CN105904740A - 一种复合材料轻质连续纤维网格的整体制造方法 - Google Patents

一种复合材料轻质连续纤维网格的整体制造方法 Download PDF

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Abstract

一种复合材料轻质连续纤维网格的整体制造方法，步骤为：(1)将泡沫芯材加工成条状并加工出切口；(2)将金属预埋件镶嵌在条状泡沫芯材上；(3)加工框架模具和金属盖板；(4)清洗框架模具，设置隔离薄膜；(5)通过加压的方式将硅橡胶垫片粘贴在框架模具内侧面；(6)按照织物预浸料、单向预浸料、织物预浸料、泡沫芯材的顺序依次铺放在框架模具的内侧面；(7)将金属盖板搭在框架模具的上表面，采用抽真空的方式进行预先压实；(8)在预压实产品表面依次铺覆隔离材料、透气毡，然后再次通过抽真空加压的方式进行固化；(9)固化完成后，脱去加工框架模具和金属盖板，对网格打磨、修补，最后在金属预埋件部位进行打孔。

Description

一种复合材料轻质连续纤维网格的整体制造方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料产品的整体成型方法。
背景技术
近年来，泡沫夹层复合材料结构在运载火箭、航空、风力发电机叶片、体育运动器材、医用设备配件、船舶制造、列车机车等领域大量应用，尤其在美日等发达国家，广泛已应用于高技术领域，主要有：美国的Delta运载火箭的整流罩，日本三菱的HII-A运载火箭的整流罩，日本新干线的火车头，通用、西门子等公司的医疗床板、Vestas的风力发电机叶片等。我国使用泡沫夹层复合材料在高端领域应用较晚，虽然与国外相比存在较大差距，但近年来，国内航空航天领域，如直升机桨叶、火箭整流罩、导弹易碎盖、发射筒筒盖、风洞用叶片也已应用该结构，发展迅速。
目前网格承力结构还主要依赖实心的网格加筋结构，复合材料网格结构也主要是借鉴了金属网格结构的优势发展而来的，常应用在战略导弹级间段、仪器舱、空间飞行器舱体、火箭对接框、承力筒、整流罩等部件。传统的实心网格加筋结构在制备过程中，在网格交叉处为了保证结构匹配必须打断相交叉筋条的部分截面，导致其网格的交叉处是无法保证纤维100％连续的，这就使得整体筋条的强度下降，性能无法得到完全的发挥。传统的蜂窝夹芯结构多用于壳体、罩体等结构，蜂窝芯子的主要作用是保证外蒙皮或结构的型面且提供剪切力的传递。但是对于网格结构蜂窝芯子不再适用，因为网格结构是四面封闭的，成型时候各个面需要均匀加压，而蜂窝芯子在其面内方向上正是其薄弱的地方，通常需要采用局部灌胶或是加边框的方式，这对于网格结构不再适用。
综上所述，对于网格结构如何做到质量轻且强度高，解决纤维铺放的连续性与轻质夹芯结构相结合是技术关键，但针对这种轻质夹芯纤维连续铺放网格结构目前公开的资料均未见报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种复合材料轻质连续纤维网格整体制造方法，采用硅橡胶软模辅助加压与组合式框架芯模结构相结合的方法制备出了整体成型轻质泡沫夹层网格承力结构，同时，采用了纤维连续铺放蒙皮工艺有效地突破了轻质泡沫夹层结构无法在空间三维网格结构上应用的技术瓶颈，能够很好地弥补传统的实心网格加筋结构纤维无法连续铺放与传统的夹芯结构无法制备成网格结构的技术空白。
