CN102343680A - 纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型模具及成型方法 - Google Patents

Abstract

纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型模具及成型方法，它涉及一种六角蜂窝芯材的一体化成型模具及成型方法，为了提高纤维增强六角蜂窝结构芯材的力学性能和实现快速低成本地制备出六角蜂窝结构芯材。所述下模具的上端面以及上模具的下端面均呈连续梯形波纹状，每个硅橡胶软膜组件由硅橡胶软膜以及与硅橡胶软膜长度一致的下托片、上托片组成。在下模具上铺设n层纤维增强预浸料；将多条硅橡胶软膜组件放置于第一个连续梯形波纹状纤维复合预浸料板的凹槽中；在硅橡胶软膜组件的上表面继续随形铺放与步骤一中相同层数和铺设角度的预浸料直至所需的尺寸；再次铺设纤维增强预浸料；固化成型。六角蜂窝结构芯材应用于航空及航天领域。

Description

纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型模具及成型方法

技术领域

本发明涉及一种六角蜂窝芯材的一体化成型模具及成型方法。

背景技术

六角蜂窝材料作为一类夹芯结构芯材，具有轻质及优异的力学性能，其中铝蜂窝及纸蜂窝已被广泛的应用于航空航天、建筑桥梁等各个领域。复合材料由于其本身的高比刚度和高比强度，当作为这类六角蜂窝材料的母体材料时，形成的纤维增强复合蜂窝材料的力学性能会显著提高，从而会扩大工程应用的选材范围。现有的成型方法致使复合材料六角蜂窝芯材的力学性能不高且成本偏高，影响其工程应用，目前没有提出这类纤维增强六角蜂窝的一体化成型工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型模具及成型方法，以提高纤维增强六角蜂窝结构芯材的力学性能，以实现快速低成本地制备出六角蜂窝结构芯材。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述的纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型模具包括下模具、上模具和若干条硅橡胶软膜组件，下模具和上模具均为波纹型刚性模具，所述下模具的上端面以及上模具的下端面均呈连续梯形波纹状，每个硅橡胶软膜组件由硅橡胶软膜以及与硅橡胶软膜长度一致的下托片、上托片组成，每个硅橡胶软膜的横截面形状为与下模具、上模具上的波纹形状相吻合的正六边形，下托片、上托片的横截面形状均为与硅橡胶软膜形状相吻合的等腰梯形，且下托片、上托片的截面高度均小于硅橡胶软膜的两个相对面之间的距离的一半，下托片、上托片分别扣盖在每个硅橡胶软膜的下端面及上端面上，使每个硅橡胶软膜的上下四个棱角由上托片、下托片加固，硅橡胶软膜位于下托片、上托片之间形成截面轮廓形状为正六边形的硅橡胶软膜组件，若干个硅橡胶软膜组件均布置于下模具(1)、上模具之间，下模具、上模具正对设置且二者的梯形波相差一个波形设置。

利用上述一体化成型模具的纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型方法，所述一体化成型方法的具体过程为：

步骤一：在下模具的上端面上按照预设的角度[θ₁/θ₂/.../θ_n]随形铺设n层纤维增强预浸料，形成纤维增强六角蜂窝结构芯材的第一个连续梯形波纹状纤维复合预浸料板；

步骤二：将多条硅橡胶软膜组件放置于第一个连续梯形波纹状纤维复合预浸料板的凹槽中，使其恰好能够配合，每个硅橡胶软膜的上下四个棱角由上托片、下托片加固以保证成型形状规则；

步骤三：在硅橡胶软膜组件的上表面继续随形铺放与步骤一中相同层数和铺设角度的预浸料，然后重复步骤二和步骤三直至所需的尺寸；

步骤四：再次铺设纤维增强预浸料，最后将同样的波纹型刚性模具上模具放置于预浸料表面的凹槽中，使其完全配合，形成一个组合体；

步骤五：将步骤四所形成的组合体的上下两端利用刚性夹具进行夹紧，利用硅橡胶软膜自身弹性来传递夹具的夹紧力，使相邻两个连续梯形波纹状纤维复合预浸料板的梯形上底粘接在一起，并将所述组合体周围四边紧固，然后将所述组合体的温度从室温升到120℃～130℃保温至少2小时固化成型，待其重新冷却至室温后取出下模具和上模具，再将硅橡胶软膜组件抽出，即得纤维复合材料蜂窝芯材。

