CN103434140B - 一种碳纤维复合材料矩形加筋管件的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合材料矩形加筋管件的成型方法，属于碳纤维增强树脂基复合材料结构成型技术领域。使用本发明制备的碳纤维增强树脂基复合材料矩形加筋管件加强筋不会发生扭曲变形，管件内腔圆角和外形圆角均比较规则，减少了应力集中点，从而保证产品的力学性能；另外使用该方法操作简单，产品质量可靠度高。本发明的优点在于缠绕芯模均为刚性模具，能充分利用缠绕设备，效率较高；装模脱模简单易操作。成型压力稳定可控。

Description

一种碳纤维复合材料矩形加筋管件的成型方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料矩形加筋管件的成型方法，属于碳纤维增强树脂基复合材料结构成型技术领域。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料杆、管结构是组成复合材料构件的一种典型单元，是航空、航天器结构中常用的结构组件，大型卫星天线支架等大多采用碳纤维增强树脂基复合材料管件。

碳纤维增强树脂基复合材料管材成型一般采用纤维缠绕、预浸料铺层、拉挤成型、热缩成型等工艺，根据树脂基复合材料成型原理，碳纤维增强树脂基复合材料方管成型过程的加压有两种形式，一种为外加压的方式，另一种为内加压方式。采用外加压方式的复合材料方管外形无圆角，模具设计比较简单。采用内加压方式的复合材料方管外形尺寸精度较高，有圆角；内加压比较典型的方式为热膨胀软模加压和充气气囊加压。

热膨胀软模加压是以热膨胀系数较大的弹性材料为芯模，而以热膨胀系数较低的刚性材料为阴模，利用弹性材料热膨胀产生的压力对复合材料产品实现加热加压固化成型。在使用热膨胀模塑成型法制备碳纤维增强树脂基复合材料矩形加筋管件时存在以下缺点：（1）铺层操作困难；（2）成型压力不易控制；（3）产品壁厚不均匀，加强筋扭曲变形；（4）产品内部缺陷较多。

充气气囊加压与热膨胀软模加压的区别在于，充气气囊加压法是在芯模周围包裹气囊，将气囊与外界压力源连接，利用外界压力源进行充气加压，在使用充气气囊内加压法制备碳纤维增强树脂基复合材料矩形加筋管件时存在以下缺点：（1）操作过程复杂，脱模困难；（2）产品内腔精度差，加强筋扭曲变形。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种碳纤维复合材料矩形加筋管件的成型方法，该方法制备的碳纤维复合材料矩形加筋管件无损探伤符合GJB2895-A级要求，形位尺寸公差满足要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明采用外加压-热压罐成型技术制备碳纤维增强树脂基复合材料矩形加筋管件。在封装好的热压罐系统内有高温高压气体，随着温度的升高，高压气体将压力传递到产品成型外模上，通过外膜的运动进而对产品施加稳定压力，产品内的树脂基体在高温高压作用下发生化学反应，最后固化成型。

本发明的一种碳纤维复合材料矩形加筋管件的成型方法，待成型的矩形加筋管件的横截面为“日”字形结构；中间的一条筋将该矩形管件的内腔分为两个矩形空腔，即左侧空腔和右侧空腔；左侧空腔和右侧空腔均贯通于管件长度方向；

该成型方法的步骤为：

1）制备缠绕芯模：缠绕芯模包括连接件、两件芯模、定位销A、螺钉和螺栓；芯模的形状与左侧空腔或右侧空腔形状一致；

2）制备成型外模：成型外模包括底座、两件侧板、盖板、定位销B、定位销C和吊环螺钉；

底座、两件侧板、盖板围成的空腔与待成型的矩形加筋管件的外形尺寸一致；盖板上带有U型定位槽，两件侧板和底座上有定位销孔；

3）将步骤1）中的其中的一件芯模固定在缠绕设备上，在该芯模的表面缠绕碳纤维预浸料丝束，缠绕厚度为待成型的矩形加筋管件壁厚的1/2，缠绕完成后将该芯模连同缠绕层一起从缠绕设备上取下；

