CN109278372A - 轻质抗冲击密度梯度复合材料、风扇包容机匣及其制备方法和应用 - Google Patents

轻质抗冲击密度梯度复合材料、风扇包容机匣及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轻质抗冲击密度梯度复合材料、风扇包容机匣及其制备方法和应用，本发明对轻质抗冲击密度梯度复合材料及复合材料风扇包容机匣的结构形式、材料分层等进行了创新设计，采用碳纤维增强树脂基复合材料层、碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层和芳纶纤维增强树脂基复合材料层的复合结构层设计，并对各结构层的厚度进行了优化设计，其中碳纤维增强树脂基复合材料层抗剪切破坏，碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层抗分层破坏，芳纶纤维增强树脂基复合材料层抗拉伸断裂破坏，该结构设计显著降低结构重量，提高材料抗冲击性能。

Description

轻质抗冲击密度梯度复合材料、风扇包容机匣及其制备方法 和应用
技术领域
本发明涉及一种轻质抗冲击密度梯度复合材料、风扇包容机匣及其制备方法和应用，属于结构/功能一体化复合材料及其成型工艺方法技术领域。
背景技术
随着航空发动机气动设计技术、结构设计技术和复合材料技术的发展，复合材料在大涵道比涡扇发动机上的应用越来越受到世界各主要发动机厂商和研究机构的重视，这主要在于复合材料部件的应用，可以进一步提高飞机的推重比和燃油效率，并大大提高发动机的寿命及安全可靠性，同时降低噪声和有害气体排放，增加舒适性、经济性和环境适用性，满足适航要求。复合材料具有金属材料无法比拟的高比强度和高比刚度等轻质高强特性以及优异的疲劳性能。采用复合材料可以减轻风扇及发动机重量，提高比刚度、疲劳性能、损伤和缺陷容限等，发动机采用先进复合材料是同时实现更高涵道比和减重的唯一途径，这也为扩大复合材料在发动机上的用量提供了最大的机遇。
航空发动机结构设计要能够包容失效叶片，设计发动机机匣、转静子结构、轴、轴承和安装边要能承受住因转子失效引起的载荷而不会危害到飞机。为达到适航条例的要求并满足对大尺寸风扇叶片包容能力的要求，涡扇发动机采用风扇机匣包容结构的方法来吸收叶片碎片的能量、阻止碎片的飞出、保证飞机机体和机载人员设备的安全，同时也满足了对发动机的高推重比、低耗油率、低噪声、低维修成本的要求。
目前国外研制出的芳纶包覆金属复合风扇包容机匣、全复合材料风扇包容机匣已成功应用于发动机上，逐步代替了纯金属机匣。如GE公司的CF6-80C2发动机、GE90发动机均采用了芳纶包覆金属复合风扇包容机匣，即在铝制机匣上包裹一圈铝制的蜂窝层，然后包覆上65层芳纶布形成厚轮缘，在芳纶的轮缘外再包覆一层树脂来保护芳纶布层；GE公司的GEnx发动机采用了复合材料风扇包容机匣，这种风扇包容机匣首先采用二维三轴编织技术制造编织预成型体，然后通过RTM技术整体成型，为了能包容住风扇叶片，其机匣结构厚重，制造成本较金属机匣也要高出很多。
国内对发动机风扇机匣包容结构的研究起步较晚，目前复合材料包容机匣仍处于研究探索阶段。如何同时实现轻质与抗冲击对于复合材料包容机匣的研制是这一领域研究的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种轻质抗冲击密度梯度复合材料、风扇包容机匣及其制备方法，通过密度梯度复合材料的结构设计和制备实现轻质与抗冲击的匹配，为复合材料风扇包容机匣的结构、材料及制备方法提供方案，降低结构重量，提高抗冲击性能，可应用于涡扇航空发动机风扇包容机匣部件，可满足大型客机或运输机涡扇航空发动机复合材料包容机匣研制的迫切需求。
本发明的另外一个目的在于提供一种轻质抗冲击密度梯度复合材料的应用。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
轻质抗冲击密度梯度复合材料，为三层复合结构，依次包括碳纤维增强树脂基复合材料层、碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层和芳纶纤维增强树脂基复合材料层，所述三个复合材料层的厚度比为6～10：1～4：4～6；所述三个复合材料层中的树脂为环氧树脂。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料中，所述三个复合材料层的厚度比为6～9：1～2：4～6。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料中，所述环氧树脂为130℃中温固化环氧树脂或180℃高温固化环氧树脂。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料中，所述碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层中碳纤维与芳纶纤维的体积比为1～2:1～2。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料中，所述碳纤维增强树脂基复合材料层的密度为1.55～1.65g/cm3、碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层的密度为1.40～1.54g/cm3和芳纶纤维增强树脂基复合材料层的密度为1.35～1.39g/cm3；所述碳纤维增强树脂基复合材料层抗剪切破坏，碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层抗分层破坏，芳纶纤维增强树脂基复合材料层抗拉伸断裂破坏。
轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将碳纤维织物预浸料、碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料和芳纶纤维织物预浸料依次铺放或缠绕在成型模具上，进行吸胶预压实，其中吸胶预压实温度为50℃～80℃，保温时间为0.5h～2.5h，压力为0.2MPa～0.5MPa；
(2)、吸胶预压实后进行固化，固化温度为120℃～190℃，固化时间为2h～5h，固化压力为0.5MPa～0.8MPa；
(3)、脱模，得到轻质抗冲击密度梯度复合材料。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法中，所述步骤(1)中碳纤维织物预浸料包括碳纤维织物增强体与树脂，碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料包括碳纤维及芳纶混杂纤维织物增强体与树脂，芳纶纤维织物预浸料包括芳纶纤维织物增强体与树脂，所述树脂为环氧树脂。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法中，所述环氧树脂为130℃中温固化环氧树脂或180℃高温固化环氧树脂。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法中，所述步骤(1)中设置两次吸胶预压实过程，分别在碳纤维织物预浸料铺层完成后，以及碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料铺层完成后，吸胶预压实采用真空袋/热压罐的方式进行，吸胶时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃-120℃/h，温度升至60～80℃时加压至0.2～0.3MPa，然后保温1.5～2.5小时，保温结束后以30℃-120℃/h降温速率降温至60℃以下完成吸胶预压实。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法中，所述步骤(2)进行固化时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃-120℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.50～0.70MPa保温25～35min后继续升温，升温至125～135℃时，保温4～5h，随后以30℃-120℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化；或者真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃-120℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.50～0.70MPa保温25～35min后继续升温，升温至175～185℃时，保温4～5h，随后以30℃-120℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法中，所述步骤(1)中的碳纤维织物预浸料是将面密度为180～240g/m2的斜纹织物用干法制备工艺制备成树脂含量为38～42％的预浸料；所述芳纶织物预浸料是将面密度为83～93g/m2的缎纹芳纶纤维织物用干法制备工艺制备成树脂含量为45～51％的预浸料；所述碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料是将碳纤维及芳纶纤维进行混编，形成层内混杂平纹织物，并用干法制备工艺制备成树脂含量为42～48％的预浸料。
轻质抗冲击密度梯度复合材料的应用，所述复合材料应用于发动机风扇包容机匣结构；所述复合材料应用于客机或运输机涡扇航空发动机风扇包容机匣结构。
轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣，所述风扇包容机匣为三层复合结构，依次包括碳纤维增强树脂基复合材料层、碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层和芳纶纤维增强树脂基复合材料层，所述三个复合材料层的厚度比为6～8：1～2：4～6；所述三个复合材料层中的树脂为环氧树脂。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣中，所述环氧树脂为130℃中温固化环氧树脂或180℃高温固化环氧树脂；所述碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层中碳纤维与芳纶纤维的体积比为1～2:1～2。
轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将碳纤维织物预浸料、碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料、芳纶纤维织物预浸料裁切成带状预浸料，依次缠绕在包容机匣阳模成型模具上，缠绕至要求厚度后，包覆隔离材料、透气材料及真空袋，在热压罐中进行吸胶预压实，其中吸胶温度50℃～80℃，保温时间为1.5～2.5h，压力为0.3MPa～0.5MPa；
