CN109130351B - 一种碳纤维夹层筒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维夹层筒及其制备方法，属于航空航天领域，制备得到的夹层筒质量轻、刚度和强度大，而且可根据需求制备出不同的形式，适用范围广泛。本发明采用缠绕方法制备夹层筒的内蒙皮，采用模压方法制备夹层筒的夹层芯，采用模压方法制备夹层筒的外蒙皮，然后采用胶粘的方法将夹层分瓣粘接在内蒙皮上，再将夹层筒的端部进行纤维缠绕制备出法兰，并采用胶粘的方法，将预制的外蒙皮粘接在碳纤维折叠波纹夹层上，恒温固化得到碳纤维夹层筒，碳纤维夹层筒的内蒙皮与外蒙皮之间为碳纤维芯子，所述外蒙皮、内蒙皮和碳纤维芯子的两端边缘用法兰加固，所述碳纤维芯子为碳纤维折叠波纹夹层结构。

Description

一种碳纤维夹层筒及其制备方法
技术领域
本发明属于航空航天领域，尤其涉及一种碳纤维夹层筒及其制备方法。
背景技术
筒体结构在结构领域中有着非常广泛的应用，如卫星夹层筒结构，火箭承力筒结构、导弹筒体结构、飞机机身、潜艇主体结构、发动机壳体等，其中，卫星夹层筒因其所处的复杂环境，往往会承受相当大的荷载；对于深海探测，潜艇主体结构同样承受着极大的压力；对于出水导弹，其筒体在出水界面处所承受的复杂应力情况更是对筒体结构提出了严格的要求。近几十年来，随着材料科学技术的发展，筒体结构的材料类型，结构形式都有了翻天覆地的发展和变化，人们对承载结构提出了更高的要求，在满足荷载要求基础上，结构不仅要求轻质高强同时还要求其多功能化，而这与材料类型和结构形式有着相当大的关系。
近年来，复合材料高速发展，其高比强度和比刚度的特性已逐步广泛应用在航天航空、结构工程等各个领域，同时筒体夹层的各种形式也逐渐被提出以满足各种不同的功能性需求。碳纤维复合材料具有轻质高强等特点，而且点阵夹层结构形式由于其孔隙率高，比强度大以及良好的几何拓扑构型可设计性，碳纤维点阵夹层结构使其在满足轻质的同时，可以保证结构的刚度和强度，并具有多功能潜力，但是由于其结构形式的复杂，生产工艺方法的欠缺，目前研究工作较少。
发明内容
本发明提供了一种碳纤维夹层筒及其制备方法，制备得到的夹层筒质量轻、刚度和强度大，而且可根据需求制备出不同的形式，适用范围广泛。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种碳纤维夹层筒，包括：内蒙皮、外蒙皮、碳纤维芯子、法兰，所述内蒙皮与外蒙皮之间为碳纤维芯子，所述外蒙皮、内蒙皮和碳纤维芯子的两端边缘用法兰加固，所述碳纤维芯子为碳纤维折叠波纹夹层结构。
以上所述结构中，所述碳纤维折叠波纹夹层结构中波纹胞元沿着圆柱壳的母线方向延伸，每一排波纹都进行“之”字形弯曲并沿着圆柱壳的环向延伸或波纹胞元沿着圆柱壳环向延伸，并沿着圆柱壳母线进行“之”字形弯曲延伸而成；所述结构的各个组成部分所用材料都为碳纤维复合材料，所述碳纤维的纤维方向采用准各向同性。
一种碳纤维芯子筒的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用缠绕方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的内蒙皮，将内蒙皮的筒模具固定在缠绕设备上，并进行碳纤维缠绕，缠绕过程中，控制纤维浸入树脂的质量分数为5%~10%，确保内蒙皮有足够的刚度；
(2)采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的碳纤维折叠波纹夹层，将碳纤维布按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上进行热压成型；
(3)采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的外蒙皮，将碳纤维预浸料按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上保持120℃~150℃进行热压成型得到外蒙皮；
(4)采用胶粘的方法将所述碳纤维折叠波纹夹层分瓣粘接在内蒙皮上，并进行二次固化；
(5)采用胶粘的方法，将预制的外蒙皮粘接在碳纤维折叠波纹夹层上，粘接牢固后，进行碳纤维的缠绕；
(6)将碳纤维折叠波纹夹层筒的端部进行纤维缠绕制备出法兰，然后将碳纤维折叠波纹夹层筒放置恒温箱保持120℃~150℃进行固化，将外蒙皮多余纤维切除，制备出成品。
本发明的有益效果：本发明提供了一种碳纤维夹层筒及其制备方法，所述的夹层筒的各个组成部分所选用的材料都是碳纤维，制备得到的夹层筒具有质量轻、强度大、耐腐蚀的优点，所述的碳纤维芯子采用折叠波纹结构，夹层结构中波纹胞元沿着圆柱壳的母线方向延伸，每一排波纹都进行“之”字形弯曲并沿着圆柱壳的环向延伸或波纹胞元沿着圆柱壳环向延伸，并沿着圆柱壳母线进行“之”字形弯曲延伸而成，具有三维立体结构，通过优化几何尺寸和结构，使夹层具有很好的力学性能，而且本发明的制备方法可以通过不同方向尺寸折线设计，折叠成多种不同空间拓扑构型的三维结构，从而实现满足不同功能要求的夹层结构，扩大了适用范围，而且在制备内蒙皮过程中控制纤维浸入树脂的含量，确保内蒙皮有足够的刚度，从而提高了夹层筒的刚度。
