CN106042503A - 一种超轻质夹层结构复合材料的制备方法 - Google Patents

一种超轻质夹层结构复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种超轻质夹层结构复合材料的制备方法，首先制备热熔预浸料；然后按照预定的铺层方向、铺层层数将制备的热熔预浸料进行铺层，得到层合板预成型体；随后在曲面金属模具表面随形铺覆金属挡条，金属挡条与金属模具采用机械连接固定，然后将层合板预成型体铺覆至挡条的侧面翻边处；然后将密度为30～50kg/m3的开口蜂窝用胶膜拼贴到层合板预成型体表面，再在蜂窝外层铺层所述热熔预浸料；最后采用硅橡胶密封条将预成型体密封，在130℃下固化2小时，制得超轻质夹层结构复合材料。本发明方法在减轻产品重量的同时，解决了侧面蜂窝外露的问题；同时能有效防止蒙皮的翘曲，并防止局部区域产生蜂窝芯子塌陷的现象。

Description

一种超轻质夹层结构复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种非金属/复合材料的成型工艺方法。
背景技术
近十年来，材料及工艺技术的飞速发展促进了航空航天武器、运载型号、空间站、飞行器等结构零部件从金属至复合材料的更新换代，在重量控制上实现了质的飞跃。蜂窝、泡沫夹层结构复合材料的成功应用更是轻质高强复合材料发展史上的一个里程碑，在航空航天上得到了广泛的应用。空间站内饰板正是这一技术高速发展的产物，常规的空间站内饰板多为平板结构形式，采用蜂窝夹层复合材料蒙皮的方案研制，该方案已经经过了各项试验的考核。
尽管如此，空间站产品发展日新月异，至今为止，产品形状种类多，包含圆环状、双曲面、中间开孔并封边等结构形式。单一平板构型的蜂窝夹层结构难以满足形式多样的内饰板设计需求，而常规的夹层结构方案在曲面结构产品的研制上又存在先天的不足，无法满足日益苛刻的强度、刚度、重量等要求，且填充发泡胶方案将导致重量大幅增加，外露的蜂窝也会在一定程度上遭受外界环境的影响；不仅如此，常规的夹层结构方案难以克服结构尺寸和曲率精度控制的难题。需要突出强调的是，新一代空间站的设计理念对产品提出了泄复压需求，即产品内部需要存在一个与外界相连的导气通道，以维持产品内外压力，防止因为压差的存在而产生结构失效的问题。这势必会牺牲夹心结构的强度，导致其在成型过程中产生结构变形、产品塌陷等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种新型超轻质蜂窝夹层结构复合材料的制备方法，通过技术改进，实现了上、下超薄蒙皮与侧面翻边一体，不仅了减轻了产品重量，而且解决了侧面蜂窝外露的问题；采用准各向同性的超薄蒙皮夹层结构，解决了常规蒙皮夹层结构无法满足超薄变曲率夹层结构尺寸和曲率精度要求的难题，能有效防止蒙皮的翘曲；在夹层结构内部芯子的制备过程中，通过在蜂窝表面开槽，使得复合材料存在一个导气通道以平衡内、外压力，并将蜂窝与蒙皮粘接按照一定顺序粘接，防止局部区域产生蜂窝芯子塌陷的现象。
本发明的技术解决方案是：一种超轻质夹层结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备热熔预浸料；具体为：
(11)采用双马树脂或环氧树脂，在温度60～120℃、压力0.1～1.2MPa条件下制备面密度为20～40g/m2、厚度为0.05～0.1mm的树脂膜；
(12)将PAN基碳纤维展开，并在PAN基碳纤维的上表面和下表面分别放置一层树脂膜；
(13)在温度60～120℃、压力0.1～1.2MPa条件下，采用热压法将树脂膜渗透至PAN基碳纤维束中，制得厚度为0.05～0.1mm的热熔预浸料；
(2)按照预定的铺层方向、铺层层数将制备的热熔预浸料进行铺层，得到层合板预成型体；
(3)在曲面金属模具表面随形铺覆金属挡条，金属挡条与金属模具采用机械连接固定，然后将层合板预成型体铺覆至挡条的侧面翻边处；再将密度为30～50kg/m3的开口蜂窝用胶膜拼贴到层合板预成型体表面，再在蜂窝外层铺层所述热熔预浸料；而后采用硅橡胶密封条将预成型体密封，在130℃下固化2小时，制得超轻质夹层结构复合材料。
所述的开口蜂窝的制备方法为：将蜂窝固定放置在压紧工装上，并使得蜂窝的上端面较压紧工装高出2mm，而后采用云石片将蜂窝切割，实现蜂窝的开口，从而形成导气通道。
所述的PAN基碳纤维为T300、T700、PBO纤维、M40JB或者M55J。所述的蜂窝为铝蜂窝、纸蜂窝、芳纶蜂窝或者玻璃钢蜂窝。
本发明与现有技术相比的优点在于：常规轻质夹层结构的蒙皮厚度在1mm左右，蜂窝芯子不具备导气通道，在非大气压环境下使用时，内、外存在一定的压差，容易导致结构变形甚至失效。本发明制备的超轻质夹层结构复合材料采用0.4～1mm厚的碳纤维复合材料超薄蒙皮与导气蜂窝复合而成，蒙皮厚度的减小将产品重量降低了50％以上。超薄碳纤维复合材料超薄蒙皮的使用是建立在超薄预浸料的基础之上，本发明方法合理地将大丝束纤维展开并制备合理面密度的树脂胶膜，将两者在特定的环境下热压以制备超薄热熔预浸料，其厚度控制精度为±0.01mm；超薄预浸料的使用，能增加一定厚度蒙皮的铺层数量，配合对称、准各向同性的铺层设计，能有效地解决产品翘曲、变形、尺寸精度低等问题，大大提高了复合材料的可设计性。通过合理的模具设计，在异型的阳模放置压条，实现了上、下超薄蒙皮与侧面翻边整体成型，省去了发泡胶封边，在减轻产品重量的同时，解决了侧面蜂窝外露等问题。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图。
具体实施方式
下面给出本发明方法的具体实例。
实例1，制备蒙皮厚度为0.4mm的超轻质夹层结构复合材料。
首先，合理地将大丝束纤维展开并制备合理面密度的树脂胶膜，将两者在温度70℃、压力0.2MPa的环境下热压以制备厚度为0.08mm的超薄热熔预浸料(树脂体系选用双马树脂，增强纤维选用T300、T700、PBO纤维或是纤维织物)，将预浸料的铺层顺序设计为45/-45/0/-45/45，在模具表面按照该顺序铺覆5层预浸料，并在预浸料表面铺覆1层滤纸，然后密封，采用合理的模具设计将产品侧面与翻边整体成型，在温度为110℃、压力为0.2MPa的条件下将预浸料固化，即完成超轻质夹层结构复合材料蒙皮的制备，固化后的蒙皮厚度为0.4mm，将蒙皮与存在导气通道的蜂窝按指定的方向采用胶膜粘接，再在蜂窝外层铺层热熔预浸料，而后采用硅橡胶密封条将预成型体密封，在130℃下固化2小时，即完成超轻质夹层结构复合材料的制备。
实例2，制备蒙皮厚度为1mm的超轻质夹层结构复合材料。
首先，合理地将大丝束纤维展开并制备合理面密度的树脂胶膜，将两者在温度100℃、压力0.4MPa的环境下热压以制备厚度为0.05mm的超薄热熔预浸料(树脂体系选用环氧树脂体系，增强纤维选用M40JB、M55、PBO纤维)，将预浸料的铺层顺序设计为[45/-45/0/90/0/0/90/0/-45/45]s，在模具表面按照该顺序铺覆10层预浸料，并在预浸料表面铺覆3层滤纸，然后密封，采用合理的模具设计将产品侧面与翻边整体成型，在温度为120℃、压力为0.1MPa的条件下将预浸料固化，即完成超轻质夹层结构复合材料蒙皮的制备，固化后的蒙皮厚度为1mm，将蒙皮与存在导气通道的蜂窝按指定的方向采用胶膜粘接，再在蜂窝外层铺层热熔预浸料，而后采用硅橡胶密封条将预成型体密封，在130℃下固化2小时，即完成超轻质夹层结构复合材料的制备。
实例3，制备蒙皮厚度为0.8mm的超轻质夹层结构复合材料。
首先，合理地将大丝束纤维展开并制备合理面密度的树脂胶膜，将两者在温度110℃、压力0.5MPa的环境下热压以制备厚度为0.05mm的超薄热熔预浸料(树脂体系选用双马树脂，增强纤维选用T300、T700、PBO纤维或是纤维织物)，将预浸料的铺层顺序设计为[45/-45/0/90/90/0/-45/45]s，在模具表面按照该顺序铺覆8层预浸料，并在预浸料表面铺覆2层滤纸，然后密封，采用合理的模具设计将产品侧面与翻边整体成型，在温度为90℃、压力为0.3MPa的条件下将预浸料固化，即完成超轻质夹层结构复合材料蒙皮的制备，固化后的蒙皮厚度为0.8mm，将蒙皮与存在导气通道的蜂窝按指定的方向采用胶膜粘接，再在蜂窝外层铺层热熔预浸料，而后采用硅橡胶密封条将预成型体密封，在130℃下固化2小时，即完成超轻质夹层结构复合材料的制备。
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 (4)