(2)、吸胶预压实后包覆隔离材料、透气材料及真空袋，在热压罐中进行固化，固化温度为120℃～190℃，固化时间为4h～5h，固化压力为0.6MPa～0.8MPa；
(3)、脱模后，对得到的轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的端面进行加工，完成制备。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的制备方法中，所述步骤(1)中设置两次吸胶预压实过程，分别在碳纤维织物预浸料铺层完成后，以及碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料铺层完成后，吸胶预压实采用真空袋/热压罐的方式进行，吸胶时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃/h～60℃/h，温度升至75～80℃时加压至0.3～0.4MPa，然后保温1.5～2.5h，保温结束后以30℃～60℃/h降温速率降温至60℃以下完成吸胶预压实。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的制备方法中，所述步骤(2)进行固化时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃～60℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.60～0.70MPa，保温20～40min后继续升温，升温至125～135℃时，保温4h～5h，随后以30℃-60℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化；或者真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃～60℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.60～0.70MPa，保温20～40min后继续升温，升温至175～185℃时，保温4h～5h，随后以30℃-60℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化。
在上述轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的制备方法中，所述步骤(1)中的碳纤维织物预浸料是将面密度为180～240g/m2的斜纹织物用干法制备工艺制备成树脂含量为38～42％的预浸料；所述芳纶织物预浸料是将面密度为83～93g/m2的缎纹芳纶纤维织物用干法制备工艺制备成树脂含量为45～51％的预浸料；所述碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料是将碳纤维及芳纶纤维进行混编，形成层内混杂平纹织物，并用干法制备工艺制备成树脂含量为42～48％的预浸料。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明对轻质抗冲击密度梯度复合材料及复合材料风扇包容机匣的结构形式、材料分层等进行了创新设计，采用碳纤维增强树脂基复合材料层、碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层和芳纶纤维增强树脂基复合材料层的复合结构层设计，并对各结构层的厚度进行了优化设计，其中碳纤维增强树脂基复合材料层抗剪切破坏，碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层抗分层破坏，芳纶纤维增强树脂基复合材料层抗拉伸断裂破坏，该结构设计显著降低结构重量，提高材料抗冲击性能。
(2)、本发明复合材料是由密度不同的芳纶纤维、混杂纤维及碳纤维增强环氧树脂基复合材料按照一定顺序及比例形成的轻质抗冲击密度梯度复合材料，该顺序及比例是根据复合材料在高速冲击下的破坏模式制定的，由该复合材料制备的复合材料具有比纯芳纶纤维复合材料或碳纤维复合材料更高的抗高速冲击性能。
(3)、本发明中复合材料包容机匣的结构形式为碳纤维织物复合材料层作为机匣的本体，用于提供整个机匣的强度、刚度；而碳纤维/芳纶混编织物复合材料层以及芳纶纤维织物层复合材料层主要位于复合材料包容机匣的增厚区，与碳纤维机匣本体组成了密度梯度复合材料结构，可以实现抗高速冲击的功能；
(4)、本发明中复合材料及复合材料包容机匣的密度梯度复合材料，通过碳纤维/芳纶混编织物复合材料的加入，克服了碳纤维织物复合材料与芳纶织物复合材料之间的刚度、热膨胀系数等不匹配的问题，优化了复合材料包容机匣的整体结构强度、刚度特性；
(5)、本发明采用的复合材料的密度明显低于金属机匣的密度及全碳纤维复合材料机匣的密度，结构减重效果明显；
(6)、本发明采用芳纶纤维织物预浸料、混杂纤维织物预浸料、碳纤维织物预浸料的缠绕铺层、热压罐固化成型，形成一种轻质抗冲击且在厚度方向上呈一定密度梯度的复合材料，该复合材料制备的复合材料风扇包容机匣可以实现航空发动机的减重和风扇叶片包容需求。
