CN103804005B - 一种碳化硅陶瓷基复合材料倒t形截面构件的成型方法 - Google Patents

一种碳化硅陶瓷基复合材料倒t形截面构件的成型方法 Download PDF

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本发明属于碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的成型技术,涉及对一种碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的净尺寸成型方法的改进。它由底模1、左芯模2、中芯模5、右芯模6和压板3组成。本发明的制造步骤是模具制造;纤维预制体的制造;配料;真空浸渍;干燥;热模压;裂解。本发明工余量少,陶瓷基复合材料构件的几何尺寸精度及合格率高,精加工对纤维预制体的损伤程度小,构件的性能高,成本低。

Description

一种碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的成型方法
技术领域
本发明属于复合材料成型技术,涉及对一种碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的净尺寸成型方法的改进。
背景技术
碳化硅陶瓷基复合材料是新一代耐高温能力强、抗氧化能力强、耐磨损、线性膨胀系数小、耐化学腐蚀、低密度的热结构材料,可以有效提高发动机的工作温度和降低结构重量,在高推重比航空发动机领域具有广泛的应用前景。
但是,碳化硅陶瓷基复合材料的硬度大,加工难度大,复合材料构件毛坯余量大的话,加工后构件的外形也得不到保证,且产品的报废率高。此外,碳化硅陶瓷基复合材料构件内部的主承力结构是由连续纤维编织而成,构件加工余量大的话,在加工过程中会破坏内部纤维的网状结构,进而影响碳化硅陶瓷基复合材料构件的性能。
发明内容
本发明目的是:提出一种以减少陶瓷基复合材料构件成型后的加工余量,提高陶瓷基复合材料构件的几何尺寸精度及合格率。同时,降低陶瓷基复合材料构件的加工成本,进一步降低陶瓷基复合材料构件的制造成本的碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的成型方法
本发明的技术方案是:一种碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的净尺寸成型工装,其特征在于它由底模、左芯模、中芯模、右芯模和压板组成。底模、左芯模、中芯模、右芯模和压板与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形构件的长度相等,底模的上表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形构件下表面相同的型面,底模的左侧内表面与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形构件左下侧面贴合,底模的右侧内表面与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形构件右下侧面贴合,左芯模的底表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件左侧上表面相同的型面,左芯模的左侧面与底模左侧内表面贴合,左芯模的右侧面与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件筋左侧面和中芯模左侧面相贴合,左芯模上表面与压板的下表面相贴合,中芯模的下表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件筋上表面相同的型面,中芯模的上表面与压板的下表面相贴合,右芯模的下表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件上表面相同的型面,右芯模的左侧面与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件筋的右侧面和中芯模的右侧面相贴合,右芯模的右侧面与底模的右侧内表面相贴合,右芯模的上表面与压板的下表面相贴合,压板的下表面与左芯模的上表面、中芯模的上表面以及右芯模的上表面相贴合,压板的左侧面部分与底模左侧内表面上部相贴合,压板的右侧面部分与底模右侧内表面上部相贴合;碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的底板宽度等于底模内侧下部的宽度,碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的底板宽度等于左芯模、中芯模以及右芯模的宽度之和,中芯模的宽度等于碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的筋宽,压板的宽度等于底模内侧上部的宽度,压板侧面的高度大于底模内侧上部分内侧面高度5mm以上,底模下部内侧面的高度小于左芯模和碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的底板高度之和,底模下部内侧面的高度小于右芯模和碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的底板高度之和,底模下部内侧面的高度小于碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的底板、筋和中芯模的高度之和。
如上面所述碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的净尺寸成型方法,其特征在于,制造的步骤如下:
1、模具制造:根据碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的数学模型制造出底模、左芯模、中芯模、右芯模和压板等高纯石墨模具;
