CN106956443A - 微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构及其成型方法 - Google Patents

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CN106956443A CN201710166531.1A CN201710166531A CN106956443A CN 106956443 A CN106956443 A CN 106956443A CN 201710166531 A CN201710166531 A CN 201710166531A CN 106956443 A CN106956443 A CN 106956443A
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王保林
张毅
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Abstract

本发明提供一种微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构及其成型方法，涉及复合材料技术领域。本发明应用于厚度≤5mm以内的小厚度复合材料构件，成型用模具工作面加工精度高，采用高模量碳纤维复合树脂基体排制的超薄预浸料作为铺层材料；控制预浸料的铺层顺序及铺层角度误差，调节固化工艺参数，减小复合材料构件的固化变形，固化得到的复合材料构件表面型面精度RMS≤10μm，满足空间构件净尺寸高精度成型要求，型面精度达到微米量级。

Description

微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构及其成型方法
技术领域
本发明属于先进复合材料技术领域，涉及一种型面精度达到微米级的小厚度复合材料曲面结构及其成型方法。
背景技术
随着空间光学遥感器的不断发展，对其结构的轻量化、高效能化提出了越来越高的要求。光学组件是光学遥感器的核心部件，大量应用复合材料来制作光学组件，是为光学遥感器结构减重的最有效方法之一，也是光学遥感器发展的必然趋势。
光学遥感器对光学组件的尺寸精度以及各光学组件间的配合精度要求都很高，为了制作出符合精度要求复合材料光学组件，传统方法一般先制作出玻璃或SiC等材质的镜坯，然后通过粗磨、精磨、粗抛光及细抛光等后期工序来对镜坯进行进一步地加工，使其满足尺寸精度要求。
后加工时会损伤复合材料的纤维本体，影响光学组件的力学性能；另外，还有些高精度光学组件，由于其厚度小、面型精度高，无法通过热加工的方法来加工，如反射镜在热加工后会引起结构微变形，对反射镜的功能实现有致命的影响；因此需要一种高精度净尺寸制造方法来制造出满足设计要求的元器件。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构及其成型方法，避免了由于后加工导致的光学组件光学性能的改变，本发明提供的微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构的成型方法能够直接加工出符合型面精度要求的小厚度复合材料曲面结构。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构成型方法，包括以下步骤：
1)设计配套的组合模具，所述组合模具上设有铺层面，所述铺层面的表面型面精度值RMS＜10μm、表面粗糙度RMS≤10μm；
2)将高模或超高模量碳纤维与树脂基体复合，制备出预浸料，所述预浸料的面密度≤100g/m2，单层厚度≤0.1mm；
3)根据目标曲面结构的厚度及所述预浸料的单层厚度，通过调整铺层角度及对应的铺层层数，设计出预浸料准各向同性铺层顺序，铺层顺序循环次数≤2；