(7)、本发明提供一种轻质抗冲击密度梯度复合材料、风扇包容机匣及其制备方法，通过密度梯度复合材料的结构设计和制备实现轻质与抗冲击的匹配，为复合材料风扇包容机匣的结构、材料及制备方法提供方案，降低结构重量，提高抗冲击性能，可应用于涡扇航空发动机风扇包容机匣部件，可满足大型客机或运输机涡扇航空发动机复合材料包容机匣研制的迫切需求。
(8)、本发明对轻质抗冲击密度梯度复合材料及风扇包容机匣的制备方法及工艺过程和工艺条件进行优化设计，使得制备得到的复合材料及风扇包容机匣结构重量轻、可有效吸收断裂叶片的冲击能量，并保持结构完整性，综合性能优异。
附图说明
图1为本发明轻质抗冲击密度梯度复合材料及复合材料包容机匣结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明轻质抗冲击密度梯度复合材料及复合材料包容机匣结构示意图，本发明轻质抗冲击密度梯度复合材料为三层复合结构，依次包括碳纤维增强树脂基复合材料层、碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层和芳纶纤维增强树脂基复合材料层，该三个复合材料层的厚度比为6～10：1～4：4～6，优选厚度比为6～8：1～2：4～6；本发明一可选实施例中厚度比为7：1：5。
上述三个复合材料层中的树脂为环氧树脂，环氧树脂具体为130℃中温固化环氧树脂或180℃高温固化环氧树脂；且碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层中碳纤维与芳纶纤维的体积比为1～2:1～2，本发明一可选实施例中体积比为1:1。
上述碳纤维增强树脂基复合材料层的密度为1.55～1.65g/cm3、碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层的密度为1.40～1.54g/cm3和芳纶纤维增强树脂基复合材料层的密度为1.35～1.39g/cm3；所述碳纤维增强树脂基复合材料层抗剪切破坏，碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层抗分层破坏，芳纶纤维增强树脂基复合材料层抗拉伸断裂破坏。
本发明轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)、将碳纤维织物预浸料、碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料和芳纶纤维织物预浸料依次铺放或缠绕在成型模具上，进行吸胶预压实，其中吸胶预压实温度为50℃～80℃，保温时间为0.5h～2.5h，压力为0.2MPa～0.5MPa；设置两次吸胶预压实过程，分别在碳纤维织物预浸料铺层完成后，以及碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料铺层完成后，吸胶预压实采用真空袋/热压罐的方式进行，吸胶时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃-120℃/h，温度升至60～80℃时加压至0.2～0.3MPa，然后保温1.5～2.5小时，保温结束后以30℃-120℃/h降温速率降温至60℃以下完成吸胶预压实。
其中，碳纤维织物预浸料包括碳纤维织物增强体与树脂，碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料包括碳纤维及芳纶混杂纤维织物增强体与树脂，芳纶纤维织物预浸料包括芳纶纤维织物增强体与树脂。树脂为环氧树脂。环氧树脂为130℃中温固化环氧树脂或180℃高温固化环氧树脂。
碳纤维织物预浸料是将面密度为180～240g/m2的斜纹织物用干法制备工艺制备成树脂含量为38～42％的预浸料；所述芳纶织物预浸料是将面密度为83～93g/m2的缎纹芳纶纤维织物用干法制备工艺制备成树脂含量为45～51％的预浸料；所述碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料是将碳纤维及芳纶纤维进行混编，形成层内混杂平纹织物，并用干法制备工艺制备成树脂含量为42～48％的预浸料。
(2)、吸胶预压实后进行固化，固化温度为120℃～190℃，固化时间为2h～5h，固化压力为0.5MPa～0.8MPa。进行固化时，若环氧树脂为130℃中温固化环氧树脂，则真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃-120℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.50～0.70MPa保温25～35min后继续升温，升温至125～135℃时，保温4h～5h，随后以30℃-120℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化。
若环氧树脂为180℃高温固化环氧树脂，则真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃-120℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.50～0.70MPa保温25～35min后继续升温，升温至175～185℃时，保温4～5h，随后以30℃-120℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化。