本发明的技术解决方案是：一种复合材料轻质连续纤维网格的整体制造方法，包括如下步骤：
(1)将泡沫芯材加工成条状，并且在条状泡沫芯材将要相互交叉形成网格的位置处加工出用于相互拼插的切口；
(2)在条状泡沫芯材上加工出用于放置金属预埋件的位置，并将金属预埋件涂胶后镶嵌在条状泡沫芯材上待用；
(3)加工框架模具和金属盖板；所述的框架模具由位于底部的定位模具和内部的芯模组成，定位模具为平板形状，芯模为矩形块状，定位模具的上表面与芯模的下表面以及复合材料连续纤维网格的下表面相接触，内部芯模的外侧面与周边的复合材料连续纤维网格的内侧面相接触，用于压紧的金属盖板搭在芯模的上表面；
(4)清洗框架模具，并在框架模具上表面粘贴隔离薄膜或者涂脱模剂；
(5)通过加压的方式将硅橡胶垫片粘贴在所述框架模具的内侧面上；
(6)将织物预浸料和单向预浸料均裁成条状，按照织物预浸料、单向预浸料、织物预浸料、泡沫芯材的顺序依次铺放在框架模具的内侧面上，其中在放入泡沫芯材之前，织物预浸料和单向预浸料要保持外翻的状态，等待泡沫芯材放入后再将外翻部分全部包覆在泡沫芯材上；
(7)将金属盖板搭在框架模具的上表面，然后包覆真空袋，进行抽真空的方式，利用金属盖板对织物预浸料、单向预浸料、泡沫芯材进行预先压实，得到预压实产品；
(8)在预压实产品表面依次铺覆隔离材料、透气毡，然后整体再次装入真空袋中，根据织物预浸料和单向预浸料的固化温度，通过抽真空加压的方式进行固化；
(9)固化完成后，脱去加工框架模具和金属盖板，对复合材料连续纤维网格打磨、修补，最后在金属预埋件部位进行打孔。
所述的金属盖板的宽度比泡沫芯材的宽度多出10～15mm，金属盖板的厚度为1～4mm。
所述的硅橡胶垫片的厚度在1～6mm，并在框架模具的内侧面接触表面上提供0.2～0.4MPa的压力。
所述的织物预浸料或者单向预浸料为聚丙烯腈碳纤维/环氧树脂、聚苯并二噁唑纤维/环氧树脂、聚丙烯腈碳纤维/氰酸酯树脂、聚苯并二噁唑纤维/氰酸酯树脂、聚丙烯腈碳纤维/苯并噁嗪树脂或者聚苯并二噁唑纤维/苯并噁嗪树脂。
所述步骤(7)或者步骤(8)中抽真空的真空度≤-0.090MPa。
所述的隔离材料为胶带。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法制备的复合材料轻质连续纤维网格具有质量轻、刚度好、整体型好等优点，而且模具投入低，工艺过程简单，操作方便，具有很强的实用性，具体表现在以下几个方面：
(1)在泡沫芯材上采用开沟槽的形式，保证网格交叉处纤维连续、重叠、不打断，解决了传统复合材料实心网格结构在交叉处无法保证所有方向纤维都连续的技术难题，采用本发明方法制备的网格结构在节点处的比强度高于传统的热压罐成型的实心网格结构；
(2)对预浸料固化的网格在其侧面铺放膨胀系数较大的硅橡胶软模，以实现对其侧面加压，解决了传统金属模具很难同时对产品各个面均匀加压的工艺难题，实现了复合材料框架结构的整体一次成型；
(3)在不需要额外刚性模具的情况下，采用金属盖板结合真空袋加压完成网格的成型，与整体的金属模具相比，具有加压均匀、成本低廉、制备方便的特点；
(4)采用预浸料或是干态纤维预制体整体包覆的手段将选择的泡沫芯材放入预浸料内，并将其包覆在预浸料内，相对于传统的制备泡沫夹层结构在边缘处需要二次成型封边或是粘接加强框，存在工艺复杂、结构效率低下的不足，本发明方法能够实现蒙皮不同区域、等厚度全包覆、一次成型，简化了工艺、节省了成本、提高了结构效率；
