CN106584881A - 一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构及其制备方法。镂空帽形米字加筋全碳纤维结构包括帽形米字加筋和球壳叠层板两部分，两部分均采用碳纤维树脂基复合材料作原材料，帽形米字加筋与球壳叠层板一次性整体成型。该镂空帽形米字加筋全碳纤维结构整体质量较轻，能够承受‑170℃‑190℃的温度区域范围，且在高低温环境中具有较高的稳定性，在航天航空领域有较好的应用前景。

Description

一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及了一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构及其制备方法。属于卫星结构、深空探测技术领域。
背景技术
近代工程结构，特别是航空航天结构的飞速发展，迫切需要尽可能的减轻结构质量和节省材料，同时又能满足结构的安全可靠和使用性能的要求。碳纤维复合材料以其比强度、比模量高、抗腐蚀、耐疲劳、可设计性好等一系列优点，在航空航天领域获得广泛应用，已成为航空航天主要结构材料之一。初期的复合材料应用是对原金属结构的简单替代，随着对复合材料特性的深入了解，目前普遍采用适合复合材料特点的结构设计方案，帽形加筋是一种可实现有效减重、结构性能优越、生产效率较高的结构形式。这种结构越来越多地被航天结构所采用，它比普通的板壳式复合材料结构更进一步减轻了结构质量。同时随着航空航天制造技术的发展，复合材料的用量也越来越大，从非承力部件逐步过渡到大型主承力结构，而且越来越多的青睐复合材料整体成型技术。复合材料整体结构成型是采用共固化、二次固化、共聚合等工艺手段将若干复合材料零部件组合成大型的整体件。共固化成型方法因为是一次整体成型，减少了热压罐的使用次数，所以大大降低了制造成本。共固化成型不使用胶黏剂，制造出来的构件结构重量轻，构件变形量小，这对于要求结构重量轻和外形尺寸精确高的卫星结构等零部件来说，具有无可比拟的优势。
镂空帽形米字加筋全碳纤维结构是指全碳纤维帽形筋条与蒙皮组成了一个封闭结构，因此，帽形筋的成型质量和型面精度的控制是共固化成型工艺方案的重点和难点。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构及其制备方法，镂空帽形米字加筋全碳纤维结构包括帽形米字加筋和球壳叠层板两部分，均采用碳纤维树脂基复合材料作原材料，帽形米字加筋与球壳叠层板一次性整体成型。该方法制备的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的成型质量好，外形型面精度高、型面尺寸稳定。
本发明的技术方案是：一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构，整体均采用碳纤维树脂基复合材料作原材料，包括帽形米字加筋和球壳叠层板；帽形米字加筋整体构型呈“米”字形，包括对称叠加的两个正交的帽形加强筋和两个交叉的帽形加强筋，所述两个交叉的帽形加强筋之间的角度为55°～65°之间；所述帽形加强筋为中空结构，截面为梯形，梯形底部两侧带有翻边；所述球壳叠层板为碳纤维层合板，与帽形加强筋底部翻边贴合并一体成型，最终形成一个半封闭的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构。
一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的制备方法，步骤如下：
步骤一：根据帽形米字加筋结构中帽形米字筋的外形尺寸制造帽形米字加筋铺层预压装置；
步骤二：根据球壳叠层板结构中球壳叠层板的外形尺寸制造球壳叠层板铺层固化装置；
步骤三：根据帽形米字加筋结构的数量，利用帽形米字筋铺层预压装置制造传压软模，用于帽形米字加筋结构的固化；
步骤四：清理帽形米字筋铺层预压装置，铺放隔离材料；
步骤五：清理球壳叠层板铺层固化装置，铺放隔离材料；
步骤六：准备用于帽形米字加筋结构和球壳叠层板结构铺层的碳纤维预浸料；
步骤七：在帽形米字筋铺层预压装置上进行碳纤维预浸料的铺层，并进行热预压；
步骤八：在球壳叠层板铺层固化装置上进行碳纤维预浸料的铺层；