(3)、脱模，得到轻质抗冲击密度梯度复合材料。
如图1所示，本发明轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣为三层复合结构，依次包括碳纤维增强树脂基复合材料层、碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层和芳纶纤维增强树脂基复合材料层，三个复合材料层的厚度比为6～10：1～4：4～6，优选厚度比为6～8：1～2：4～6；三个复合材料层中的树脂为环氧树脂。其中环氧树脂为130℃中温固化环氧树脂或180℃高温固化环氧树脂；碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层中碳纤维与芳纶纤维的体积比为1～2:1～2，优选为1:1。
本发明轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)、按照一定幅宽将碳纤维织物预浸料、碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料、芳纶纤维织物预浸料裁切成窄带预浸料，采用一定的缠绕张力依次将碳纤维织物预浸料、混杂纤维织物预浸料及芳纶纤维织物预浸料缠绕在包容机匣阳模成型模具上，缠绕至指定厚度后，包覆隔离材料、透气材料及真空袋，在热压罐中进行吸胶预压实，其中吸胶温度50℃～80℃，保温时间为1.5～2.5h，压力为0.3MPa～0.5MPa。
碳纤维织物预浸料是将面密度为(210±10)g/m2的斜纹织物用干法制备工艺制备成树脂含量为38～42％的预浸料；所述芳纶织物预浸料是将面度为(88±5)g/m2的缎纹芳纶纤维织物用干法制备工艺制备成树脂含量为45～51％的预浸料；所述碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料是将碳纤维及芳纶纤维进行混编，形成层内混杂平纹织物，并用干法制备工艺制备成树脂含量为42～48％的预浸料。
设置两次吸胶预压实过程，分别在碳纤维织物预浸料铺层完成后，以及碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料铺层完成后，吸胶预压实采用真空袋/热压罐的方式进行，吸胶时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃～60℃/h，温度升至75～80℃时加压至0.3～0.4MPa，然后保温1.5～2.5小时，保温结束后以30℃～60℃/h降温速率降温至60℃以下完成吸胶预压实。
(2)、吸胶预压实后包覆隔离材料、透气材料及真空袋，在热压罐中进行固化，固化温度为120℃～190℃，固化时间为4h～5h，固化压力为0.6MPa～0.8MPa。
进行固化时，若环氧树脂为130℃中温固化环氧树脂，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃～60℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.60～0.70MPa，保温20～40min后继续升温，升温至125～135℃时，保温4h～5h，随后以30℃-60℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化。
若环氧树脂为180℃高温固化环氧树脂，固化时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃～60℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.60～0.70MPa，保温20～40min后继续升温，升温至175～185℃时，保温4h～5h，随后以30℃-60℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化。
(3)、脱模后，对得到的轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的端面进行加工，完成制备。
(4)、采用超声无损检测方法对复合材料风扇包容机匣进行无损检测。
由该复合材料制造的复合材料包容机匣相较于传统的钛合金机匣，具有密度小、轻质的特点。
本发明制备得到的复合材料和复合材料包容机匣是由密度不同的芳纶纤维、混杂纤维及碳纤维增强环氧树脂基复合材料按照一定顺序及比例形成的轻质抗冲击密度梯度复合材料，该顺序及比例是根据复合材料在高速冲击下的破坏模式制定的，由该复合材料制备的复合材料具有比纯芳纶纤维复合材料或碳纤维复合材料更高的抗高速冲击性能。
本发明制备得到的复合材料和复合材料包容机匣对应不同增强纤维的树脂基体均为高韧性环氧树脂基体，密度梯度复合材料的界面性能优异，并且可进一步提高复合材料的抗高速冲击性能。该轻质抗冲击密度梯度复合材料为层合结构，采用热压罐固化工艺方式制备，该固化工艺方式制备的复合材料具有良好的成型质量。该复合材料可根据应用背景，采用缠绕成型工艺、热压罐固化的成型工艺制备成环形构件，在厚度方向上对断裂叶片或其他失效部件的高速冲击具备较强的包容能力。
本发明制备得到的复合材料和复合材料包容机匣表层为具备更高层间剪切性能的碳纤维增强环氧树脂基复合材料，中间层为碳纤维/芳纶纤维混杂的复合材料，背面层为具有更高断裂伸长率的芳纶纤维复合材料。对金属材质的球形或楔形零件高速冲击复合材料层板的破坏模式为，复合材料层板表层的破坏形式为剪切破坏，中间层为分层破坏，背面层为拉伸断裂破坏。