将步骤1）中的另一件芯模固定在缠绕设备上，在该芯模的表面缠绕碳纤维预浸料丝束，缠绕厚度为待成型的矩形加筋管件壁厚的1/2，缠绕完成后将该芯模连同缠绕层一起从缠绕设备上取下；

在两件芯模都缠绕完成后，在每件缠绕层的表面依次铺放带孔隔离膜、吸胶纸、透气氟布及透气毡；铺放完成后将两件芯模分别使用真空袋膜和密封胶条封装，然后放入热压罐内进行吸胶预压；吸胶预压温度为65-85℃，吸胶预压压力为0.2-0.35MPa；吸胶预压的时间为15-30min；

吸胶完成后，泄压、降温至室温后，脱除真空袋膜、透气毡、透气氟布、吸胶纸、带孔隔离膜，得到两件预压后的层合体；

4）使用连接件、定位销A、螺钉和螺栓将两件预压后的层合体装配在一起，形成缠绕组合模，将缠绕组合模安装在缠绕设备上，在缠绕组合模的表面缠绕碳纤维预浸料丝束，缠绕厚度为待成型的矩形加筋管件壁厚的1/2，将缠绕组合体从缠绕设备上拆下；

5）将步骤4）得到的缠绕组合体安装在OPP带缠绕设备上，设定OPP带的缠绕预紧力为30-50N，缠绕螺距为2-4mm，然后将OPP带缠绕在缠绕组合体上，最后使用胶带紧固，将缠绕体从OPP带缠绕设备上拆下；

6）将步骤5）得到的缠绕体居中放置在成型外模底座上，拆除缠绕体上的连接件、螺钉和螺栓；

在底座的定位销孔内安装定位销B，在两件侧板的定位销孔内安装定位销C；然后将两件侧板通过定位销B定位在底座上，将盖板通过定位销C定位在侧板上，使得两件侧板、盖板、底座围成的腔体与缠绕体的外表面贴合；

两件侧板可以通过定位销B沿定位销B的轴向滑动，盖板可以通过定位销C沿定位销C的轴向滑动；

7）将步骤6）得到的组合体表面依次铺放透气氟布及透气毡；铺放完成后整体使用真空袋膜和密封胶条封装，然后放入热压罐内固化成型，固化成型温度为150-170℃，固化成型压力为0.5-0.7MPa，固化成型时间1-3h，固化成型完成后，泄压、降温至室温后，脱除真空袋膜、透气毡、透气氟布，然后将成型外模和定位销A进行脱除，最后将产品连同芯模安装在脱模设备上，脱出芯模后得到碳纤维复合材料矩形加筋管件。

有益效果

使用本发明制备的碳纤维增强树脂基复合材料矩形加筋管件加强筋不会发生扭曲变形，管件内腔圆角和外形圆角均比较规则，减少了应力集中点，从而保证产品的力学性能；另外使用该方法操作简单，产品质量可靠度高。本发明的优点在于（1）缠绕芯模均为刚性模具，能充分利用缠绕设备，效率较高；（2）装模脱模简单易操作。（3）成型压力稳定可控。

本发明解决了内加压法制备碳纤维增强树脂基复合材料矩形加筋管件的成型问题，将软硬加压方法融合在一起，解决了碳纤维复合材料矩形管件内腔圆角与外形圆角共固化成型问题，为碳纤维复合材料矩形加筋管件提供了一种新的成型方法。

