CN103434141A - 一种碳纤维复合材料盒状加筋结构的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合材料盒状加筋结构的成型方法，属于碳纤维增强树脂基复合材料结构成型技术领域。本发明的铺层阳模分为四个部分，便于铺层过程的拆装；成型阴模腔体分成四部分，模具分离面选在产品圆角与平面过渡位置，各部分之间通过定位销和螺钉连接；定位板与阴模四周腔体采用滑动配合关系。

Description

一种碳纤维复合材料盒状加筋结构的成型方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料盒状加筋结构的成型方法，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

树脂基复合材料成型工艺包括接触低压成型工艺、拉挤成型工艺、模压成型工艺、缠绕成型工艺、铺放成型工艺、RTM成型工艺等。接触低压成型工艺适用于高模量碳纤维增强树脂基复合材料结构的成型；接触低压成型工艺的过程是，先将材料在阴模、阳模或对模上制成设计形状，通过加热或常温固化，脱模后再经过辅助加工获得制品。

复合材料工艺的关键是在满足制品形状，尺寸及表面质量的前提下，使增强材料能按预定方向均匀铺设，并尽量减少其性能下降，使基体材料充分完成固化反应，通过界面与增强材料良好结合，排出挥发的气体，减少制品的孔隙率。

热膨胀模塑成型法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封闭阴模，在加热系统中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盒状加筋结构时存在以下缺点：（1）成型压力不易控制。（2）产品壁厚较薄，加强筋扭曲变形。（3）产品内部缺陷较多。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种碳纤维复合材料盒状加筋结构的成型方法，该方法制备的碳纤维复合材料盒状加筋结构无损探伤符合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。

本发明采用热膨胀软模-热压罐成型方法制备碳纤维增强树脂基复合材料盒状加筋结构；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模具和热膨胀软模上，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盒状加筋结构的成型方法，待成型的盒状加筋结构的横截面为直角梯形；中间的一条筋将该盒状加筋结构的内腔分为两个梯形空腔，即左侧空腔和右侧空腔；左侧空腔和右侧空腔均为由口向里逐渐变大的梯形结构；

该成型方法的步骤为：

1）制备铺层阳模：铺层阳模包括阳模A、阳模B、阳模C、阳模D和底座；阳模A和阳模B紧挨一起组成左侧阳模；左侧阳模的形状与左侧空腔形状一致；

阳模C和阳模D紧挨一起组成右侧阳模，右侧阳模的形状与右侧空腔形状一致；

阳模A、阳模B、阳模C和阳模D组成的外形尺寸与待成型的盒状加筋结构的内腔尺寸一致；

2）制备成型阴模：成型阴模包括左侧板、下侧板、定位板、上侧板、右侧板、定位销和螺钉；下侧板上带有U型槽；

左侧板、下侧板、上侧板和右侧板围成的空腔与待成型的盒状加筋结构的外形尺寸一致；下侧板和上侧板上分别有一个导向槽；

3）制备碳纤维单向无纬布预浸料，碳纤维单向无纬布预浸料的胶质量含量为35%-45%；制备热膨胀橡胶软模；

4）将步骤1）制备的左侧阳模固定在底座上，在左侧阳模的表面铺叠步骤3）制备的碳纤维预浸料，铺叠厚度为待成型的盒状加筋结构厚度的1/2，铺叠完成后将左侧阳模连同铺层一起从底座上取下；

将步骤1）制备的右侧阳模固定在底座上，在右侧阳模的表面铺叠步骤3）制备的碳纤维预浸料，铺叠厚度为待成型的盒状加筋结构厚度的1/2；

将左侧阳模紧贴右侧阳模再次安装在底座上，形成铺层阳模，在铺层阳模的表面铺叠步骤3）制备的碳纤维预浸料，铺叠厚度为待成型的盒状加筋结构厚度的1/2；

铺层完成后，在铺层的表面依次铺放带孔隔离膜、吸胶纸、透气氟布及透气毡；铺放完成后整体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；

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，最后将铺层阳模进行脱除，得到层合体；

5）在步骤4）得到的层合体放在下侧板的U型槽中，在上侧板、左侧板和右侧板上分别安装定位销，然后将上侧板、左侧板和右侧板通过各自的定位销定位在下侧板上，使得左侧板、下侧板、上侧板和右侧板围成的腔体与层合体的外表面贴合；最后用螺钉进行紧固；

将定位板安装在下侧板和上侧板的导向槽中，定位板可以在下侧板和上侧板的导向槽中滑动；

6）将步骤3）制备的热膨胀橡胶软模分为四个部分，装入层合体内腔中，得到组合体；热膨胀橡胶软模的四个部分分别与铺层阳模的四个部分一一对应；

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0.5-0.6MPa，固化成型时间1-3h，泄压、降温至室温后，脱除真空袋膜、透气毡、透气氟布，最后将成型阴模进行脱除，得到碳纤维复合材料盒状加筋结构。