4)按照步骤3)设计的预浸料准各向同性铺层顺序，用所述预浸料在所述铺层面上铺层，铺层过程中的铺层角度误差控制在1°以内，铺层完成后得到待固化复合材料构件；
5)对所述待固化复合材料构件进行真空固化，固化完成后，得到小厚度复合材料曲面结构。
在一可选实施例中，所述目标曲面结构的曲率半径R为100mm～3000mm，厚度为0.1mm～5mm。
在一可选实施例中，所述模具的材质为Q235钢、45#钢或Invar钢。
在一可选实施例中，所述高模或超高模量碳纤维的模量值≥350GPa；所述树脂为增韧环氧树脂或氰酸酯树脂，优选氰酸酯树脂；所述预浸料面密度为30～100g/m2，单层厚度为0.03～0.1mm，树脂质量含量在30％～45％之间。
在一可选实施例中，所述碳纤维为日本东丽的M40J、M55J或美国Hexcel的HM63。
在一可选实施例中，步骤3)中，根据所述目标曲面结构的厚度及所述预浸料的单层厚度，确铺层总层数，根据所述铺层总层数以及等弯曲刚度的原则，调整铺层角度及对应的铺层层数，从而得到使所得复合材料曲面结构弯曲刚度均匀的预浸料准各向同性铺层顺序。
在一可选实施例中，所述铺层面的曲率半径R为100mm～3000mm。
在一可选实施例中，当所述目标曲面结构的厚度≥1.5mm，步骤3)中铺层顺序循环次数，按照2次执行；当所述目标曲面结构的厚度＜1.5mm，铺层顺序循环次数，按照1次执行。
在一可选实施例中，步骤4)中通过以下方法实现铺层角度误差控制在1°以内：
铺层时，通过分度盘控制铺层角度的公差，所述分度盘的公差在0.5°以内；每层铺贴时，通过基准标尺来校验铺层角度。
在一可选实施例中，步骤5)中固化时，给所述待固化复合材料构件包覆上固化辅助材料，放入热压罐内，对所述待固化复合材料构件抽真空固化，热压罐内压力为0.3MPa～0.6Mpa，固化温度为90℃～100℃、120℃～130℃或170℃～180℃，升温速率为10～30℃/h，降温速率为≤25℃/h，固化时间为2h～6h。
上述成型方法制成的微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构成型方法，应用于成品厚度在5mm以内的空间用复合材料结构，依据目标曲面结构复合材料空间构件结构特征，设计阴阳组合模具，模具的铺层面加工达到表面型面精度值RMS＜10μm和表面粗糙度RMS≤10μm的精度；采用高模或超高模量碳纤维作为复合材料结构的增强体复合树脂基体，得到低面密度(面密度≤100g/m2)，超薄单层厚度的预浸料；通过调整铺层角度及铺层数量，设计预浸料铺层顺序循环次数≤2，增加铺层顺序的准各项同性的均匀性；同时控制预浸料在铺层过程中的铺层角度误差在1°以内；之后将完成铺层的复合材料曲面结构进热压罐固化，采用优化固化工艺参数(固化压力、固化温度、升降温速率等)调节复合材料的热应力的释放，从而控制固化后的结构变形，固化后得到复制出的高精度复合材料曲面结构，表面型面精度RMS≤10μm，满足空间构件净尺寸高精度成型要求，型面精度达到微米量级。
本发明通过采用高精度组合模具设计为成型模具，超薄高模量碳纤维预浸料作为成型材料；控制预浸料的铺层顺序循环数及铺层角度偏差，调节固化工艺参数，减小复合材料曲面结构的固化变形，无需进行后加工处理即可成型出表面型面精度RMS≤10μm的复合材料曲面结构，满足空间复合材料构件净尺寸高精度成型要求，能够推广至高精度光学系统、空间遥感相机等方面的应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的小厚度复合材料曲面结构成型方法示意图；
图2为本发明实施例提供的小厚度复合材料曲面结构(光学镜面)俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的小厚度复合材料曲面结构(光学镜面)侧视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的描述：