附图说明

图1为本发明载体碳纤维增强树脂基复合材料矩形加筋管件的结构图；

图2为本发明缠绕芯模的结构示意图；

图3为本发明成型外模的的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，一种碳纤维复合材料矩形加筋管件的成型方法，待成型的矩形加筋管件的横截面为“日”字形结构；中间的一条筋将该矩形管件的内腔分为两个矩形空腔，即左侧空腔和右侧空腔；左侧空腔和右侧空腔形状一致；左侧空腔和右侧空腔均贯通于管件长度方向；产品壁厚2mm，采用碳纤维增强环氧树脂预浸丝束对称缠绕成准各向同性，产品内腔圆角R3，外形圆角R5；该产品缠绕时可分成两部分，一部分称为内管，壁厚1mm，内管内腔为矩形加筋管件内腔，数量为2件。另一部分称为外管，壁厚1mm，外管外形为矩形加筋管件外形。

该成型方法的步骤为：

1）制备缠绕芯模：缠绕芯模包括连接件1、芯模2、定位销A3、M6螺钉4和M10螺栓5；单件芯模2的形状与左侧、右侧空腔形状一致；两件芯模2可以通过连接件1、定位销A3、M6螺钉4和M10螺栓5装配组合在一起组成缠绕芯模组合体；如图2所示；

2）制备成型外模：成型外模包括底座6、侧板7、盖板8、定位销B9、定位销C10、吊环螺钉11；如图3所示；

底座6、侧板7、盖板8围成的空腔与待成型的矩形加筋管件的外形尺寸一致；盖板8上带有U型定位槽，侧板7和底座6上有定位销孔；

3）将步骤1）制备的单件芯模2固定在缠绕设备上，在单件芯模2的表面缠绕碳纤维预浸料丝束，缠绕厚度为待成型的矩形加筋管件壁厚的1/2（内管1），缠绕完成后将单件芯模2连同缠绕层一起从缠绕设备上取下；

将步骤1）制备的另一件芯模2固定在缠绕设备上，在该单件芯模2的表面缠绕碳纤维预浸料丝束，缠绕厚度为待成型的矩形加筋管件壁厚的1/2（内管2），缠绕完成后将该单件芯模连同缠绕层一起从缠绕设备上取下；

在单件芯模缠绕完成两件后，在每件缠绕层的表面依次铺放带孔隔离膜、吸胶纸、透气氟布及透气毡；铺放完成后两件芯模分别使用真空袋膜和密封胶条封装，然后放入热压罐内进行吸胶预压；吸胶预压温度为80℃，吸胶预压压力为0.3MPa；吸胶预压的时间为25min；

泄压、降温至室温后，脱除真空袋膜、透气毡、透气氟布、吸胶纸、带孔隔离膜，得到两件预压后的层合体（内管）；

4）使用连接件1、定位销A3、M6螺钉4和M10螺栓5将两件预压后的层合体（内管）通过芯模装配在一起，形成缠绕组合模，将缠绕组合模安装在缠绕设备上，在缠绕组合模的表面缠绕碳纤维预浸料丝束，缠绕厚度为待成型的矩形加筋管件壁厚的1/2（外管），将缠绕组合体从缠绕设备上拆下；

5）将步骤4）得到的缠绕组合体安装在OPP带缠绕设备上，设定OPP带的缠绕预紧力为40N，缠绕螺距为3mm，然后将OPP带缠绕在缠绕组合体上，最后使用胶带紧固，将缠绕体从OPP带缠绕设备上拆下；

6）将步骤5）得到的缠绕体居中放置在成型外模底座上，拆除缠绕体上的连接件1、M6螺钉4和M10螺栓5；

在底座上安装定位销B9，在侧板上安装定位销C10；然后将两件侧板通过定位销B9定位在底座上，将盖板通过定位销C10定位在侧板上，使得侧板、盖板、底座围成的腔体与缠绕体的外表面贴合；

