CN105936132A - 一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制作方法，包括以下步骤：一：根据碳纤维复合材料一体化壳体结构的尺寸规格要求，制作模具，模具包括阳模和阴模；二：阳模进行组装装配；三：根据碳纤维复合材料一体化壳体结构的铺层方式，裁切碳纤维预浸布；四：对阴模和阳模表面用酒精进行清理，并喷涂脱模剂；五：在阳模表面铺敷碳纤维预浸布；六：对阴模进行组装装配，把阴模帖附在铺敷完的壳体结构的里面；七：在拼装完成的阴模空腔内，填充铁砂；八：对碳纤维复合材料一体化壳体的模具用真空袋进行包裹，进行抽真空；九：把抽完真空的模具整体用运输车送入高压釜进行固化；十：从高压釜取出固化完成的模具，得到碳纤维复合材料一体化壳体结构。

Description

一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法
【技术领域】
本发明提供一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具制作及制备方法，属于航空航天技术领域。
【背景技术】
近年来，各国都在开展研究平流层飞艇技术研究。平流层飞艇是一种新型低成本、低能耗平流层飞行器，可作为平流层提供通讯支撑的重要存在，在军事和民用上都发挥着很的作用。鉴于平流层飞艇具有留空时间长、载荷量大、效费比高、隐身性能好、生存能力强等应用优势，各航天航空大国相继制定平流层飞艇项目计划，积极开展可行性研究、关键技术攻关和飞行试验。随着项目计划的不断进展，平流层飞艇逐步发展为临近空间最为可行的浮空平台，通过搭载不同载荷来完成各类特定任务，具有巨大的应用潜力和广阔的应用前景。平流层飞艇主要有以下军事应用需求：战场环境探测、侦察监视、区域预警、通信中继、电子对抗、导航定位、毁伤评估等。此外，平流层飞艇还可以应用于国土资源观测、大地测绘、环境监测、城市规划、交通管理、防灾减灾、公共安全等领域，对促进经济社会发展具有重要意义。平流层卫星的搭载载荷直接影响着平流层卫星的先进化程度，因此浮空器的吊装桁架及相连接的壳体结构的减重项目迫在眉睫，目前桁架结构都采用碳纤维增强树脂基复合材料，而金属壳体结构与平流层卫星桁架结构之间的连接离散性大，存在焊接困难，重量较重，碳纤维桁架与壳体之间的电腐蚀对影响平流层飞艇使用性能等问题。因此，亟需研制轻质高效地碳纤维一体化壳体结构来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的是为解决碳纤维复合材料壳体结构一体化成型的问题，提出一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具制备方法，采用碳纤维铺敷技术，阴阳模拼接技术，铁砂真空贴合技术，加温、加压固化方法，制作碳纤维复合材料一体化壳体结构，本方法工艺相对简单，成品质量较高，模具费用较低，多个模具同时操作效率较高，适用于平流层飞艇组成结构的一体化壳体成型制作。
一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：根据碳纤维复合材料一体化壳体结构的尺寸规格要求，制作模具，模具包括阳模和阴模；
步骤二：根据碳纤维复合材料一体化壳体的结构对阳模进行组装装配；
步骤三：根据碳纤维复合材料一体化壳体结构的铺层方式，裁切碳纤维预浸布；
步骤四：对阴模和阳模表面用酒精进行清理，并喷涂脱模剂；
步骤五：在阳模表面铺敷碳纤维预浸布；
步骤六：根据碳纤维复合材料一体化壳体的结构对阴模进行组装装配，把阴模帖附在铺敷完的碳纤维复合材料一体化壳体结构的里面；
步骤七：在拼装完成的阴模空腔内，填充铁砂；
步骤八：对碳纤维复合材料一体化壳体的模具用真空袋进行包裹，进行抽真空，让真空袋与铁砂完全接触；
步骤九：把抽完真空的模具整体用运输车送入高压釜，压力根据碳纤维复合材料一体化壳体结构材料预浸料固化工艺要求设置，固化工艺为：1)由室温升至80℃，压力升至3个大气压，保温保压0.5h,；2)由80℃至125℃，压力升至12个大气压，保温保压2h；3)125℃、12个大气压、保温保压1.5h；4)降至常温常压。
步骤十：从高压釜取出固化完成的模具，冷却至室温，将真空袋打开，取出铁砂，取下阴模，然后拆除阳模，拆除阳模后取出碳纤维复合材料一体化壳体结构。
所述阳模采用钢材料，阴模采用铝材料，阴模和阳模都为分体式可拼接。
所述碳纤维复合材料一体化壳体结构包括一个底面，二个侧面和二个前后面，底面与侧面之间的夹角为90°，底面与前后面之间的夹角为90°，侧面与前后面之间的夹角为90°。