本发明实施例提供了一种微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构成型方法，包括以下步骤：
1)根据目标曲面结构的结构特点和面型精度，设计制作配套的阴阳组合模具，其中，阳模具上设有铺层面，所述铺层面的表面型面精度值RMS＜10μm、表面粗糙度RMS≤10μm；
具体地，本发明实施例中，所述目标曲面结构的曲率半径R为100mm～3000mm，厚度为0.1mm～5mm，与其对应的阳模具的铺层面的曲率半径为100mm～3000mm；所述阳模具例如可以为球缺结构，所述铺层面为所述球缺结构的底面，根据目标曲面结构的面型精度要求，确定所述铺层面的表面型面精度值及表面粗糙度值；
为了制备出符合上述表面型面精度及粗糙度的铺层面，所述阳模具的材质优选Q235钢、45#钢或4J36、Invar36等牌号的Invar钢。
2)将高模或超高模量碳纤维与树脂基体复合，制备出预浸料，所述预浸料的面密度≤100g/m2，名义单层厚度≤0.1mm；
具体地，在本发明实施例中，所述高模或超高模量碳纤维的模量值≥350GPa；所述树脂为增韧环氧树脂或氰酸酯树脂；所述预浸料面密度为30～100g/m2，单层厚度为0.03～0.1mm，树脂质量含量在30％～45％之间。
其中，碳纤维优选日本东丽的M40J、M55J以及美国Hexcel的HM63等高模量级别的碳纤维；所述增韧环氧树脂优选多级增韧环氧树脂，更优选由航天材料及工艺研究所生产的E603B、E602或E606；所述树脂优选氰酸酯树脂，所述氰酸酯树脂优选由航天材料及工艺研究所生产的C705；
3)根据所述目标曲面结构的厚度及所述预浸料的单层厚度，通过调整铺层角度及对应的铺层层数，设计出预浸料准各向同性铺层顺序，铺层顺序循环次数≤2；
具体地，在本发明实施例中，步骤3)中，根据所述目标曲面结构的厚度及所述预浸料的单层厚度，确铺层总层数，根据所述铺层总层数以及等弯曲刚度的原则，增加铺层角度及对应的铺层层数的组合方式，调整铺层角度及对应的铺层层数，从而得到使所得复合材料曲面结构弯曲刚度均匀的预浸料准各向同性铺层顺序，所述铺层角度一般为：π/n，n为正整数。
当所述目标曲面结构的厚度≥1.5mm，步骤3)中铺层顺序循环次数，按照2次执行；当所述目标曲面结构的厚度＜1.5mm，铺层顺序循环次数，按照1次执行。
4)按照步骤3)设计的预浸料准各向同性铺层顺序，用所述预浸料在所述铺层面上铺层，铺层过程中的铺层角度误差控制在1°以内，铺层完成后得到待固化复合材料构件；
具体地，本发明实施例中，通过以下方法实现铺层角度误差控制在1°以内：
铺层时，通过分度盘控制铺层角度的公差，所述分度盘的公差在0.5°以内；每层铺贴时，通过基准标尺来校验铺层角度。
5)给所述待固化复合材料构件包覆上固化辅助材料，将阴模具与所述阳模具固定后，放入热压罐内，对所述待固化复合材料构件抽真空固化，固化完成后，得到小厚度复合材料曲面结构。
具体地，在本发明实施例中，固化时，热压罐内压力为0.3MPa～0.6Mpa，固化温度为90℃～100℃、120℃～130℃或170℃～180℃，升温速率为10～30℃/h，降温速率为≤25℃/h，固化时间为2h～6h。
本发明实施例还提供了一种通过上述成型方法制成的微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构。
以下为本发明的几个具体实施例：
实施例1
参见图1-3，本发明实施例中所述目标曲面结构为光学镜面，目标光学镜面的镜面直径Φ800mm±0.5mm；R＝2000mm，厚度为2.4mm。
目标光学镜面的具体成型步骤包括：
1)微米级精度组合模具加工