本发明的有益效果是：

本发明采用一体化制备纤维增强复合材料六角蜂窝芯材，能够一次成型复合材料蜂窝芯材，极大提高了纤维增强六角蜂窝结构芯材的力学性能，通过对硅橡胶软膜增加托片使得到的蜂窝芯材形状规则，而且成型压力均匀，模具成本较低且制备快速。这类纤维增强复合材料六角蜂窝其力学性能将远远超出现有的金属蜂窝和纸蜂窝材料。本发明所提出的制备工艺简单且快速，无材料浪费，适合于大面积成型和工程应用，由于本发明所述的复合材料六角蜂窝芯材的质量非常轻，在航空及航天领域具有广泛的应用前景。

对利用本发明方法所制备的纤维增强六角蜂窝结构芯材进行基本力学性能试验，如弯曲性能、平压性能和剪切性能，试验结果如表1所示。现有通用的蜂窝夹芯板在相当密度的下的平压和剪切性能(室温)如表2和表3所示。通过表1与表2和3的比较，可看出利用本发明方法制备的纤维增强六角蜂窝芯材的力学性能明显优于芳纶纸基和铝蜂窝夹芯板。

表1是本发明所得的纤维增强六角蜂窝芯材的力学性能表，表2是铝蜂窝芯材的力学性能表，表3为芳纶纸基蜂窝夹芯板力学性能表。

表1

表2

表3

附图说明

图1是制备纤维增强六角蜂窝结构芯材(纤维增强复合材料蜂窝芯子)的流程示意图，图2是硅橡胶软膜组件3的截面图，图3是利用本发明方法制得的纤维复合材料蜂窝芯材的正视图，图4是利用本发明方法制得的纤维复合材料蜂窝芯材的立体图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～4所示，本实施方式所述的纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型模具包括下模具1、上模具2和若干条硅橡胶软膜组件3，下模具1和上模具2均为波纹型刚性模具，所述下模具1的上端面以及上模具2的下端面均呈连续梯形波纹状，每个硅橡胶软膜组件3由硅橡胶软膜3-1以及与硅橡胶软膜长度一致的下托片3-2、上托片3-3组成，每个硅橡胶软膜3-1的横截面形状为与下模具1、上模具2上的波纹形状相吻合的正六边形，下托片3-2、上托片3-3的横截面形状均为与硅橡胶软膜3-1形状相吻合的等腰梯形，且下托片3-2、上托片3-3的截面高度均小于硅橡胶软膜3-1的两个相对面之间的距离H的一半，下托片3-2、上托片3-3分别扣盖在每个硅橡胶软膜3-1的下端面及上端面上，使每个硅橡胶软膜3-1的上下四个棱角由上托片3-3、下托片3-2加固，硅橡胶软膜3-1位于下托片3-2、上托片3-3之间形成截面轮廓形状为正六边形的硅橡胶软膜组件3，若干个硅橡胶软膜组件3均布置于下模具1、上模具2之间，下模具1、上模具2正对设置且二者的梯形波相差一个波形设置。

具体实施方式二：如图1～4所示，本实施方式所述下托片3-2、上托片3-3的截面高度为硅橡胶软膜3-1的两个相对面之间的距离H的四分之一。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1～4所示，本实施方式所述下托片3-2、上托片3-3由铁片制成。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式为利用上述具体实施方式一、二或三所述的一体化成型模具的纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型方法，所述一体化成型方法的具体过程为：

步骤一：在下模具1的上端面上按照预设的角度[θ₁/θ₂/.../θ_n]随形铺设n层纤维增强预浸料，形成纤维增强六角蜂窝结构芯材的第一个连续梯形波纹状纤维复合预浸料板4：

步骤二：将多条硅橡胶软膜组件3放置于第一个连续梯形波纹状纤维复合预浸料板的凹槽中，使其恰好能够配合，每个硅橡胶软膜3-1的上下四个棱角由上托片3-3、下托片3-2加固以保证成型形状规则；

步骤三：在硅橡胶软膜组件3的上表面继续随形铺放与步骤一中相同层数和铺设角度的预浸料，然后重复步骤二和步骤三至所需的尺寸；

步骤四：再次铺设纤维增强预浸料，最后将同样的波纹型刚性模具上模具2放置于预浸料表面的凹槽中，使其完全配合，形成一个组合体；

步骤五：将步骤四所形成的组合体的上下两端利用刚性夹具进行夹紧，利用硅橡胶软膜3-1自身弹性来传递夹具的夹紧力，使相邻两个连续梯形波纹状纤维复合预浸料板的梯形上底粘接在一起，并将所述组合体周围四边紧固，然后将所述组合体的温度从室温升到120℃～130℃保温至少2小时固化成型，待其重新冷却至室温后取出下模具1和上模具2，再将硅橡胶软膜组件3抽出，即得纤维复合材料蜂窝芯材。