1.一种超轻质夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)制备热熔预浸料；具体为：
(11)采用双马树脂或环氧树脂，在温度60～120℃、压力0.1～1.2MPa条件下制备面密度为20～40g/m2、厚度为0.05～0.1mm的树脂膜；
(12)将PAN基碳纤维展开，并在PAN基碳纤维的上表面和下表面分别放置一层树脂膜；
(13)在温度60～120℃、压力0.1～1.2MPa条件下，采用热压法将树脂膜渗透至PAN基碳纤维束中，制得厚度为0.05～0.1mm的热熔预浸料；
(2)按照预定的铺层方向、铺层层数将制备的热熔预浸料进行铺层，得到层合板预成型体；
(3)在曲面金属模具表面随形铺覆金属挡条，金属挡条与金属模具采用机械连接固定，然后将层合板预成型体铺覆至挡条的侧面翻边处；再将密度为30～50kg/m3的开口蜂窝用胶膜拼贴到层合板预成型体表面，再在蜂窝外层铺层所述热熔预浸料；而后采用硅橡胶密封条将预成型体密封，在130℃下固化2小时，制得超轻质夹层结构复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种超轻质夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述的开口蜂窝的制备方法为：将蜂窝固定放置在压紧工装上，并使得蜂窝的上端面较压紧工装高出2mm，而后采用云石片将蜂窝切割，实现蜂窝的开口，从而形成导气通道。
3.根据权利要求1或2所述的一种超轻质夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述的PAN基碳纤维为T300、T700、PBO纤维、M40JB或者M55J。
4.根据权利要求1或2所述的一种超轻质夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述的蜂窝为铝蜂窝、纸蜂窝、芳纶蜂窝或者玻璃钢蜂窝。
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