2、纤维预制体的制造:根据碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的设计图纸,以连续纤维为原材料制造纤维预制体;
3、配料:根据所研制碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的成型要求,以聚碳硅烷为溶质、二甲苯为溶剂,准确称量聚碳硅烷和二甲苯放入容器中充分搅拌,形成先驱体浸渍液,搅拌时间2~8小时,聚碳硅烷含量40~60%;
4、真空浸渍:将纤维预制体放入底模中,然后依次按要求放置左芯模、中芯模、右芯模、压板,之后将组装好的带纤维预制体的模具放入密闭容器中,抽真空至真空度-0.09MPa以上,最后将先驱体浸渍液吸入密闭容器中,浸渍时间10~30小时;
5、干燥:浸渍完成后,将带纤维预制体的模具取出,至于空气中,在室温条件下自然干燥,然后置于烘箱中在80~120℃条件下进一步烘干即可;
6、热模压:将烘干后带纤维预制体的模具放入热压机的平台上,以10℃/min的升温速率升至190~220℃,恒温30分钟,恒温结束时,给模具加压至3~6MPa,然后保压自然降温至室温;
7、裂解:经热模压后的带纤维预制体模具放入裂解炉中,在真空中以10℃/min的升温速率升至1100~1200℃,恒温1小时后,自然降温;
重复上述4、5、7步骤四次后,去掉模具,再将碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的毛坯重复4、5、7步骤十次后,即完成碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的净尺寸制造。
本发明的优点是:相对于从整体碳化硅纤维复合材料坯料直接切削加工成倒T字形截面构件的工艺过程,采用本发明成型工装制造倒T字形截面构件加工余量小,加工去除重量少于坯料重量的10%;制造的陶瓷基复合材料构件的几何尺寸精度及合格率高,通过热模压工艺能够制造出复杂底面型面的倒T字形截面构件;精加工过程中由于去除量小,对纤维预制体的损伤程度小,从而提高了构件的整体使用性能,同时降低了废品率。;制造得到近净尺寸的倒T字形截面构件后,产品的加工周期与整体碳化硅纤维复合材料坯料直接切削加工相比缩短60%以上;由于碳化硅陶瓷基复合材料加工过程采用金刚石刀具,减小了切削加工量后,减轻了刀具的磨损,降低了加工成本。
附图说明
图1时本发明碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的成型截面示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。参见图1,一种碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的净尺寸成型工装,其特征在于它由底模1、左芯模2、中芯模5、右芯模6和压板3组成,底模1、左芯模2、中芯模5、右芯模6和压板3与碳化硅陶瓷基复合材料构件4的长度相等,底模1的上表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料构件4下表面相同的型面,底模1的左侧内表面与碳化硅陶瓷基复合材料构件4左下侧面贴合,底模1的右侧内表面与碳化硅陶瓷基复合材料构件4右下侧面贴合,左芯模2的底表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件4左侧上表面相同的型面,左芯模2的左侧面与底模1左侧内表面贴合,左芯模2的右侧面与碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件4筋左侧面和中芯模5左侧面相贴合,左芯模2上表面与压板3的下表面相贴合,中芯模5的下表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件4筋上表面相同的型面,中芯模5的上表面与压板3的下表面相贴合,右芯模6的下表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件4上表面相同的型面,右芯模6的左侧面与碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件4筋的右侧面和中芯模5的右侧面相贴合,右芯模6的右侧面与底模1的右侧内表面相贴合,右芯模6的上表面与压板5的下表面相贴合,压板3的下表面与左芯模2的上表面、中芯模5的上表面以及右芯模6的上表面相贴合,压板3的左侧面部分与底模1左侧内表面上部相贴合,压板3的右侧面部分与底模1右侧内表面上部相贴合,碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件4的底板宽度等于底模内侧下部的宽度,碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件4的底板宽度等于左芯模2、中芯模5以及右芯模6的宽度之和,中芯模5的宽度等于碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件4的筋宽,压板5的宽度等于底模1内侧上部的宽度,压板5的高度大于底模1内侧上部宽度5mm以上,底模内侧下部的高度等于左芯模2和碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件4的底板高度之和,底模内侧下部高度等于右芯模6和碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件4的底板高度之和,底模内侧下部的高度等于碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件4的底板、筋和中芯模5的高度之和。
如上面所述碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的净尺寸成型方法,其特征在于,制造的步骤如下:
1、模具制造:根据碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的数学模型制造出底模1、左芯模2、中芯模5、右芯模6和压板3等高纯石墨模具;
2、纤维预制体的制造:根据碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的设计图纸,以连续纤维为原材料制造纤维预制体;
3、配料:根据所研制碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的成型要求,以聚碳硅烷为溶质、二甲苯为溶剂,准确称量聚碳硅烷和二甲苯放入容器中充分搅拌,形成先驱体浸渍液,搅拌时间2~8小时,聚碳硅烷含量40~60%;
4、真空浸渍:将纤维预制体放入底模中,然后依次按要求放置左芯模2、中芯模5、右芯模6、压板3,之后将组装好的带纤维预制体的模具放入密闭容器中,抽真空至真空度-0.09MPa以上,最后将先驱体浸渍液吸入密闭容器中,浸渍时间10~30小时;
5、干燥:浸渍完成后,将带纤维预制体的模具取出,至于空气中,在室温条件下自然干燥,然后置于烘箱中在80~120℃条件下进一步烘干即可;
6、热模压:将烘干后带纤维预制体的模具放入热压机的平台上,以10℃/min的升温速率升至190~220℃,恒温30分钟,恒温结束时,给模具加压至3~6MPa,然后保压自然降温至室温;
7、裂解:经热模压后的带纤维预制体模具放入裂解炉中,在真空中以10℃/min的升温速率升至1100~1200℃,恒温1小时后,自然降温;
重复上述4、5、7步骤四次后,去掉模具,再将碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的毛坯重复4、5、7步骤十次后,即完成碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的净尺寸制造。
实施例1
1、模具制造:根据碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的数学模型制造出底模1、左芯模2、中芯模5、右芯模6和压板3等高纯石墨模具;
2、纤维预制体的制造:根据碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的设计图纸,以连续炭纤维为原材料制造出炭纤维预制体;
3、配料:根据所研制碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的成型要求,以聚碳硅烷为溶质、二甲苯为溶剂,准确称量聚碳硅烷和二甲苯放入容器中充分搅拌,形成先驱体浸渍液,搅拌时间6小时,聚碳硅烷含量45%;
4、真空浸渍:将纤维预制体放入底模中,然后依次按要求放置左芯模2、中芯模5、右芯模6、压板3,之后将组装好的带纤维预制体的模具放入密闭容器中,抽真空至真空度-0.1MPa,最后将先驱体浸渍液吸入密闭容器中,浸渍时间25小时;
5、干燥:浸渍完成后,将带纤维预制体的模具取出,至于空气中,在室温条件下自然干燥,然后置于烘箱中在85℃条件下进一步烘干;
6、热模压:将烘干后带纤维预制体的模具放入热压机的平台上,以10℃/min的升温速率升至210℃,恒温30分钟,恒温结束时,给模具加压至4MPa,然后保压自然降温至室温;
7、裂解:经热模压后的带纤维预制体模具放入裂解炉中,在真空中以10℃/min的升温速率升至1200℃,恒温1小时后,自然降温;
重复上述4、5、7步骤四次后,去掉模具,再将碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的毛坯重复4、5、7步骤10次后,即完成碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的净尺寸制造。
实施例2
1、模具制造:根据碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的数学模型制造出底模1、左芯模2、中芯模5、右芯模6和压板3等高纯石墨模具;
2、纤维预制体的制造:根据碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的设计图纸,以连续碳化硅纤维为原材料制造出碳化硅预制体;
3、配料:根据所研制碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的成型要求,以聚碳硅烷为溶质、二甲苯为溶剂,准确称量聚碳硅烷和二甲苯放入容器中充分搅拌,形成先驱体浸渍液,搅拌时间5小时,聚碳硅烷含量55%;
4、真空浸渍:将纤维预制体放入底模中,然后依次按要求放置左芯模2、中芯模5、右芯模6、压板3,之后将组装好的带纤维预制体的模具放入密闭容器中,抽真空至真空度-0.1MPa,最后将先驱体浸渍液吸入密闭容器中,浸渍时间20小时;
5、干燥:浸渍完成后,将带纤维预制体的模具取出,至于空气中,在室温条件下自然干燥,然后置于烘箱中在85℃条件下进一步烘干;
6、热模压:将烘干后带纤维预制体的模具放入热压机的平台上,以10℃/min的升温速率升至210℃,恒温30分钟,恒温结束时,给模具加压至5MPa,然后保压自然降温至室温;
7、裂解:经热模压后的带纤维预制体模具放入裂解炉中,在真空中以10℃/min的升温速率升至1100℃,恒温1小时后,自然降温;
重复上述4、5、7步骤四次后,去掉模具,再将碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的毛坯重复4、5、7步骤11次后,即完成碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的净尺寸制造。

Claims (2)

1.一种碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的成型方法,其特征在于,(一)制备碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的成型工装