具体实施方式五：如图1～4所示，本实施方式在步骤五中，所述夹具的夹紧力为0.4Mpa-0.6Mpa。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：如图1～4所示，本实施方式所述在步骤五中，所述组合体的温度从室温升到125℃。其它步骤与具体实施方式四或五相同。

Claims (6)

1.一种纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型模具，其特征在于：所述成型模具包括下模具(1)、上模具(2)和若干条硅橡胶软膜组件(3)，下模具(1)和上模具(2)均为波纹型刚性模具，所述下模具(1)的上端面以及上模具(2)的下端面均呈连续梯形波纹状，每个硅橡胶软膜组件(3)由硅橡胶软膜(3-1)以及与硅橡胶软膜长度一致的下托片(3-2)、上托片(3-3)组成，每个硅橡胶软膜(3-1)的横截面形状为与下模具(1)、上模具(2)上的波纹形状相吻合的正六边形，下托片(3-2)、上托片(3-3)的横截面形状均为与硅橡胶软膜(3-1)形状相吻合的等腰梯形，且下托片(3-2)、上托片(3-3)的截面高度均小于硅橡胶软膜(3-1)的两个相对面之间的距离(H)的一半，下托片(3-2)、上托片(3-3)分别扣盖在每个硅橡胶软膜(3-1)的下端面及上端面上，使每个硅橡胶软膜(3-1)的上下四个棱角由上托片(3-3)、下托片(3-2)加固，硅橡胶软膜(3-1)位于下托片(3-2)、上托片(3-3)之间形成截面轮廓形状为正六边形的硅橡胶软膜组件(3)，若干个硅橡胶软膜组件(3)均布置于下模具(1)、上模具(2)之间，下模具(1)、上模具(2)正对设置且二者的梯形波相差一个波形设置。

2.根据权利要求1所述的纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型模具，其特征在于：下托片(3-2)、上托片(3-3)的截面高度为硅橡胶软膜(3-1)的两个相对面之间的距离H的四分之一。

3.根据权利要求1所述的纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型模具，其特征在于：所述下托片(3-2)、上托片(3-3)由铁片制成。

4.利用上述权利要求1、2或3所述的一体化成型模具的纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型方法，其特征在于：所述一体化成型方法的具体过程为：

步骤一：在下模具(1)的上端面上按照预设的角度[θ₁/θ₂/.../θ_n]随形铺设n层纤维增强预浸料，形成纤维增强六角蜂窝结构芯材的第一个连续梯形波纹状纤维复合预浸料板(4)；

步骤二：将多条硅橡胶软膜组件(3)放置于第一个连续梯形波纹状纤维复合预浸料板的凹槽中，使其恰好能够配合，每个硅橡胶软膜(3-1)的上下四个棱角由上托片(3-3)、下托片(3-2)加固以保证成型形状规则；

步骤三：在硅橡胶软膜组件(3)的上表面继续随形铺放与步骤一中相同层数和铺设角度的预浸料，然后重复步骤二和步骤三直至所需的尺寸；

步骤四：再次铺设纤维增强预浸料，最后将同样的波纹型刚性模具上模具(2)放置于预浸料表面的凹槽中，使其完全配合，形成一个组合体；

步骤五：将步骤四所形成的组合体的上下两端利用刚性夹具进行夹紧，利用硅橡胶软膜(3-1)自身弹性来传递夹具的夹紧力，使相邻两个连续梯形波纹状纤维复合预浸料板的梯形上底粘接在一起，并将所述组合体周围四边紧固，然后将所述组合体的温度从室温升到120℃～130℃保温至少2小时固化成型，待其重新冷却至室温后取出下模具(1)和上模具(2)，再将硅橡胶软膜组件(3)抽出，即得纤维复合材料蜂窝芯材。

5.根据权利要求4所述的纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型方法，其特征在于：在步骤五中，所述夹具的夹紧力为0.4Mpa-0.6Mpa。

6.根据权利要求4或5所述的纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型方法，其特征在于：在步骤五中，所述组合体的温度从室温升到125℃。

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