根据目标光学镜面的结构特点和面型精度，设计阴阳组合Q235钢模具，阳模具的铺层面的表面加工后达到表面型面精度值PV＝5μm、RMS＝1μm，表面粗糙度RMS＝10μm的精度；
2)超薄高模量碳纤维预浸料的制备
采用高模量碳纤维作为复合材料结构的增强体复合树脂基体制备预浸料，树脂为E603B增韧环氧树脂，碳纤维为日本东丽的M40J碳纤维。制备出低面密度超薄单层厚度的预浸料，制备的预浸料面密度为55g/m2，名义单层厚度为0.05mm，树脂质量含量为34％～38％。
3)循环次数≤2的准各项同性铺层顺序设计
根据目标光学镜面的厚度，通过调整铺层角度及铺层层数，设计预浸料准各向同性铺层顺序，具体顺序为[0/90/15/-75/30/-60/45/-45/60/-30/75/-15]2S。
4)复合材料曲面结构铺放预浸料
将步骤2)制备的预浸料，按照步骤3)设计的铺层顺序将预浸料铺放于模具铺层面上；铺层时，通过分度盘控制铺层角度的公差，所述分度盘的公差在0.5°以内；每层铺贴时，通过基准标尺来校验铺层角度，以确保预浸料在铺层过程中的铺层角度误差控制在1°以内；
5)复合材料曲面结构固化
按照步骤4)完成预浸料的铺层，得到待固化碳纤维复合材料光学镜面，为所述待固化碳纤维复合材料光学镜面铺层时，通过分度盘控制铺层角度的公差，所述分度盘的公差在0.5°以内；每层铺贴时，通过基准标尺来校验铺层角度，为铺好的待固化碳纤维复合材料光学镜面依次包覆固化辅助材料(聚四氟乙烯玻璃布、无孔聚丙烯薄膜、透气毡和尼龙膜)将阴模具与阳模具固定后，放入热压罐内，对待固化碳纤维复合材料光学镜面抽真空固化；固化工艺参数设定为：固化温度在175±3℃，升温速率为30℃/h，降温速率为25℃/h，固化时间为3h，热压罐内压力0.6MPa。采用优化的固化工艺参数固化，调节复合材料的热应力的释放，从而控制固化后的结构变形，固化后得到复制出的高精度光学镜面，镜面的型面精度PV＝9μm，RMS＝4μm。
实施例2
本发明实施例中所述目标曲面结构为光学镜面，目标光学镜面的镜面直径Φ150mm±0.5mm；R＝2400mm，厚度为2.4mm。
目标光学镜面的具体成型步骤包括：
1)微米级精度组合模具加工
根据目标光学镜面的结构特点和面型精度，设计阴阳组合45#钢模具，阳模具的铺层面的表面加工后达到表面型面精度值PV＝4μm、RMS＝1.5μm，表面粗糙度RMS＝9μm的精度；
2)超薄高模量碳纤维预浸料的制备
采用高模量碳纤维作为复合材料结构的增强体复合树脂基体制备预浸料，树脂为C705氰酸酯树脂，碳纤维为日本东丽的M40J碳纤维。制备出低面密度超薄单层厚度的预浸料，制备的预浸料面密度为77g/m2，名义单层厚度为0.075mm，树脂质量含量为34％～38％。
3)循环次数≤2的准各项同性铺层顺序设计
根据目标光学镜面的厚度，通过调整铺层角度及铺层层数，设计预浸料准各向同性铺层顺序，具体顺序为[22.5/90/-45/-22.5/67.5/-67.5/0/45]2S。
4)复合材料曲面结构铺放预浸料
将步骤2)制备的预浸料，按照步骤3)设计的铺层顺序将预浸料铺放于模具铺层面上；铺层时，通过分度盘控制铺层角度的公差，所述分度盘的公差在0.5°以内；每层铺贴时，通过基准标尺来校验铺层角度，以确保预浸料在铺层过程中的铺层角度误差控制在1°以内；
5)复合材料曲面结构固化
按照步骤4)完成预浸料的铺层，得到待固化碳纤维复合材料光学镜面，为所述待固化碳纤维复合材料光学镜面铺层时，通过分度盘控制铺层角度的公差，所述分度盘的公差在0.5°以内；每层铺贴时，通过基准标尺来校验铺层角度，为铺好的待固化碳纤维复合材料光学镜面依次包覆固化辅助材料(聚四氟乙烯玻璃布、无孔聚丙烯薄膜、透气毡和尼龙膜)将阴模具与阳模具固定后，放入热压罐内，对待固化碳纤维复合材料光学镜面抽真空固化；固化工艺参数设定为：固化温度在125±3℃，升温速率为30℃/h，降温速率为15℃/h，固化时间为3h，热压罐内压力0.6MPa。采用优化的固化工艺参数固化，调节复合材料的热应力的释放，从而控制固化后的结构变形，固化后得到复制出的高精度光学镜面，镜面的型面精度PV＝8μm，RMS＝3μm。