成型工装由底模(1)、左芯模(2)、中芯模(5)、右芯模(6)和压板(3)组成,根据碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件的数字模型制造出底模(1)、左芯模(2)、中芯模(5)、右芯模(6)和压板(3)高纯石墨模具;
底模(1)、左芯模(2)、中芯模(5)、右芯模(6)和压板(3)与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)的长度相等,底模(1)的上表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)下表面相同的型面,底模(1)的左侧内表面与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)左下侧面贴合,底模(1)的右侧内表面与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)右下侧面贴合,左芯模(2)的底表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)左侧上表面相同的型面,左芯模(2)的左侧面与底模(1)左侧内表面贴合,左芯模(2)的右侧面与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)筋左侧面和中芯模(5)左侧面相贴合,左芯模(2)上表面与压板(3)的下表面相贴合,中芯模(5)的下表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)筋上表面相同的型面,中芯模(5)的上表面与压板(3)的下表面相贴合,右芯模(6)的下表面带有与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)上表面相同的型面,右芯模(6)的左侧面与碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)筋的右侧面和中芯模(5)的右侧面相贴合,右芯模(6)的右侧面与底模(1)的右侧内表面相贴合,右芯模(6)的上表面与压板(3)的下表面相贴合,压板(3)的下表面与左芯模(2)的上表面、中芯模(5)的上表面以及右芯模(6)的上表面相贴合,压板(3)的左侧面部分与底模(1)左侧内表面上部相贴合,压板(3)的右侧面部分与底模(1)右侧内表面上部相贴合;碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)的底板宽度等于底模(1)内侧下部的宽度,碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)的底板宽度等于左芯模(2)、中芯模(5)以及右芯模(6)的宽度之和,中芯模(5)的宽度等于碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)的筋宽,压板(3)的宽度等于底模(1)内侧上部的宽度,压板(3)侧面(8)的高度大于底模(1)内侧上部分内侧面(7)高度5mm以上,底模下部内侧面(9)的高度小于左芯模(2)和碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件(4)的底板高度之和,底模下部内侧面(9)的高度小于右芯模(6)和碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件(4)的底板高度之和,底模下部内侧面(9)的高度小于碳化硅陶瓷基复合材料倒T字形截面构件(4)的底板、筋和中芯模(5)的高度之和;
(二)碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的成型:
2.1、纤维预制体的制造:根据碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的设计图纸,以连续纤维为原材料制造纤维预制体;
2.2、配料:根据所研制碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的成型要求,以聚碳硅烷为溶质、二甲苯为溶剂,准确称量聚碳硅烷和二甲苯放入容器中充分搅拌,形成先驱体浸渍液,搅拌时间2~8小时,聚碳硅烷质量含量40~60%;
2.3、真空浸渍:将纤维预制体放入底模中,然后依次按要求放置左芯模(2)、中芯模(5)、右芯模(6)、压板(3),之后将组装好的带纤维预制体的模具放入密闭容器中,抽真空至真空度‐0.09MPa以上,最后将先驱体浸渍液吸入密闭容器中,浸渍时间10~30小时;
2.4、干燥:浸渍完成后,将带纤维预制体的模具取出,置于空气中,在室温条件下自然干燥,然后置于烘箱中在80~120℃条件下进一步烘干即可;
2.5、热模压:将烘干后带纤维预制体的模具放入热压机的平台上,以10℃/min的升温速率升至190~220℃,恒温30分钟,恒温结束时,给模具加压至2~6MPa,然后保压自然降温至室温;
2.6、裂解:经热模压后的带纤维预制体模具放入裂解炉中,在真空中以10℃/min的升温速率升至1100~1200℃,恒温1小时后,自然降温;
重复上述2.3、2.4、2.6步骤四次后,去掉模具,再将碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的毛坯重复2.3、2.4、2.6步骤10到15次后,即完成碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的制造。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅陶瓷基复合材料倒T形截面构件的成型方法,其特征在于,所述的制造纤维预制体原材料为连续碳化硅纤维。
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