采用本发明轻质抗冲击密度梯度复合材料制备的复合材料机匣可应用于大型客机或运输机涡扇航空发动机风扇包容机匣结构。
实施例1
复合材料包容机匣的增强纤维采用碳纤维纤维织物、碳纤维/芳纶混编织物、芳纶纤维织物，树脂为中温130℃固化环氧树脂。
碳纤维/芳纶混编织物的体积比例按照1:1的比例进行混编，混编织物复合材料的密度为1.45g/cm3。
采用裁切设备将三种织物预浸料按照一定的幅宽裁切，通过缠绕机，在一定张力下，按设计铺层角度及厚度要求，将不同的织物预浸料逐层缠绕至成型阳模模具上，其中，碳纤维织物层的厚度为14mm，碳纤维/芳纶混编织物层的厚度为2mm，芳纶纤维织物层的厚度为10mm。缠绕至要求厚度后，包覆隔离材料、透气材料及真空袋，在热压罐中进行吸胶预压实，在缠绕铺层过程中，设置两次吸胶预压实过程，分别在14mm碳纤维织物层缠绕铺层完成后以及碳纤维/芳纶混编织物缠绕铺层完成后，吸胶预压实采用真空袋/热压罐的方式进行，吸胶时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率30℃/h升至80℃时加压至0.3MPa，然后保温2小时，保温结束后以60℃/h降温速率降温至60℃以下完成吸胶预压实；在完成10mm芳纶纤维织物预浸料的缠绕，对未固化的复合材料表面状态进行修整，然后包覆隔离材料、透气材料及真空袋准备固化，采用真空袋/热压罐的方式进行固化，固化时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率30℃/h，温度升至125℃时加压至0.6MPa，保温30min后继续升温，升温至135℃时，保温4h，随后以60℃/h降温速率降温至60℃以下固化完成，降至室温后脱模得到复合材料包容机匣毛坯，对制品毛边进行修整后无损检测待用。
采用机械加工的方式对复合材料包容机匣的前、后法兰端面及外型面进行加工，获得复合材料包容机匣。
实施例2
复合材料包容机匣的增强纤维采用碳纤维纤维织物、碳纤维/芳纶混编织物、芳纶纤维织物，树脂为中温130℃固化环氧树脂。
碳纤维/芳纶混编织物的体积比例按照1:2的比例进行混编，混编织物复合材料的密度为1.40g/cm3。
采用裁切设备将三种织物预浸料按照一定的幅宽裁切，通过缠绕机，在一定张力下，按设计铺层角度及厚度要求，将不同的织物预浸料逐层缠绕至成型阳模模具上，其中，碳纤维织物层的厚度为18mm，碳纤维/芳纶混编织物层的厚度为6mm，芳纶纤维织物层的厚度为12mm。缠绕至要求厚度后，包覆隔离材料、透气材料及真空袋，在热压罐中进行吸胶预压实，在缠绕铺层过程中，设置两次吸胶预压实过程，分别在18mm碳纤维织物层缠绕铺层完成后以及6mm碳纤维/芳纶混编织物缠绕铺层完成后，吸胶预压实采用真空袋/热压罐的方式进行，吸胶时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率60℃/h，温度升至80℃时加压至0.3MPa，然后保温2小时，保温结束后以60℃/h降温速率降温至60℃以下完成吸胶预压实；在完成12mm芳纶纤维织物预浸料的缠绕后，对未固化的复合材料表面状态进行修整，然后包覆隔离材料、透气材料及真空袋准备固化，采用真空袋/热压罐的方式进行固化，固化时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率60℃/h，温度升至125℃时加压至0.6MPa，保温30min后继续升温，升温至135℃时，保温4h，随后以60℃/h降温速率降温至60℃以下固化完成，降至室温后脱模得到复合材料包容机匣毛坯，对制品毛边进行修整后无损检测待用。
采用机械加工的方式对复合材料包容机匣的前、后法兰端面及外型面进行加工，获得复合材料包容机匣。
实施例3
复合材料包容机匣的增强纤维采用碳纤维纤维织物、碳纤维/芳纶混编织物、芳纶纤维织物，树脂为高温180℃固化环氧树脂。
碳纤维/芳纶混编织物的体积比例按照2:1的比例进行混编，混编织物复合材料的密度为1.5g/cm3。
采用裁切设备将三种织物预浸料按照一定的幅宽裁切，通过缠绕机，在一定张力下，按设计铺层角度及厚度要求，将不同的织物预浸料逐层缠绕至成型阳模模具上，其中，碳纤维织物层的厚度为10mm，碳纤维/芳纶混编织物层的厚度为1.5mm，芳纶纤维织物层的厚度为5.5mm。缠绕至要求厚度后，包覆隔离材料、透气材料及真空袋，在热压罐中进行吸胶预压实，在缠绕铺层过程中，设置两次吸胶预压实过程，分别在10mm碳纤维织物层缠绕铺层完成后以及1.5mm碳纤维/芳纶混编织物缠绕铺层完成后，吸胶预压实采用真空袋/热压罐的方式进行，吸胶时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率50℃/h，温度升至80℃时加压至0.3MPa，然后保温2小时，保温结束后以50℃/h降温速率降温至60℃以下完成吸胶预压实；在完成5.5mm芳纶纤维织物预浸料的缠绕后，对未固化的复合材料表面状态进行修整，然后包覆隔离材料、透气材料及真空袋准备固化，采用真空袋/热压罐的方式进行固化，固化时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率50℃/h，温度升至125℃时加压至0.6MPa，保温30min后继续升温，升温至180℃时，加压至0.7MPa，保温4h，随后以50℃/h降温速率降温至60℃以下固化完成，降至室温后脱模得到复合材料包容机匣毛坯，对制品毛边进行修整后无损检测待用。