步骤九：将铺层完成的帽形米字加筋、传压软模和球壳叠层板一起按照产品的结构进行组装，形成镂空帽形米字加筋全碳纤维结构，通过预置定位孔定位，实现装配精度，并固定；
步骤十：将组装好的帽形米字加筋与球壳叠层板及传压软膜、球壳叠层板铺层固化装置利用真空袋封装，置入热压罐中进行固化；
步骤十一：固化完成后，将帽形米字加筋与球壳叠层板及传压软膜、球壳叠层板铺层固化装置从热压罐中取出并脱模；
步骤十二：对脱模后的全碳纤维结构采用机械加工的方式将周边延伸部分进行切除，得到符合最终外形尺寸要求的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构。
步骤三中所述的利用帽形米字筋铺层预压装置制造传压软模是在帽形米字筋铺层预压装置内铺放与制品等高的蜡片，然后浇注硫化橡胶进行传压软膜的制作。
步骤四中所述的清理帽形米字筋铺层预压装置采用丙酮或乙酸乙酯清理米字筋铺层预压装置的表面，清理完成后在帽形米字筋铺层预压装置表面贴单面带胶隔离布。
步骤五中所述的球壳叠层板铺层固化装置采用丙酮或乙酸乙酯清理球壳叠层板铺层固化装置的表面，清理完成后在球壳叠层板铺层固化装置表面贴单面带胶隔离布。
步骤六中所述的用于帽形米字筋和球壳叠层板铺层的碳纤维预浸料的含胶量为35％～38％。
步骤七、步骤八中所述的帽形米字筋铺层预压装置和球壳叠层板铺层固化装置上进行碳纤维预浸料的铺层采用对称铺层方式。
步骤九中所述的铺层完成后帽形米字加筋、传压软模和球壳叠层板结构的组装，使有碳纤维预浸料铺层的帽形米字筋结构和球壳叠层板结构相连接。
步骤十中所述的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构采用真空袋封装，热压罐加压，软模传压的方式固化，升温至120～125℃时，开始逐级加压，温度至190～195℃加压至0.9MPa，保持110～120min固化完成。
步骤十一中所述的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构脱模待固化装置降到120℃后进行脱模。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明制备的一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构是一种新型的纯碳纤维结构，可以用于航空、航天上，即可满足其结构性能指标要求，又可实现有效减重；本发明一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的制备方法将帽形米字加筋与球壳叠层板一次性共固化整体成型，而不是采用传统的分别成型帽形米字加筋和球壳叠层板，然后再进行胶接连接的方法，该方法减小结构中的内应力，可以增强镂空帽形米字加筋全碳纤维结构在-170℃～190℃高低温环境中的稳定性，并且利用共固化整体成型相比二次胶接固化可以提高生产效率和降低制造成本。
附图说明
图1为镂空帽形米加筋全碳纤维结构组成图。图1中，1a为帽形米字加筋俯视构型示意图，1b为镂空帽形米字加筋全碳纤维结构截面剖视示意图，1c为帽形米字加筋三维产品示意图；
图2为帽形米字加筋铺层预压装置示意图。图2中，2a为帽形米字加筋铺层装置左视图，2b为帽形米字加筋铺层装置主视图，2c为帽形米字加筋预压装置左视图，2d为帽形米字加筋预压装置主视图；
图3为帽形米字加筋固化装置示意图。图3中，3a为帽形米字加筋固化装置仰视图，3b为帽形米字加筋固化装置三维示意图，3c为帽形米字加筋固化装置俯视图；
图4为球壳叠层板铺层固化装置示意图。
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。
本发明制备的一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构，整体均采用碳纤维树脂基复合材料作原材料，其特征在于：包括帽形米字加筋(如图1中的1c图所示)和球壳叠层板；帽形米字加筋整体构型呈“米”字形(如图1中的1a图所示)，包括对称叠加的两个正交的帽形加强筋和两个交叉的帽形加强筋，所述两个交叉的帽形加强筋之间的角度为55°～65°之间均可；所述帽形加强筋(如图1中的1b图所示)为中空结构，截面为梯形，梯形底部两侧带有翻边；所述球壳叠层板为碳纤维层合板，与帽形加强筋底部翻边贴合并一体成型，最终形成一个半封闭的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构。
