的运动方向，箭头94指出了运动方向。优选方案是，滚轧机90和92各有一个实心空转滚轮96和98，位于板80的对面，对滚轧机90和92的作用力提供反作用力。如图所示，滚轧机90压在板80表面的布局与滚轧机92压在板80下表面的相同布局是偏置的，这样压入的线性凹槽就没有相对的，不至在板80中形成易折点。
将凹槽布局82压泡沫板80时，滚轧技术除了具备快速和干净的优点之外，还能避免在泡沫材料中形成小裂纹和撕裂，这是周锯和模压技术会发生的，它们会作为应力增大因素构成材料中疲劳裂纹的起始点。由于凹槽是以较小的斜压角φ逐渐压入的，所以相信可以能够避免应力增长因素。角φ约为10～35°，最好是15°，让滚轧机90和92的模表面能逐渐使泡沫板80表面的材料缓慢产生位移，而对泡沫板表面固定的区域也一样。这使模子接触区紧前方的其它材料产生预应力并横向分布应力，所以当这个区域被滚轧模施加应力时，它不会产生应用平模时出现的小裂纹和撕裂。
现在参见图7，图线的横座标是时间，处理程序中的各种参数为纵座标，各个纵座标分别为温度、挥发物生成速度、芯部压力和树脂粘性。图7显示的是从开始至结束的周期中这些参数的变化。时间为零时，所有工作台52装入烘箱中，真空管路62与所有连接器58连通，烘箱门关闭，加热元件66开始加热。温度开始上升并在约12分钟内达到约200°F。在这个温度下，树脂达到其胶状温度，其粘性下降，树脂流动，浸湿与预浸渍材料接触的表面。同样在这个温度，挥发物的散发速度迅速增大。此时迅速产生了挥发物，主要是水蒸气，并会在以后五分钟左右时间内持续产生。在周期的这一阶段，酚醛树脂基中聚合体的交联加速。当交联加速时，树脂粘性增大，产生于板芯的挥发物变得难以通过泡沫边中的凹槽溢出。最后，树脂粘性已足以阻止板芯内生成的挥发物溢出，而真空泵60在板芯内建立的真空将开始抽吸这些挥发物。在预浸渍材料面板31与泡沫边相粘联接使板外缘封闭之后，剩余生成的挥发物使芯中的真空度降低或使压力增大，如图线100C所示。
由于自然热流进入烘箱中工作台52上的物品是从上部和被加热物的侧部向内，所以如图2所示的板元件的上表面和周边将先被加热。在工作台一侧的板的内芯将最后达到胶凝温度。这种情形异致了板的下部中心部分中的挥发物尚未开始散出之前，板元件的周边已被加热达到胶凝温度并开始交联。在这种状况下，特别是在大型板的制造过程中，这会导致在未胶凝的树脂发出的挥发物散出之前，聚合物将板的周边密封，这样就会发生板芯中发展成过高压力。在这种状况下，可以利用优化加热控制板区域的胶凝顺序，避免聚合物过早密封板外缘并提高泡沫边缘板中开槽布局的有效性。
如图4所示，为改变烘箱中的加热布局，使之从内向外加热而不是从外缘向内，在每个工作台52的上、下提供一对热管110和112，各有相应的喷气管114和116位于放板的区域的中心。喷管114和116将烘箱中的热气分别导向真空袋46的顶部及工作台52的底部，使袋中组件及工作台的中部首先加热。这种布置可使预浸胶板38和38′中的树脂在中部首先胶凝，从而在周边部件树脂胶凝使周边部分密封之前产生的挥发物仍有排出通道。
如图9所示的本发明的第二个实施例中，应用图4所示的管112和114进行同样的区域控制加热，其中一对热加热器(如图9所示)经过图4所示的44置于元件40的上下方。绝热体122置于上部加热元件120的上方，整个装置用真空袋46利用粘性密封剂48密封在工作台124上。
加热器120是柔性毯加热器，有一组加热元件126、128、130等，以126元件为中心其余同心围绕在其周围。引线从毯式加热器120外缘伸出连接每个加热元件，每个加热元件与共用地线132相连。下部加热器120′可带内部引线134置于工作台124内，也可以是置于工作台124表面的分离加热元件。
操作时，元件40至44装配在加热元件120′上并覆盖加热元件120和绝缘层122。真空袋包住装配件并用密封剂48密封在工作台124上。真空管56通过其连接器58连到通至真空源60的真空管路上，并将真空袋46内抽成真空。抽真空之后，大气压在袋46的顶部作用均匀的向下压力压在将构成板的所有元件40上，上部和下部加热器120和120′的中心元件126开始通电加热组件的中心。大约5分钟的时间之后，邻近中心加热器126的下一个加热器128开始通电加热中心区126之外的下一个径向区。以这种方式，板元件的加热径向向外扩展。随着树脂的胶凝和固化从中心向外扩展，胶凝和固化过程中产生的挥发物可以通过泡沫边缘34中的线性凹槽82径向向外溢出，这是因为板边缘的树脂还未开始胶凝堵住凹槽82。元件128、130等依次通电，形成一个适当的挥发物生成时间段，在下一元件升高温度异致下一轮向外径向区的挥发物产生达到峰值之前，靠中心部分的挥发物生成速率已通过其正常最大生成速率段并开始降温。这样，在泡沫边34的外围边缘被加热并密封之前，通过真空管系统56，所有的挥发物都能从板中吸出。
很显然，通过参考以上公开内容，本领域的熟练技术人员能够对上述实施例作出各种改进和变形。因此，应当明确理解，这些改进和变形以及其等同方案都应包括在本发明后附的权利要求所限定的精神和范畴之中。