CN109353027A - 碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法 - Google Patents

碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于涉及碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法。碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法，特别是交叉类网格结构的铺层方法，铺层过程中，a、在成型模具上用完整的铺设料完成第一方向上的铺设，b、利用分段式铺设料完成第二方向上的铺设，且分段区为与第一方向和第二方向的交叉区域，c、利用完整的铺设料完成第二方向上的铺设，d、利用分段式铺设料完成第一方向上的铺设，重复循环a‑b‑c‑d达到预定的铺设厚度，本发明对碳纤维复合材料交叉类网格结构的铺层方法进行了改进，一方面有效使得结构的胶含量处于合理区间，另一方面，碳纤维复合材料在交叉节点不发生屈曲，可较好的传递压缩载荷。

Description

碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法
技术领域
本发明属于涉及碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法。
背景技术
由于碳纤维复合材料具有高的比强度、比模量、可设计性和成型工艺好，大大减轻产品的重量，降低成本，提高产品性能。同时碳纤维复合材料耐腐蚀、耐热性能好，在满足产品各种环境条件下，长储存寿命的特殊要求，降低使用维护的寿命周期成本。碳纤维复合材料是一种非金属材料，具有特殊的电磁性能，研究改性后具有一定的隐身功能，可以满足航天产品的技术要求。最后，碳纤维复合材料易植入芯片、传感器形成智能材料、结构。
模压成型工艺是现将浸渍基体树脂的增强纤维预浸料逐层铺贴在模具上，再经热压工艺，基体树脂在模具内进行化学反应，结构件成型和材料成型同时完成。模压成型工艺模具较简单，能一次性成型结构复杂的制品，降低生产成本，提高生产效率；成型后的产品尺寸精度高，重复性好，机械性能较稳定。
传统的碳纤维复合材料空芯网格结构交叉节点处铺层方法是在不同方向的筋条在交叉节点处交错铺层，会导致交叉节点处的纤维准直度较差，同时该区域因纤维体积分数过高而形成贫胶区，纤维准直性差容易使结构在压缩载荷作用下出现局部屈曲失稳，进而降低结构承载能力。在传统的制备方法下，筋条之间依靠层间性能传递剪切载荷，而在贫胶区中，因贫胶导致的层间剪切性能下降，在外载荷作用下，交叉节点处容易发生层间滑移，降低了筋条交叉节点处载荷传递能力。
进一步的，中国专利：201510801185.0，发明名称：一种碳纤维/高韧性环氧复合材料网格筋条成型方法，其公开了交叉的筋条的成型方法：制备横向筋条预制体，首先将步骤(2)准备好的用于铺放横向筋条的A型预浸料块按设计的铺层厚度沿纤维方向依次将多层A型预浸料块层叠在一起，其层叠厚度为0.1-2mm；然后将用于铺放横向筋条的B型预浸料块按网格间距依次将多层B型预浸料块层叠铺放，且在网格筋条交汇处形成一个筋条宽度的断口，断口的方向与纤维方向垂直，且B型预浸料块层叠铺放的厚度为0.1-2mm，A型预浸料块的铺放厚度与B型预浸料块的铺放厚度为1-3：1；制备纵向筋条预制体首先将步骤(2)准备好的用于铺放纵向筋条的C型预浸料块按设计的铺层厚度沿纤维方向依次将多层C型预浸料块层叠在一起，其层叠厚度为0.1-2mm，然后将用于铺放纵向筋条的D型预浸料块按网格间距依次将多层D型预浸料块层叠铺放，且在网格筋条交汇处形成一个筋条宽度的断口，断口的方向与纤维方向垂直，且D型预浸料块层叠铺放厚度为0.1-2mm，C型预浸料块的铺放厚度与D型预浸料块的铺放厚度为1-3：1；(4)将横向筋条预制体和纵向筋条预制体分别按横向筋条宽度和纵向筋条宽度沿纤维方向进行分切，并将分切好的预浸丝按横向和纵向交替的方式铺放模具的横向筋槽和纵向筋槽中；且纵向筋条预制体和横向筋条预制体的上下断口交互耦合；其存在以下缺陷：1、其通过上下断口交互耦合而成，在断口出的碳纤维铺层仅仅只有物理上的连接关系，而没有铺层之间的耦合关系，交叉部位的抗剪性能依然交叉；2、B 型预浸料块层叠铺放的厚度为0.1-2mm，其为多层复合而成，多层B型预浸料之间的抗剪能力较差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明对碳纤维复合材料交叉类网格结构的铺层方法进行了改进，一方面有效使得结构的胶含量处于合理区间，另一方面，碳纤维复合材料在交叉节点不发生屈曲，可较好的传递压缩载荷，同时，有增加交叉类网格结构在交叉节点处的抗剪性能，从而提升了交叉类网格结构的整体的压缩稳定性。