附图说明
图1为碳纤维折叠波纹夹层筒侧视图。其中，1为外蒙皮，2为内蒙皮；
图2为碳纤维折叠波纹夹层筒俯视图，其中3为法兰；
图3为碳纤维环向折叠波纹夹层筒芯子和纵向折叠波纹夹层筒芯子；
图4为碳纤维环向折叠波纹夹层筒分瓣芯子和纵向折叠波纹夹层筒分瓣芯子。
图5为碳纤维环向折叠波纹夹层筒芯子和纵向折叠波纹夹层筒芯子端部倒角示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明：
实施例1
如附图所示，碳纤维夹层筒包括：内蒙皮、外蒙皮、碳纤维芯子、法兰，所述内蒙皮与外蒙皮之间为碳纤维芯子，所述外蒙皮、内蒙皮和碳纤维芯子的两端边缘用法兰加固，所述碳纤维芯子为碳纤维折叠波纹夹层结构。
以上所述结构中，所述碳纤维折叠波纹夹层结构中波纹胞元沿着圆柱壳的母线方向延伸，每一排波纹都进行“之”字形弯曲并沿着圆柱壳的环向延伸；所述结构的各个组成部分所用材料都为碳纤维复合材料，所述碳纤维的纤维方向采用准各向同性。
以上所述的夹层筒的制备方法包括以下步骤：
(1)采用缠绕方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的内蒙皮，将内蒙皮的筒模具固定在缠绕设备上，并进行碳纤维缠绕，缠绕过程中，控制纤维浸入树脂的质量分数为5%，确保内蒙皮有足够的刚度；
(2)采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的碳纤维折叠波纹夹层，将碳纤维布按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上进行热压成型；
(3)采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的外蒙皮，将碳纤维预浸料按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上保持120℃进行热压成型得到外蒙皮；
(4)采用胶粘的方法将所述碳纤维折叠波纹夹层分瓣粘接在内蒙皮上，并进行二次固化；
(5)采用胶粘的方法，将预制的外蒙皮粘接在碳纤维折叠波纹夹层上，粘接牢固后，进行碳纤维的缠绕；
(6)将碳纤维折叠波纹夹层筒的端部进行纤维缠绕制备出法兰，然后将碳纤维折叠波纹夹层筒放置恒温箱保持120℃进行固化，将外蒙皮多余纤维切除，制备出成品。
实施例2
如附图所示，碳纤维夹层筒包括：内蒙皮、外蒙皮、碳纤维芯子、法兰，所述内蒙皮与外蒙皮之间为碳纤维芯子，所述外蒙皮、内蒙皮和碳纤维芯子的两端边缘用法兰加固，所述碳纤维芯子为碳纤维折叠波纹夹层结构。
以上所述结构中，所述碳纤维折叠波纹夹层结构中波纹胞元沿着圆柱壳环向延伸，并沿着圆柱壳母线进行“之”字形弯曲延伸而成；所述结构的各个组成部分所用材料都为碳纤维复合材料，所述碳纤维的纤维方向采用准各向同性。
以上所述的夹层筒的制备方法包括以下步骤：
(1)采用缠绕方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的内蒙皮，将内蒙皮的筒模具固定在缠绕设备上，并进行碳纤维缠绕，缠绕过程中，控制纤维浸入树脂的质量分数为10%，确保内蒙皮有足够的刚度；
(2)采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的碳纤维折叠波纹夹层，将碳纤维布按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上进行热压成型；
(3)采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的外蒙皮，将碳纤维预浸料按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上保持150℃进行热压成型得到外蒙皮；
(4)采用胶粘的方法将所述碳纤维折叠波纹夹层分瓣粘接在内蒙皮上，并进行二次固化；
(5)采用胶粘的方法，将预制的外蒙皮粘接在碳纤维折叠波纹夹层上，粘接牢固后，进行碳纤维的缠绕；
(6)将碳纤维折叠波纹夹层筒的端部进行纤维缠绕制备出法兰，然后将碳纤维折叠波纹夹层筒放置恒温箱保持150℃进行固化，将外蒙皮多余纤维切除，制备出成品。
实施例3
如附图所示，碳纤维夹层筒包括：内蒙皮、外蒙皮、碳纤维芯子、法兰，所述内蒙皮与外蒙皮之间为碳纤维芯子，所述外蒙皮、内蒙皮和碳纤维芯子的两端边缘用法兰加固，所述碳纤维芯子为碳纤维折叠波纹夹层结构。
以上所述结构中，所述碳纤维折叠波纹夹层结构中波纹胞元沿着圆柱壳的母线方向延伸，每一排波纹都进行“之”字形弯曲并沿着圆柱壳的环向延伸；所述结构的各个组成部分所用材料都为碳纤维复合材料，所述碳纤维的纤维方向采用准各向同性。