侧板可以通过定位销B9沿定位销B9轴向滑动，盖板可以通过定位销C10沿定位销C10轴向滑动；

7）将步骤6）得到的组合体表面依次铺放透气氟布及透气毡；铺放完成后整体使用真空袋膜和密封胶条封装，然后放入热压罐内固化成型，固化成型温度为160℃，固化成型压力为0.6MPa，固化成型时间2h，泄压、降温至室温后，脱除真空袋膜、透气毡、透气氟布，然后将成型外模和定位销A3进行脱除，最后将产品连同芯模安装在脱模设备上，脱出芯模后得到碳纤维复合材料矩形加筋管件。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种碳纤维复合材料矩形加筋管件的成型方法，待成型的矩形加筋管件的横截面为“日”字形结构；中间的一条筋将该矩形管件的内腔分为两个矩形空腔，即左侧空腔和右侧空腔；左侧空腔和右侧空腔均贯通于管件长度方向；

其特征在于该成型方法的步骤为：

1）制备缠绕芯模：缠绕芯模包括连接件、两件芯模、定位销A、螺钉和螺栓；芯模的形状与左侧空腔或右侧空腔形状一致；

2）制备成型外模：成型外模包括底座、两件侧板、盖板、定位销B、定位销C和吊环螺钉；

底座、两件侧板、盖板围成的空腔与待成型的矩形加筋管件的外形尺寸一致；盖板上带有U型定位槽，两件侧板和底座上有定位销孔；

3）将步骤1）中的其中的一件芯模固定在缠绕设备上，在该芯模的表面缠绕碳纤维预浸料丝束，缠绕厚度为待成型的矩形加筋管件壁厚的1/2，缠绕完成后将该芯模连同缠绕层一起从缠绕设备上取下；

将步骤1）中的另一件芯模固定在缠绕设备上，在该芯模的表面缠绕碳纤维预浸料丝束，缠绕厚度为待成型的矩形加筋管件壁厚的1/2，缠绕完成后将该芯模连同缠绕层一起从缠绕设备上取下；

在两件芯模都缠绕完成后，在每件缠绕层的表面依次铺放带孔隔离膜、吸胶纸、透气氟布及透气毡；铺放完成后将两件芯模分别使用真空袋膜和密封胶条封装，然后放入热压罐内进行吸胶预压；吸胶预压温度为65-85℃，吸胶预压压力为0.2-0.35MPa；吸胶预压的时间为15-30min；

吸胶完成后，泄压、降温至室温后，脱除真空袋膜、透气毡、透气氟布、吸胶纸、带孔隔离膜，得到两件预压后的层合体；

4）使用连接件、定位销A、螺钉和螺栓将两件预压后的层合体装配在一起，形成缠绕组合模，将缠绕组合模安装在缠绕设备上，在缠绕组合模的表面缠绕碳纤维预浸料丝束，缠绕厚度为待成型的矩形加筋管件壁厚的1/2，将缠绕组合体从缠绕设备上拆下；

5）将步骤4）得到的缠绕组合体安装在OPP带缠绕设备上，设定OPP带的缠绕预紧力为30-50N，缠绕螺距为2-4mm，然后将OPP带缠绕在缠绕组合体上，最后使用胶带紧固，将缠绕体从OPP带缠绕设备上拆下；

6）将步骤5）得到的缠绕体居中放置在成型外模底座上，拆除缠绕体上的连接件、螺钉和螺栓；

在底座的定位销孔内安装定位销B，在两件侧板的定位销孔内安装定位销C；然后将两件侧板通过定位销B定位在底座上，将盖板通过定位销C定位在侧板上，使得两件侧板、盖板、底座围成的腔体与缠绕体的外表面贴合；

两件侧板可以通过定位销B沿定位销B的轴向滑动，盖板可以通过定位销C沿定位销C的轴向滑动；

7）将步骤6）得到的组合体表面依次铺放透气氟布及透气毡；铺放完成后整体使用真空袋膜和密封胶条封装，然后放入热压罐内固化成型，固化成型温度为150-170℃，固化成型压力为0.5-0.7MPa，固化成型时间1-3h，固化成型完成后，泄压、降温至室温后，脱除真空袋膜、透气毡、透气氟布，然后将成型外模和定位销A进行脱除，最后将产品连同芯模安装在脱模设备上，脱出芯模后得到碳纤维复合材料矩形加筋管件。