如图2-4所示，本发明提供的一套镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的成型装置。图2中的2a、2b与2c、2d为对缝封闭的帽形米字加筋铺层、预压装置，其工装接触面为球壳叠层板的外形球面结构，尺寸为SR2910.3mm，工装外形Φ800mm，中部为帽形米字结构，米字结构整体顶面为球面，球面半径为SR2890.3mm，距离底面高度20mm；图3为帽形米字加筋固化装置，与图4共同构成球壳叠层板铺层固化装置。图4的成型工装上表面为球壳叠层板的铺层装置型面，其型面尺寸为SR2913mm。
本发明提供的一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构及其制备方法，整体成型外形尺寸精度偏差不大于0.2mm。其优选实施步骤具体包括以下：
步骤一：根据帽形米字加筋结构中帽形米字筋的外形尺寸制造帽形米字加筋铺层预压装置；
步骤二：根据球壳叠层板结构中球壳叠层板的外形尺寸制造球壳叠层板铺层固化装置；
步骤三：根据帽形米字加筋结构的数量，利用帽形米字筋铺层预压装置制造传压软模，用于帽形米字加筋结构的固化。所述传压软模是在帽形米字筋铺层预压装置内铺放与制品等高的蜡片，然后浇注硫化橡胶进行传压软膜的制作；
步骤四：清理帽形米字加筋铺层预压装置，采用丙酮或乙酸乙酯清理帽形米字加筋铺层预压装置的表面。清理完成后铺放隔离材料，在帽形米字筋铺层预压装置表面贴单面带胶隔离布；
步骤五：清理球壳叠层板铺层固化装置，采用丙酮或乙酸乙酯清理球壳叠层板铺层固化装置的表面。清理完成后铺放隔离材料，在球壳叠层板铺层固化装置表面贴单面带胶隔离布；
步骤六：准备用于帽形米字加筋结构和球壳叠层板结构铺层的碳纤维预浸料，所述的用于帽形米字筋和球壳叠层板铺层的碳纤维预浸料含胶量为35％～38％；
步骤七：在帽形米字筋铺层预压装置上进行碳纤维预浸料的铺层，铺层采用对称铺层方式，并进行热预压；
步骤八：在球壳叠层板铺层固化装置上进行碳纤维预浸料的铺层，铺层采用对称铺层方式；
步骤九：将铺层完成的帽形米字加筋、传压软模和球壳叠层板一起按照产品的结构进行组装，，使有碳纤维预浸料铺层的帽形米字加筋结构和球壳叠层板结构相连接，形成镂空帽形米字加筋全碳纤维结构，通过预置定位孔定位，实现装配精度，并固定；
步骤十：将组装好的帽形米字加筋与球壳叠层板及传压软膜、球壳叠层板铺层固化装置利用真空袋封装，置入热压罐中进行固化，采用热压罐加压，软模传压的方式固化。升温至120～125℃时，开始逐级加压，温度至190～195℃加压至0.9MPa，保持110～120min固化完成；
步骤十一：固化完成后，将帽形米字加筋与球壳叠层板及传压软膜、球壳叠层板铺层固化装置从热压罐中取出，待固化装置降到120℃后进行脱模；
步骤十二：对脱模后的全碳纤维结构采用机械加工的方式将周边延伸部分进行切除，采用机加胎具，将产品放置在机加胎具上装夹，五轴四联动数控中心机械加工，得到符合最终外形尺寸要求的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构，整体均采用碳纤维树脂基复合材料作原材料，其特征在于：包括帽形米字加筋和球壳叠层板；帽形米字加筋整体构型呈“米”字形，包括对称叠加的两个正交的帽形加强筋和两个交叉的帽形加强筋，所述两个交叉的帽形加强筋之间的角度为55°～65°之间；所述帽形加强筋为中空结构，截面为梯形，梯形底部两侧带有翻边；所述球壳叠层板为碳纤维层合板，与帽形加强筋底部翻边贴合并一体成型，最终形成一个半封闭的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构。
2.一种如权利要求1所述的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：根据帽形米字加筋结构中帽形米字筋的外形尺寸制造帽形米字加筋铺层预压装置；