(5)本发明方法工艺适应性强，可以采用热压罐或烘箱固化，制备蒙皮的增强体既可以采用预浸料也可以是干态纤维预成型体采用RTM或真空辅助成型技术。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明方法的流程框图，主要包括以下关键步骤：
(1)材料准备。根据设计图纸要求，将泡沫芯材按复合材料框架的长度、宽度加工成条状，并且在泡沫相互交叉处开切口，方便相互拼插，这里要求泡沫芯材的长度方向可以用胶接的方式拼接，泡沫芯材的横截面尺寸要根据框架产品的理论横截面尺寸减去复合材料蒙皮未压实前的厚度，并按尺寸负公差-0.1～-0.15mm进行加工；在预埋件处对PMI(聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，密度通常在70～200kg/m3之间)泡沫进行加工，要求按尺寸负公差-0.1mm进行机加开槽，然后将金属预埋件涂上胶镶嵌(通过胶膜与泡沫粘接)在泡沫芯材开槽中待用，之后泡沫芯材与金属预埋件都要全部被复合材料蒙皮包裹在里面。金属预埋件的作用是待框架整体成型后，在其上面打孔安装其他器件，起到连接作用，但是金属预埋件从框架产品外观无法直接可见，只能通过预先设计的位置进行机加打孔，所以预埋件尺寸的设计与成型位置偏差是保证机加打孔成功的关键因素。
(2)框架模具与金属盖板的设计加工。框架模具由底部定位模具和内部芯模组成。底部模具为平板形状且上面开有定位槽，内部芯模要求分块加工成矩形块状，分为上、下表面和外侧面。底部定位模具的上表面与内部芯模的下表面和复合材料框架产品下表面相接触，并且将芯模放置在底部定位模具的定位槽中。内部芯模的外侧面将来帖覆硅橡胶软模后与周边的复合材料框架产品的内侧面相接触。金属盖板搭在相邻的内部芯模的上表面，用于对复合材料框架产品上表面施加压力。模具可以为金属、复合材料、或者密度板材料。金属盖板宽度要求比泡沫芯材宽度多出10～15mm，其重量方面没有其他要求，出于对金属盖板的弯曲刚度考虑，其厚度为1～4mm。
(3)清理模具、涂脱模剂。
在框架模具的芯模上表面对应铺层预浸料外翻的区域粘贴隔离薄膜或者涂脱模剂，使外翻预浸料容易从框架模具上揭开。
(4)采用硅橡胶软模辅助加压的方式对框架的内表面施加固化压力，硅橡胶本身很柔软，但是当硅橡胶在受热时会有较大的热膨胀量，可以用来对复合材料成型表面均匀地施加压力，如同模具施加压力，所以这里称为软模。将指定厚度的硅橡胶垫片(厚度在1～6mm)粘贴在框架模具的内侧表面，确保能够保证在接触表上提供0.2～0.4MPa的压力。
(5)将现有的预浸料裁成条状，材料铺覆顺序要求由外至内，依次铺放织物预浸料、单向预浸料、织物预浸料、泡沫芯材至框架模具中。在放入泡沫芯材之前，预浸料要保持外翻的状态，等待泡沫芯材放入后再将外翻预浸料全部包覆在泡沫芯材上。
织物、单向预浸料主要包括：聚丙烯腈(PAN)碳纤维/环氧树脂、聚苯并二噁唑(PBO)纤维/环氧树脂、聚丙烯腈(PAN)碳纤维/氰酸酯树脂、聚苯并二噁唑(PBO)纤维/氰酸酯树脂、聚丙烯腈(PAN)碳纤维/苯并噁嗪树脂、聚苯并二噁唑(PBO)纤维/苯并噁嗪树脂。
(6)将金属盖板的边缘均匀地搭在框架模具与产品的上表面，然后包覆真空袋，进行抽真空(真空表压≤-0.090MPa)10小时以上进行产品的预先压实。