有益效果

本发明制备的碳纤维盒状加筋结构加强筋不会发生扭曲变形，产品拐角部位能够加压到位，避免缺陷的产生，从而保证产品的力学性能；原因如下：（1）为了防止产品加强筋扭曲变形，模具设计时在加强筋位置设置定位板，由于复合材料产品的成型过程是一个渐变过程，成型压力是由小到大逐渐加压，因此加强筋位置的定位板必须在外压作用下可以滑动。这样既能避免加强筋的扭曲变形又能保证定位板附近的复合材料部分能够加上压力。（2）产品的拐角位置采用开放式的热膨胀橡胶软模传压及加压，即热膨胀橡胶软模不完全封装在阴模模具内，可以避免复合材料件在固化过程受到热膨胀橡胶产生的过大压力，因为树脂基复合材料固化过程中压力偏小易造成制品疏松、气孔等缺陷，而压力过大易造成制品贫胶等缺陷；通过开放式的热膨胀软模加压即可以利用软模自身的膨胀加压性能（特别适用于复合材料制品腔体较深，肚大口小）又可以将热压罐系统产生的稳定可控压力传递到复合材料制品上，从而确保成型压力均匀到位；

铺层阳模分为四个部分，便于铺层过程的拆装；成型阴模腔体分成四部分，模具分离面选在产品圆角与平面过渡位置，各部分之间通过定位销和螺钉连接；定位板与阴模四周腔体采用滑动配合关系。

附图说明

图1为本发明待成型的盒状加筋结构的结构示意图；

图2为本发明铺层阳模的结构示意图；

图3为本发明成型阴模的结构示意图。

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

一种碳纤维增强树脂基复合材料盒状加筋结构件的成型方法，如图1所示，待成型的盒状加筋结构的横截面为直角梯形；中间的一条筋将该盒状加筋结构的内腔分为两个梯形空腔，即左侧空腔和右侧空腔；左侧空腔和右侧空腔均为由口向里逐渐变大的梯形结构；产品壁厚2mm，采用碳纤维增强环氧树脂预浸无纬布对称铺叠成准各向同性，产品底面为圆弧面。

该成型方法的步骤为：

1）制备铺层阳模：铺层阳模包括阳模A1、阳模B2、阳模C4、阳模D5和底座3；阳模A1和阳模B2紧挨一起组成左侧阳模；左侧阳模的形状与左侧空腔形状一致；如图2所示；

阳模C4和阳模D5紧挨一起组成右侧阳模，右侧阳模的形状与右侧空腔形状一致；

阳模A1、阳模B2、阳模C4和阳模D5组成的外形尺寸与待成型的盒状加筋结构的内腔尺寸一致；

2）制备成型阴模：成型阴模包括左侧板6、下侧板7、定位板8、上侧板9、右侧板10、定位销11和螺钉12；下侧板7上带有U型槽；如图3所示；

左侧板6、下侧板7、上侧板9和右侧板10围成的空腔与待成型的盒状加筋结构的外形尺寸一致；下侧板7和上侧板9上分别有一个导向槽；

3）制备碳纤维单向无纬布预浸料，碳纤维单向无纬布预浸料的胶质量含量为38%；制备热膨胀硅橡胶软模；

4）将步骤1）制备的左侧阳模固定在底座3上，在左侧阳模的表面铺叠步骤3）制备的碳纤维预浸料，铺叠厚度为待成型的盒状加筋结构厚度的1/2，铺叠完成后将左侧阳模连同铺层一起从底座3上取下；

将步骤1）制备的右侧阳模固定在底座3上，在右侧阳模的表面铺叠步骤3）制备的碳纤维预浸料，铺叠厚度为待成型的盒状加筋结构厚度的1/2；

将左侧阳模紧贴右侧阳模再次安装在底座3上，形成铺层阳模，在铺层阳模的表面铺叠步骤3）制备的碳纤维预浸料，铺叠厚度为待成型的盒状加筋结构厚度的1/2；

在铺层的表面依次铺放带孔隔离膜、吸胶纸、透气氟布及透气毡；铺放完成后整体使用真空袋膜和密封胶条封装在固化平台上，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20min；

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，最后将铺层阳模进行脱除，得到层合体；

5）在步骤4）得到的层合体放在下侧板7的U型槽中，在上侧板9、左侧板6和右侧板10上分别安装各自的定位销11，然后将上侧板9、左侧板6和右侧板10通过各自的定位销11定位在下侧板7上，使得左侧板6、下侧板7、上侧板9和右侧板10围成的腔体与层合体的外表面贴合；最后用螺钉12进行紧固；