步骤二：根据球壳叠层板结构中球壳叠层板的外形尺寸制造球壳叠层板铺层固化装置；
步骤三：根据帽形米字加筋结构的数量，利用帽形米字筋铺层预压装置制造传压软模，用于帽形米字加筋结构的固化；
步骤四：清理帽形米字筋铺层预压装置，铺放隔离材料；
步骤五：清理球壳叠层板铺层固化装置，铺放隔离材料；
步骤六：准备用于帽形米字加筋结构和球壳叠层板结构铺层的碳纤维预浸料；
步骤七：在帽形米字筋铺层预压装置上进行碳纤维预浸料的铺层，并进行热预压；
步骤八：在球壳叠层板铺层固化装置上进行碳纤维预浸料的铺层；
步骤九：将铺层完成的帽形米字加筋、传压软模和球壳叠层板一起按照产品的结构进行组装，形成镂空帽形米字加筋全碳纤维结构，通过预置定位孔定位，实现装配精度，并固定；
步骤十：将组装好的帽形米字加筋与球壳叠层板及传压软膜、球壳叠层板铺层固化装置利用真空袋封装，置入热压罐中进行固化；
步骤十一：固化完成后，将帽形米字加筋与球壳叠层板及传压软膜、球壳叠层板铺层固化装置从热压罐中取出并脱模；
步骤十二：对脱模后的全碳纤维结构采用机械加工的方式将周边延伸部分进行切除，得到符合最终外形尺寸要求的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构。
3.根据权利要求2所述的一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的制备方法，其特征在于：步骤三中所述的利用帽形米字筋铺层预压装置制造传压软模是在帽形米字筋铺层预压装置内铺放与制品等高的蜡片，然后浇注硫化橡胶进行传压软膜的制作。
4.根据权利要求2所述的一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的制备方法，其特征在于：步骤四中所述的清理帽形米字筋铺层预压装置采用丙酮或乙酸乙酯清理米字筋铺层预压装置的表面，清理完成后在帽形米字筋铺层预压装置表面贴单面带胶隔离布。
5.根据权利要求2所述的一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的制备方法，其特征在于：步骤五中所述的球壳叠层板铺层固化装置采用丙酮或乙酸乙酯清理球壳叠层板铺层固化装置的表面，清理完成后在球壳叠层板铺层固化装置表面贴单面带胶隔离布。
6.根据权利要求2所述的一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的制备方法，其特征在于：步骤六中所述的用于帽形米字筋和球壳叠层板铺层的碳纤维预浸料的含胶量为35％～38％。
7.根据权利要求2所述的一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的制备方法，其特征在于：步骤七、步骤八中所述的帽形米字筋铺层预压装置和球壳叠层板铺层固化装置上进行碳纤维预浸料的铺层采用对称铺层方式。
8.根据权利要求2所述的一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的制备方法，其特征在于：步骤九中所述的铺层完成后帽形米字加筋、传压软模和球壳叠层板结构的组装，使有碳纤维预浸料铺层的帽形米字筋结构和球壳叠层板结构相连接。
9.根据权利要求2所述的一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的制备方法，其特征在于：步骤十中所述的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构采用真空袋封装，热压罐加压，软模传压的方式固化，升温至120～125℃时，开始逐级加压，温度至190～195℃加压至0.9MPa，保持110～120min固化完成。
10.根据权利要求2所述的一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构的制备方法，其特征在于：步骤十一中所述的镂空帽形米字加筋全碳纤维结构脱模待固化装置降到120℃后进行脱模。
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