(7)检查预压实产品，确认无误后在表面依次铺覆隔离材料(压敏胶带或普通透明胶带)、透气毡、真空袋，最后根据实际采用的预浸料的固化温度，按相应的要求进行抽真空(真空表压≤-0.090MPa)、加压(压力在0.3～0.6MPa之间)、设置固化温度(采用的树脂体系不同其固化温度也不相同，根据实际采用树脂体系的固化制度而定)进行固化。如果采用RTM或真空辅助成型工艺，其干态纤维预成型体采用纤维织物与单向纤维帘子布相结合，环氧树脂按规定温度范围内(60～90℃)抽真空进行灌注。
(8)固化完成后，待产品温度降至50℃后从热压罐中取出，首先将复合材料框架产品与内部芯模同时从底部定位模具上脱下来，然后用橡皮锤子轻轻敲击，将内部芯模从复合材料框架中间取出，经打磨、修补后在金属预埋件部位进行打孔。
实施例1
制造一种透波复合材料天线支架，包括以下步骤：
(1)在泡沫芯材上采用开沟槽的形式，预埋金属件预先埋入泡沫芯材的槽中，通过胶粘接固定好位置。
(2)保证网格交叉处复合材料纤维连续、重叠、不打断(重叠处的厚度通过泡沫芯预先开槽来调整)，所以使得节点处的比强度高于传统的热压罐成型的实心网格结构；
(3)采用玻璃纤维预浸料作为支架蒙皮用预浸料，其铺层共计5层，内外是织物预浸料，中间三层是单向预浸料。铺层角度均为0°。织物预浸料厚度为0.2±0.03mm，幅宽1.0m；单向预浸料厚度为0.15±0.02mm，幅宽1.0m。
(4)框架模具为组合式模具，需要首先根据设计尺寸将块状模具拼接好，让位置固定。
(5)采用软模辅助加压技术，对预浸料固化的网格在其侧面铺放膨胀系数较大的胶板，以实现对其加压。采用胶板的厚度为4mm，通过胶粘的方式固定在框架模具的内侧面。
(6)在不需要额外刚性模具的情况下，采用真空袋加压完成外部筋条的成型，无模具的表面采用硬铝材料板覆盖在构件上表面，通过热压罐内加压的方式，保证了成型后的筋条重量小于传统的实心复合材料筋条。
(7)采用预浸料整体包覆的手段将选择的泡沫芯材放入预浸料内，并将其包覆在预浸料内。
(8)预浸料在模具上铺完层后，包覆、密封、抽真空，当真空表压≤-0.090MPa后进烘箱开始升温，升温速率控制在20℃/h，至130℃保温3h进行固化，固化压力为0.6MPa，固化结束后自然冷却至室温脱模。
实施例2
制造一种轻质、高强、便携式复合材料泡沫夹芯梯子，包括以下步骤：
(1)在PMI泡沫芯材上采用开沟槽的形式，泡沫密度控制在70～200kg/m3之间，保证网格交叉处复合材料纤维连续、重叠、不打断，重叠处的厚度通过泡沫芯预先开槽来调整。
(2)蒙皮的预浸料纤维体系采用高模纤维，例如M40JB、M55、PBO纤维，树脂体系采用环氧树脂；蒙皮的内外面采用织物预浸料来保证梯子的各个面完好的连接性能。其铺层共计5层，内外是织物预浸料，中间三层是单向预浸料。铺层角度均为0°。织物预浸料厚度为0.2±0.03mm，幅宽1.0m；单向预浸料厚度为0.15±0.02mm，幅宽1.0m。
(4)框架模具为组合式模具，需要首先根据设计尺寸将块状模具拼接好，让位置固定。
(5)采用软模辅助加压技术，对预浸料固化的网格在其侧面铺放膨胀系数较大的胶板，以实现对其加压。采用胶板的厚度为5mm，通过胶粘的方式固定在框架模具的内侧面。
(6)在不需要额外刚性模具的情况下，采用真空袋加压完成外部筋条的成型，无模具的表面采用硬铝材料板覆盖在构件上表面，通过热压罐内加压的方式，保证了成型后的结构重量小于传统的实心复合材料筋条。
(7)采用干态纤维预制体整体包覆的手段将选择的泡沫芯材放入预浸料内，并将其包覆在预浸料内。