将定位板8安装在下侧板7和上侧板9的导向槽中，定位板8可以在下侧板7和上侧板9的导向槽中滑动；

6）将步骤3）制备的热膨胀硅橡胶软模分为四个部分，装入层合体内腔中，得到组合体；热膨胀硅橡胶软模的四个部分分别与铺层阳模的四个部分一一对应；

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在固化平台上，然后将平台推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，最后将成型阴模进行脱除，得到碳纤维复合材料盒状加筋结构。

上述步骤3）中热膨胀软模的制备方法为：在步骤2）制备的成型阴模的内腔中使用2mm厚的硅胶板拼接出产品形状，然后将R10301热膨胀硅橡胶A组分和R10301热膨胀硅橡胶B组分按质量比10：1的比例混合搅拌均匀，真空箱内除气后浇注在硅胶板拼接出的空腔内，在25℃下硫化36h；将膨胀橡胶软模从模具中脱出，去除毛边，最后将脱出的浇注体放入烘箱中，升温至100度，保温0.5h，再升温至190-200度，保温1.5h，随炉温冷却至室温后使用。

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 (4)

1.一种碳纤维复合材料盒状加筋结构的成型方法，待成型的盒状加筋结构的横截面为直角梯形；中间的一条筋将该盒状加筋结构的内腔分为两个梯形空腔，即左侧空腔和右侧空腔；左侧空腔和右侧空腔均为由口向里逐渐变大的梯形结构；

其特征在于该成型方法的步骤为：

1）制备铺层阳模：铺层阳模包括阳模A（1）、阳模B（2）、阳模C（4）、阳模D（5）和底座（3）；阳模A（1）和阳模B（2）紧挨一起组成左侧阳模；左侧阳模的形状与左侧空腔形状一致；

阳模C（4）和阳模D（5）紧挨一起组成右侧阳模，右侧阳模的形状与右侧空腔形状一致；

阳模A（1）、阳模B（2）、阳模C（4）和阳模D（5）组成的外形尺寸与待成型的盒状加筋结构的内腔尺寸一致；

2）制备成型阴模：成型阴模包括左侧板（6）、下侧板（7）、定位板（8）、上侧板（9）、右侧板（10）、定位销（11）和螺钉（12）；下侧板（7）上带有U型槽；

左侧板（6）、下侧板（7）、上侧板（9）和右侧板（10）围成的空腔与待成型的盒状加筋结构的外形尺寸一致；下侧板（7）和上侧板（9）上分别有一个导向槽；

3）制备碳纤维单向无纬布预浸料，并制备热膨胀橡胶软模；

4）将步骤1）制备的左侧阳模固定在底座（3）上，在左侧阳模的表面铺叠步骤3）制备的碳纤维预浸料，铺叠厚度为待成型的盒状加筋结构厚度的1/2，铺叠完成后将左侧阳模连同铺层一起从底座（3）上取下；

将步骤1）制备的右侧阳模固定在底座（3）上，在右侧阳模的表面铺叠步骤3）制备的碳纤维预浸料，铺叠厚度为待成型的盒状加筋结构厚度的1/2；

将左侧阳模紧贴右侧阳模再次安装在底座（3）上，形成铺层阳模，在铺层阳模的表面铺叠步骤3）制备的碳纤维预浸料，铺叠厚度为待成型的盒状加筋结构厚度的1/2；

铺层完成后，在铺层的表面依次铺放带孔隔离膜、吸胶纸、透气氟布及透气毡；铺放完成后整体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，最后将铺层阳模进行脱除，得到层合体；

5）在步骤4）得到的层合体放在下侧板（7）的U型槽中，在上侧板（9）、左侧板（6）和右侧板（10）上分别安装各自的定位销（11），然后将上侧板（9）、左侧板（6）和右侧板（10）通过各自的定位销（11）定位在下侧板（7）上，使得左侧板（6）、下侧板（7）、上侧板（9）和右侧板（10）围成的腔体与层合体的外表面贴合；最后用螺钉（12）进行紧固；

将定位板（8）安装在下侧板（7）和上侧板（9）的导向槽中，定位板（8）可以在下侧板（7）和上侧板（9）的导向槽中滑动；

6）将步骤3）制备的热膨胀橡胶软模分为四个部分，装入层合体内腔中，得到组合体；热膨胀橡胶软模的四个部分分别与铺层阳模的四个部分一一对应；

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，泄压、降温至室温后，脱除真空袋膜、透气毡、透气氟布，最后将成型阴模进行脱除，得到碳纤维复合材料盒状加筋结构。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料盒状加筋结构的成型方法，其特征在于：步骤3）中碳纤维单向无纬布预浸料的胶质量含量为35%-45%。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料盒状加筋结构的成型方法，其特征在于：步骤4）中吸胶预压温度为65-85℃，吸胶预压压力为0.2-0.35MPa；吸胶预压的时间为15-30min。

4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料盒状加筋结构的成型方法，其特征在于：步骤7）中固化成型温度为150-170℃，固化成型压力为0.5-0.6MPa，固化成型时间1-3h。

Images