所述根据碳纤维复合材料一体化壳体结构制作的阳模模具包括一个底阳模、一个右阳模、一个与右阳模对应的左阳模(图中未标记)、一个前阳模和一个与前阳模对应的后阳模(图中未标记)，该阳模模具通过螺栓进行紧固。
所述在阳模表面铺敷碳纤维预浸布时需要佩戴洁净的防静电手套。
所述根据碳纤维复合材料一体化壳体结构制作的阴模模具包括一个底阴模、一个前阴模、一个与前阴模对应的后阴模(图中未标记)、一个右阴模、一个与右阴模对应的左阴模(图中未标记)和个阴角模；所述底阴模、前阴模、后阴模、右阴模及左阴模通过阴角模进行搭接。
所述碳纤维预浸布铺层数目为预制厚度除以铺层厚度，壳体铺层完成后，将阴模与碳纤维预浸布铺层贴合，通过铁砂挤压与壳体内表面碳纤维预浸布铺层贴合。
本发明的优点在于：
(1)本发明为平流层卫星结构的组成壳体部件成型提供了一种新的方法，本方法工艺相对简单，成品质量较好，模具成本较低，制作效率较高。
(2)本发明采用钢制阳模模具与铝制阴模模具与辅助成型工具铁砂相结合的模具，有效的提高了模具对碳纤维复合材料壳体制作的压力，提高了碳纤维复合材料壳体的成型质量；
(3)本发明采用了铁砂作为填充试压介质，通过实时抽真空对壳体进行加压，并且有效的降低了模具成本；
(4)本发明方法制作的碳纤维一体化壳体结构大大提高了卫星壳体部件结构的承载能力，在提高壳体整体刚度和稳定性的同时降低了自身重量。
【附图说明】
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明实施例中的碳纤维复合材料一体化壳体结构。
图3是本发明实施例中的阳模整体示意图。
图4是本发明实施例中的阴模整体示意图。
图5是本发明实施例中的阳模分解图。
图6是本发明实施例中的阴模分解图。
图7是本发明实施例中的各部件配合示意图。
图中标号说明如下：
1—底阳模 2—右阳模 3—前阳模 4—底阴模 5—前阴模
6—右阴模 7—阴角模 8—底面 9—侧面 10—前后面
11-高压釜 12-铁砂 13-阴模 14-阳模
15-碳纤维壳体结构 16-真空区域 17-加压区域
【具体实施方式】
下面将结合附图1-7和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法，包括以下几个步骤；
步骤一：根据碳纤维复合材料一体化壳体结构设计要求，制作模具，该模具包括阳模和阴模；
如图2所示碳纤维复合材料一体化壳体结构，长、宽、高分别为500*200*300mm，壳体厚度是2.5mm，包括一个底面8，二个侧面9和二个前后面10，底面8与侧面9之间的夹角为90°，底面8与前后面10之间的夹角为90°，侧面9与前后面10之间的夹角为90°。
步骤二：根据碳纤维复合材料一体化壳体的结构对阳模进行组装装配；
根据碳纤维复合材料一体化壳体结构制作的阳模模具如图3所示，包括一个底阳模1、一个右阳模2、一个与右阳模对应的左阳模(图中未标记)、一个前阳模3和一个与前阳模对应的后阳模(图中未标记)，该阳模全部采用钢材料制成，通过螺栓进行紧固。表示图如图5所示。
步骤三：根据碳纤维复合材料一体化壳体结构铺层要求裁切碳纤维预浸布，裁切规格如表1所示；
序号 规格(mm) 角度 数量
1 620*467 0° 2
2 620*467 30° 2
3 620*467 90° 1
4 620*467 150° 1
5 930*125 0° 2
6 930*125 30° 2
7 930*125 90° 1
8 930*125 150° 1
9 467*170 0° 2
10 467*170 30° 2
11 467*170 90° 1
12 467*170 150° 1
13 1460*170 0° 2
14 1460*170 30° 2
15 1460*170 90° 1
16 1460*170 150° 1
表1
步骤四：对阴模和阳模表面用酒精进行清理，并喷涂脱模剂；
步骤五：按照碳纤维复合材料一体化壳体的铺层要求在阳模表面铺敷裁剪完成的碳纤维预浸布，铺敷时佩戴洁净的防静电手套，防止污染碳纤维预浸布；
步骤六：根据碳纤维复合材料一体化壳体的结构对阴模进行组装装配；
根据碳纤维复合材料一体化壳体结构制作的阴模模具如图4所示，包括一个底阴模4、一个前阴模5、一个与前阴模对应的后阴模(图中未标记)、一个右阴模6、一个与右阴模对应的左阴模(图中未标记)和8个阴角模7；所述底阴模4、前阴模5、后阴模、右阴模6及左阴模通过阴角模7进行搭接。标示图如图6所示。
步骤七：在阴模空腔内填充铁砂，铁砂目数为300目-500目，填充至空腔密实；
步骤八：用真空袋把模具整体进行包裹，通过真空嘴对整个碳纤维复合材料一体化壳体模具实时抽真空，如图7进行。