采用机械加工的方式对复合材料包容机匣的前、后法兰端面及外型面进行加工，获得复合材料包容机匣。
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 (18)

1.轻质抗冲击密度梯度复合材料，其特征在于：为三层复合结构，依次包括碳纤维增强树脂基复合材料层、碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层和芳纶纤维增强树脂基复合材料层，所述三个复合材料层的厚度比为6～10：1～4：4～6；所述三个复合材料层中的树脂为环氧树脂。
2.根据权利要求1所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料，其特征在于：所述三个复合材料层的厚度比为6～9：1～2：4～6。
3.根据权利要求1所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料，其特征在于：所述环氧树脂为130℃中温固化环氧树脂或180℃高温固化环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料，其特征在于：所述碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层中碳纤维与芳纶纤维的体积比为1～2:1～2。
5.根据权利要求1所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料，其特征在于：所述碳纤维增强树脂基复合材料层的密度为1.55～1.65g/cm3、碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层的密度为1.40～1.54g/cm3和芳纶纤维增强树脂基复合材料层的密度为1.35～1.39g/cm3；所述碳纤维增强树脂基复合材料层抗剪切破坏，碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层抗分层破坏，芳纶纤维增强树脂基复合材料层抗拉伸断裂破坏。
6.权利要求1～5之一所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、将碳纤维织物预浸料、碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料和芳纶纤维织物预浸料依次铺放或缠绕在成型模具上，进行吸胶预压实，其中吸胶预压实温度为50℃～80℃，保温时间为0.5h～2.5h，压力为0.2MPa～0.5MPa；
(2)、吸胶预压实后进行固化，固化温度为120℃～190℃，固化时间为2h～5h，固化压力为0.5MPa～0.8MPa；
(3)、脱模，得到轻质抗冲击密度梯度复合材料。
7.根据权利要求6所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中碳纤维织物预浸料包括碳纤维织物增强体与树脂，碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料包括碳纤维及芳纶混杂纤维织物增强体与树脂，芳纶纤维织物预浸料包括芳纶纤维织物增强体与树脂，所述树脂为环氧树脂。
8.根据权利要求7所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述环氧树脂为130℃中温固化环氧树脂或180℃高温固化环氧树脂。
9.根据权利要求6所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中设置两次吸胶预压实过程，分别在碳纤维织物预浸料铺层完成后，以及碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料铺层完成后，吸胶预压实采用真空袋/热压罐的方式进行，吸胶时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃-120℃/h，温度升至60～80℃时加压至0.2～0.3MPa，然后保温1.5～2.5小时，保温结束后以30℃-120℃/h降温速率降温至60℃以下完成吸胶预压实。
10.根据权利要求6所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)进行固化时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃-120℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.50～0.70MPa保温25～35min后继续升温，升温至125～135℃时，保温4～5h，随后以30℃-120℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化；或者真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃-120℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.50～0.70MPa保温25～35min后继续升温，升温至175～185℃时，保温4～5h，随后以30℃-120℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化。