(8)采用热压罐或是烘箱成型工艺，将结构包覆、密封、抽真空，当真空表压≤-0.090MPa后进烘箱开始升温，升温速率控制在20℃/h，至130℃保温3h进行固化，固化压力为0.6MPa，固化结束后自然冷却至室温脱模。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种复合材料轻质连续纤维网格的整体制造方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将泡沫芯材加工成条状，并且在条状泡沫芯材将要相互交叉形成网格的位置处加工出用于相互拼插的切口；
(2)在条状泡沫芯材上加工出用于放置金属预埋件的位置，并将金属预埋件涂胶后镶嵌在条状泡沫芯材上待用；
(3)加工框架模具和金属盖板；所述的框架模具由位于底部的定位模具和内部的芯模组成，定位模具为平板形状，芯模为矩形块状，定位模具的上表面与芯模的下表面以及复合材料连续纤维网格的下表面相接触，内部芯模的外侧面与周边的复合材料连续纤维网格的内侧面相接触，用于压紧的金属盖板搭在芯模的上表面；
(4)清洗框架模具，并在框架模具上表面粘贴隔离薄膜或者涂脱模剂；
(5)通过加压的方式将硅橡胶垫片粘贴在所述框架模具的内侧面上；
(6)将织物预浸料和单向预浸料均裁成条状，按照织物预浸料、单向预浸料、织物预浸料、泡沫芯材的顺序依次铺放在框架模具的内侧面上，其中在放入泡沫芯材之前，织物预浸料和单向预浸料要保持外翻的状态，等待泡沫芯材放入后再将外翻部分全部包覆在泡沫芯材上；
(7)将金属盖板搭在框架模具的上表面，然后包覆真空袋，进行抽真空的方式，利用金属盖板对织物预浸料、单向预浸料、泡沫芯材进行预先压实，得到预压实产品；
(8)在预压实产品表面依次铺覆隔离材料、透气毡，然后整体再次装入真空袋中，根据织物预浸料和单向预浸料的固化温度，通过抽真空加压的方式进行固化；
(9)固化完成后，脱去加工框架模具和金属盖板，对复合材料连续纤维网格打磨、修补，最后在金属预埋件部位进行打孔。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料轻质连续纤维网格的整体制造方法，其特征在于：所述的金属盖板的宽度比泡沫芯材的宽度多出10～15mm，金属盖板的厚度为1～4mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种复合材料轻质连续纤维网格的整体制造方法，其特征在于：所述的硅橡胶垫片的厚度在1～6mm，并在框架模具的内侧面接触表面上提供0.2～0.4MPa的压力。
4.根据权利要求1或2所述的一种复合材料轻质连续纤维网格的整体制造方法，其特征在于：所述的织物预浸料或者单向预浸料为聚丙烯腈碳纤维/环氧树脂、聚苯并二噁唑纤维/环氧树脂、聚丙烯腈碳纤维/氰酸酯树脂、聚苯并二噁唑纤维/氰酸酯树脂、聚丙烯腈碳纤维/苯并噁嗪树脂或者聚苯并二噁唑纤维/苯并噁嗪树脂。
5.根据权利要求1或2所述的一种复合材料轻质连续纤维网格的整体制造方法，其特征在于：所述步骤(7)或者步骤(8)中抽真空的真空度≤-0.090MPa。
6.根据权利要求1或2所述的一种复合材料轻质连续纤维网格的整体制造方法，其特征在于：所述的隔离材料为胶带。
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