实施例3
本发明实施例中所述目标曲面结构为光学镜面，目标光学镜面的镜面直径Φ330mm±0.5mm；R＝2100mm，厚度为2.4mm。
目标光学镜面的具体成型步骤包括：
1)微米级精度组合模具加工
根据目标光学镜面的结构特点和面型精度，设计阴阳组合4J36牌号的Invar钢模具，阳模具的铺层面的表面加工后达到表面型面精度值PV＝3μm、RMS＝0.8μm，表面粗糙度RMS＝5μm的精度；
2)超薄高模量碳纤维预浸料的制备
采用高模量碳纤维作为复合材料结构的增强体复合树脂基体制备预浸料，树脂为E602增韧环氧树脂，碳纤维为日本东丽的M40J碳纤维。制备出低面密度超薄单层厚度的预浸料，制备的预浸料面密度为77g/m2，名义单层厚度为0.075mm，树脂质量含量为34％～38％。
3)循环次数≤2的准各项同性铺层顺序设计
根据目标光学镜面的厚度，通过调整铺层角度及铺层层数，设计预浸料准各向同性铺层顺序，具体顺序为[22.5/90/-45/-22.5/67.5/-67.5/0/45]2S。
4)复合材料曲面结构铺放预浸料
将步骤2)制备的预浸料，按照步骤3)设计的铺层顺序将预浸料铺放于模具铺层面上；铺层时，通过分度盘控制铺层角度的公差，所述分度盘的公差在0.5°以内；每层铺贴时，通过基准标尺来校验铺层角度，以确保预浸料在铺层过程中的铺层角度误差控制在1°以内；
5)复合材料曲面结构固化
按照步骤4)完成预浸料的铺层，得到待固化碳纤维复合材料光学镜面，为所述待固化碳纤维复合材料光学镜面铺层时，通过分度盘控制铺层角度的公差，所述分度盘的公差在0.5°以内；每层铺贴时，通过基准标尺来校验铺层角度，为铺好的待固化碳纤维复合材料光学镜面依次包覆固化辅助材料(聚四氟乙烯玻璃布、无孔聚丙烯薄膜、透气毡和尼龙膜)将阴模具与阳模具固定后，放入热压罐内，对待固化碳纤维复合材料光学镜面抽真空固化；固化工艺参数设定为：固化温度在125±3℃，升温速率为30℃/h，降温速率为10℃/h，固化时间为4h，热压罐内压力0.6MPa。采用优化的固化工艺参数固化，调节复合材料的热应力的释放，从而控制固化后的结构变形，固化后得到复制出的高精度光学镜面，镜面的型面精度PV＝6μm，RMS＝2.1μm。
实施例5
本发明实施例中所述目标曲面结构为光学镜面，目标光学镜面的镜面直径Φ230mm±0.5mm；R＝2000mm，厚度为2.4mm。
目标光学镜面的具体成型步骤包括：
1)微米级精度组合模具加工
根据目标光学镜面的结构特点和面型精度，设计阴阳组合4J36牌号的Invar钢模具，阳模具的铺层面的表面加工后达到表面型面精度值PV＝2μm、RMS＝0.8μm，表面粗糙度RMS＝5μm的精度；
2)超薄高模量碳纤维预浸料的制备
采用高模量碳纤维作为复合材料结构的增强体复合树脂基体制备预浸料，树脂为E606增韧环氧树脂，碳纤维为日本东丽的M55J碳纤维。制备出低面密度超薄单层厚度的预浸料，制备的预浸料面密度为77g/m2，名义单层厚度为0.075mm，树脂质量含量为34％～38％。
3)循环次数≤2的准各项同性铺层顺序设计
根据目标光学镜面的厚度，通过调整铺层角度及铺层层数，设计预浸料准各向同性铺层顺序，具体顺序为[22.5/90/-45/-22.5/67.5/-67.5/0/45]2S。
4)复合材料曲面结构铺放预浸料
将步骤2)制备的预浸料，按照步骤3)设计的铺层顺序将预浸料铺放于模具铺层面上；铺层时，通过分度盘控制铺层角度的公差，所述分度盘的公差在0.5°以内；每层铺贴时，通过基准标尺来校验铺层角度，以确保预浸料在铺层过程中的铺层角度误差控制在1°以内；