11.根据权利要求6所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的碳纤维织物预浸料是将面密度为180～240g/m2的斜纹织物用干法制备工艺制备成树脂含量为38～42％的预浸料；所述芳纶织物预浸料是将面密度为83～93g/m2的缎纹芳纶纤维织物用干法制备工艺制备成树脂含量为45～51％的预浸料；所述碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料是将碳纤维及芳纶纤维进行混编，形成层内混杂平纹织物，并用干法制备工艺制备成树脂含量为42～48％的预浸料。
12.轻质抗冲击密度梯度复合材料的应用，其特征在于：所述复合材料应用于发动机风扇包容机匣结构；所述复合材料应用于客机或运输机涡扇航空发动机风扇包容机匣结构。
13.轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣，其特征在于：所述风扇包容机匣为三层复合结构，依次包括碳纤维增强树脂基复合材料层、碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层和芳纶纤维增强树脂基复合材料层，所述三个复合材料层的厚度比为6～8：1～2：4～6；所述三个复合材料层中的树脂为环氧树脂。
14.根据权利要求13所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣，其特征在于：所述环氧树脂为130℃中温固化环氧树脂或180℃高温固化环氧树脂；所述碳纤维/芳纶纤维增强树脂基复合材料层中碳纤维与芳纶纤维的体积比为1～2:1～2。
15.权利要求13～14之一所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、将碳纤维织物预浸料、碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料、芳纶纤维织物预浸料裁切成带状预浸料，依次缠绕在包容机匣阳模成型模具上，缠绕至要求厚度后，包覆隔离材料、透气材料及真空袋，在热压罐中进行吸胶预压实，其中吸胶温度50℃～80℃，保温时间为1.5～2.5h，压力为0.3MPa～0.5MPa；
(2)、吸胶预压实后包覆隔离材料、透气材料及真空袋，在热压罐中进行固化，固化温度为120℃～190℃，固化时间为4h～5h，固化压力为0.6MPa～0.8MPa；
(3)、脱模后，对得到的轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的端面进行加工，完成制备。
16.根据权利要求15所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中设置两次吸胶预压实过程，分别在碳纤维织物预浸料铺层完成后，以及碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料铺层完成后，吸胶预压实采用真空袋/热压罐的方式进行，吸胶时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃/h～60℃/h，温度升至75～80℃时加压至0.3～0.4MPa，然后保温1.5～2.5h，保温结束后以30℃～60℃/h降温速率降温至60℃以下完成吸胶预压实。
17.根据权利要求15所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)进行固化时，真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃～60℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.60～0.70MPa，保温20～40min后继续升温，升温至125～135℃时，保温4h～5h，随后以30℃-60℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化；或者真空表压不大于-0.097MPa，升温速率20℃～60℃/h，温度升至110～125℃时加压至0.60～0.70MPa，保温20～40min后继续升温，升温至175～185℃时，保温4h～5h，随后以30℃-60℃/h降温速率降温至60℃以下完成固化。
18.根据权利要求15所述的轻质抗冲击密度梯度复合材料风扇包容机匣的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的碳纤维织物预浸料是将面密度为180～240g/m2的斜纹织物用干法制备工艺制备成树脂含量为38～42％的预浸料；所述芳纶织物预浸料是将面密度为83～93g/m2的缎纹芳纶纤维织物用干法制备工艺制备成树脂含量为45～51％的预浸料；所述碳纤维及芳纶混杂纤维织物预浸料是将碳纤维及芳纶纤维进行混编，形成层内混杂平纹织物，并用干法制备工艺制备成树脂含量为42～48％的预浸料。
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