以上所述碳纤维芯子筒的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用缠绕方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的内蒙皮，将内蒙皮的筒模具固定在缠绕设备上，并进行碳纤维缠绕，缠绕过程中，控制纤维浸入树脂的质量分数为8%，确保内蒙皮有足够的刚度；
(2)采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的碳纤维折叠波纹夹层，将碳纤维布按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上进行热压成型；
(3)采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的外蒙皮，将碳纤维预浸料按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上保持130℃进行热压成型得到外蒙皮；
(4)采用胶粘的方法将所述碳纤维折叠波纹夹层分瓣粘接在内蒙皮上，并进行二次固化；
(5)采用胶粘的方法，将预制的外蒙皮粘接在碳纤维折叠波纹夹层上，粘接牢固后，进行碳纤维的缠绕；
(6)将碳纤维折叠波纹夹层筒的端部进行纤维缠绕制备出法兰，然后将碳纤维折叠波纹夹层筒放置恒温箱保持130℃进行固化，将外蒙皮多余纤维切除，制备出成品。
实施例4
如附图所示，碳纤维夹层筒包括：内蒙皮、外蒙皮、碳纤维芯子、法兰，所述内蒙皮与外蒙皮之间为碳纤维芯子，所述外蒙皮、内蒙皮和碳纤维芯子的两端边缘用法兰加固，所述碳纤维芯子为碳纤维折叠波纹夹层结构。
以上所述结构中，所述碳纤维折叠波纹夹层结构中波纹胞元沿着圆柱壳的母线方向延伸，每一排波纹都进行“之”字形弯曲并沿着圆柱壳的环向延伸；所述结构的各个组成部分所用材料都为碳纤维复合材料，所述碳纤维的纤维方向采用准各向同性。
以上所述的夹层筒的制备方法包括以下步骤：
(1)采用缠绕方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的内蒙皮，将内蒙皮的筒模具固定在缠绕设备上，并进行碳纤维缠绕，缠绕过程中，控制纤维浸入树脂的质量分数为8%，确保内蒙皮有足够的刚度；
(2)采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的碳纤维折叠波纹夹层，将碳纤维布按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上进行热压成型；
(3)采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的外蒙皮，将碳纤维预浸料按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上保持150℃进行热压成型得到外蒙皮；
(4)采用胶粘的方法将所述碳纤维折叠波纹夹层分瓣粘接在内蒙皮上，并进行二次固化；
(5)采用胶粘的方法，将预制的外蒙皮粘接在碳纤维折叠波纹夹层上，粘接牢固后，进行碳纤维的缠绕；
(6)将碳纤维折叠波纹夹层筒的端部进行纤维缠绕制备出法兰，然后将碳纤维折叠波纹夹层筒放置恒温箱保持150℃进行固化，将外蒙皮多余纤维切除，制备出成品。
以上内容是结合实施案例对本发明所做的进一步详细说明，不能认定为本发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种碳纤维夹层筒，其特征在于，包括：内蒙皮、外蒙皮、碳纤维芯子、法兰，所述内蒙皮与外蒙皮之间为碳纤维芯子，所述外蒙皮、内蒙皮和碳纤维芯子的两端边缘用法兰加固，所述外蒙皮外侧缠绕碳纤维；所述碳纤维芯子为碳纤维折叠波纹夹层结构，所述夹层结构的各个组成部分所用材料都为碳纤维复合材料，所述碳纤维的纤维方向采用准各向同性；所述碳纤维折叠波纹夹层结构中波纹胞元沿着圆柱壳的母线方向延伸，每一排波纹都进行“之”字形弯曲并沿着圆柱壳的环向延伸，或者波纹胞元沿着圆柱壳环向延伸，并沿着圆柱壳母线进行“之”字形弯曲延伸而成；以上所述碳纤维夹层筒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将内蒙皮的筒模具固定在缠绕设备上，并进行碳纤维缠绕，缠绕过程中，控制纤维浸入树脂的质量分数为5%~10%；
(2)将碳纤维布按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上进行热压成型，得到碳纤维折叠波纹夹层分瓣；
(3)将碳纤维预浸料按照正交的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上保持120℃~150℃热压成型得到外蒙皮；
(4)采用胶粘的方法将所述碳纤维折叠波纹夹层分瓣粘接在内蒙皮上，并进行固化；
(5)采用胶粘的方法将预制的外蒙皮粘接在碳纤维折叠波纹夹层上，粘接牢固后，进行碳纤维的缠绕；
(6)将碳纤维夹层筒的端部进行纤维缠绕制备出法兰，然后将碳纤维夹层筒保持120℃~150℃进行固化，将外蒙皮多余纤维切除，制备出成品。
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