5)复合材料曲面结构固化
按照步骤4)完成预浸料的铺层，得到待固化碳纤维复合材料光学镜面，为所述待固化碳纤维复合材料光学镜面铺层时，通过分度盘控制铺层角度的公差，所述分度盘的公差在0.5°以内；每层铺贴时，通过基准标尺来校验铺层角度，为铺好的待固化碳纤维复合材料光学镜面依次包覆固化辅助材料(聚四氟乙烯玻璃布、无孔聚丙烯薄膜、透气毡和尼龙膜)将阴模具与阳模具固定后，放入热压罐内，对待固化碳纤维复合材料光学镜面抽真空固化；固化工艺参数设定为：固化温度在90±3℃，升温速率为20℃/h，降温速率为15℃/h，固化时间为6h，热压罐内压力0.3MPa。采用优化的固化工艺参数固化，调节复合材料的热应力的释放，从而控制固化后的结构变形，固化后得到复制出的高精度光学镜面，镜面的型面精度PV＝5μm，RMS＝2μm。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)设计配套的组合模具，所述组合模具上设有铺层面，所述铺层面的表面型面精度值RMS＜10μm、表面粗糙度RMS≤10μm；
2)将高模或超高模量碳纤维与树脂基体复合，制备出预浸料，所述预浸料的面密度≤100g/m2，单层厚度≤0.1mm；
3)根据目标曲面结构的厚度及所述预浸料的单层厚度，通过调整铺层角度及对应的铺层层数，设计出预浸料准各向同性铺层顺序，铺层顺序循环次数≤2；
4)按照步骤3)设计的预浸料准各向同性铺层顺序，用所述预浸料在所述铺层面上铺层，铺层过程中的铺层角度误差控制在1°以内，铺层完成后得到待固化复合材料构件；
5)对所述待固化复合材料构件进行真空固化，固化完成后，得到小厚度复合材料曲面结构。
2.根据权利要求1所述的小厚度复合材料曲面结构成型方法，其特征在于：所述目标曲面结构的曲率半径R为100mm～3000mm，厚度为0.1mm～5mm。
3.根据权利要求1所述的小厚度复合材料曲面结构成型方法，其特征在于：
所述模具的材质为Q235钢、45#钢或Invar钢。
4.根据权利要求1所述的小厚度复合材料曲面结构成型方法，其特征在于：
所述高模或超高模量碳纤维的模量值≥350GPa；
所述树脂为增韧环氧树脂或氰酸酯树脂；
所述预浸料面密度为30～100g/m2，单层厚度为0.03～0.1mm，树脂质量含量在30％～45％之间。
5.根据权利要求4所述的小厚度复合材料曲面结构成型方法，其特征在于：所述碳纤维为日本东丽的M40J、M55J或美国Hexcel的HM63。
6.根据权利要求1所述的一种小厚度复合材料曲面结构成型方法，其特征在于：
所述铺层面的曲率半径R为100mm～3000mm。
7.根据权利要求1所述的一种小厚度复合材料曲面结构成型方法，其特征在于：
当所述目标曲面结构的厚度≥1.5mm，步骤3)中铺层顺序循环次数，按照2次执行；当所述目标曲面结构的厚度＜1.5mm，铺层顺序循环次数，按照1次执行。
8.根据权利要求1所述的一种小厚度复合材料曲面结构成型方法，其特征在于，步骤4)中通过以下方法实现铺层角度误差控制在1°以内：
铺层时，通过分度盘控制铺层角度的公差，所述分度盘的公差在0.5°以内；每层铺贴时，通过基准标尺来校验铺层角度。
9.根据权利要求1所述的一种小厚度复合材料曲面结构成型方法，其特征在于：
步骤5)中固化时，给所述待固化复合材料构件包覆上固化辅助材料，放入热压罐内，对所述待固化复合材料构件抽真空固化，热压罐内压力为0.3MPa～0.6Mpa，固化温度为90℃～100℃、120℃～130℃或170℃～180℃，升温速率为10～30℃/h，降温速率为≤25℃/h，固化时间为2h～6h。
10.根据权利要求1-9任一项提供的成型方法制成的微米级型面精度小厚度复合材料曲面结构。
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