步骤九：根据碳纤维预浸布的固化要求，对碳纤维复合材料一体化壳体结构预成件进行加热、加压固化。固化工艺为：1)由室温(15℃-20℃)升至80℃，压力升至3个大气压，保温保压0.5h,；2)由80℃至125℃，压力升至12个大气压，保温保压2h；3)125℃、12个大气压、保温保压1.5h；4)降至常温常压；
步骤十：从高压釜取出固化完成的模具，冷却至室温，将真空袋打开，取出铁砂，取下阴模(内模具)，然后根据连接顺序拆除阳模，拆除阳模后取出碳纤维复合材料一体化壳体结构。
脱模时注意轻拿轻放，避免损坏。对脱模的碳纤维复合材料一体化壳体结构进行打磨修边，完成制作后成品如图2所示。
本发明中钢制阳模与铝制阴模相结合的模具，有效提高了模具对碳纤维复合材料一体化壳体的压力，提高了碳纤维复合材料一体化壳体的质量，采用铁砂填充技术，减少了金属模具加工降低了成本，铁砂与真空相配合，提高了真空效果，解决了碳纤维复合材料一体化壳体一体成型，所遇到气泡问题的瓶颈。
本发明以碳纤维斜纹编织布为原料，采用模具为钢模为碳纤维复合材料一体化壳体的阳模，采用铝为碳纤维复合材料一体化壳体的阴模，阴模加工制作时只需要较薄的铝板即可，在阴模空腔内填充铁砂，当碳纤维复合材料一体化壳体整体抽真空时，铁砂相对是可以运动的，铁砂会实时挤压阴模，随着碳纤维复合材料一体化壳体结构软化，热压釜通过铁砂提供压力，提高了碳纤维复合材料一体化壳体结构的质量，按碳纤维预浸布固化程序设定温度加热固化，固化完成后进行脱模，脱模过程注意轻拿轻放避免损伤碳纤维复合材料一体化壳体结构，脱模后进行后处理机械加工形成成品。

Claims (8)

1.一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：根据碳纤维复合材料一体化壳体结构的尺寸规格要求，制作模具，模具包括阳模和阴模；
步骤二：根据碳纤维复合材料一体化壳体的结构对阳模进行组装装配；
步骤三：根据碳纤维复合材料一体化壳体结构的铺层方式，裁切碳纤维预浸布；
步骤四：对阴模和阳模表面用酒精进行清理，并喷涂脱模剂；
步骤五：在阳模表面铺敷碳纤维预浸布；
步骤六：根据碳纤维复合材料一体化壳体的结构对阴模进行组装装配，把阴模帖附在铺敷完的碳纤维复合材料一体化壳体结构的里面；
步骤七：在拼装完成的阴模空腔内，填充铁砂；
步骤八：对碳纤维复合材料一体化壳体的模具用真空袋进行包裹，进行抽真空，让真空袋与铁砂完全接触；
步骤九：把抽完真空的模具整体用运输车送入高压釜进行固化，固化工艺为：首先，由室温升至80℃，压力升至3个大气压，保温保压0.5h,；其次，由80℃至125℃，压力升至12个大气压，保温保压2h；最后，125℃、12个大气压、保温保压1.5h；4)降至常温常压；
步骤十：从高压釜取出固化完成的模具，冷却至室温，将真空袋打开，取出铁砂，取下阴模，然后拆除阳模，拆除阳模后取出碳纤维复合材料一体化壳体结构。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法，其特征在于：所述阳模采用钢材料，阴模采用铝材料，阴模和阳模都为分体式可拼接结构。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法，其特征在于：碳纤维复合材料一体化壳体结构包括一个底面，二个侧面和二个前后面，底面与侧面之间的夹角为90°，底面与前后面之间的夹角为90°，侧面与前后面之间的夹角为90°。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法，其特征在于：阳模模具包括一个底阳模、一个右阳模、一个与右阳模对应的左阳模、一个前阳模和一个与前阳模对应的后阳模，该阳模模具通过螺栓进行紧固。
5.根据权利要求1或2或4所述的一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法，其特征在于：在阳模表面铺敷碳纤维预浸布时需要佩戴防静电手套。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法，其特征在于：阴模模具包括一个底阴模、一个前阴模、一个与前阴模对应的后阴模、一个右阴模、一个与右阴模对应的左阴模和个阴角模；所述底阴模、前阴模、后阴模、右阴模及左阴模通过阴角模进行搭接。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法，其特征在于：铁砂目数为300目-500目。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料一体化壳体结构模具的制备方法，其特征在于：所述室温为15℃-20℃。
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