本发明的技术方案如下：
碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据交叉类网格结构的形状预制成型模具；
步骤2：根据交叉类网格结构的形状对碳纤维预浸料进行裁切，分为完整的铺设料和分段式铺设料，然后在成型模具上进行网格部位的铺层，铺层过程中，a、在成型模具上用完整的铺设料完成第一方向上的铺设，b、利用分段式铺设料完成第二方向上的铺设，且分段区为与第一方向和第二方向的交叉区域，c、利用完整的铺设料完成第二方向上的铺设，d、利用分段式铺设料完成第一方向上的铺设，重复循环a-b-c-d达到预定的铺设厚度；
步骤3：合模，利用压机进行第一次预固化，预固化完成待模具冷却后，进行端框铺层，端框铺层完毕后进行第二次预固化，第二次预固化后直接进行固化成型；
步骤4：待成型模具冷却后，进行脱模，得到碳纤维复合材料交叉类网格结构的零件。
所述的第一次预固化为二级温度预固化，所述的二级温度预固化的固化温度分别为60℃和80℃。
所述的第二次预固化为三级温度预固化，所述的三级温度预固化的固化温度分别为60℃、 80℃和100℃。
所述的完整的铺设料和分段式铺设料包括多个角度的碳纤维预浸料，分别为沿筋条方向的碳纤维预浸料以及与沿交叉节点角平分线方向的碳纤维预浸料。
所述完整的铺设料和分段式铺设料还包括±45°的碳纤维预浸料，所述±45°碳纤维预浸料的铺设量占碳纤维预浸料铺设量的8-12％。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明通过对碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法进行改进，尤其是对交叉节点处的碳纤维铺层的方法进行了改进，碳纤维在交叉节点附近处截断，截断位置在不同铺层中相互错位，形成的交叉节点与筋条其他位置纤维体积分数相同，胶含量处于合理区间，能够形成良好的层间连接，同时，纤维在交叉节点处不发生屈曲，可以较好的传递压缩载荷，同时。
进一步的，本发明通过选用不同角度的碳纤维预浸料进行铺设，提高筋条抗剪性能，从而提高了筋条和压缩稳定性。
附图说明
图1为本发明交叉类网格结构与成型模具的结构示意图；
图2-图5为本发明中步骤2中a-d的示意图，
图6为完整的铺设料的示意图；
图7为分段式铺设料的示意图；
图8-图11为多角度碳纤维预浸料铺设的示意图；
图中1为成型模具，2为第一方向，3为第二方向，4为完整的铺设料，5为分段式铺设料，6为端框铺层，7为端框模具。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1至图5所示，碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据交叉类网格结构的形状预制成型模具；本实施例所述的成型模具如图1所示，图1中包括用于成型交叉构件的模具主体，在模具主体的上下两端设有用于成型端框的端框模具，端框模具与模具主体配合，图1中的交叉构件为了方便阐述，分为第一方向2和第二方向3。
步骤2：根据交叉类网格结构的形状对碳纤维预浸料进行裁切，分为完整的铺设料4和分段式铺设料5，完整的铺设料和分段式铺设料分别如图6和图7所示，然后在成型模具上进行网格部位的铺层，铺层过程中，a、在成型模具1上用完整的铺设料完成第一方向2上的铺设，b、利用分段式铺设料5完成第二方向3上的铺设，且分段区为与第一方向和第二方向的交叉区域，c、利用完整的铺设料完成第二方向上的铺设，d、利用分段式铺设料完成第一方向上的铺设，重复循环a-b-c-d达到预定的铺设厚度，本发明对交叉类构件的碳纤维预浸料的铺层方法进行了改进，在交叉出采用截断的方式，且截断的位置在不同铺层中相互错位，这样形成的交叉节点与筋条其他位置纤维体积分数相同，胶含量也处于合理区间，能够形成良好的层间连接；
步骤3：合模，利用压机进行第一次预固化，预固化完成待模具冷却后，进行端框铺层，端框铺层完毕后进行第二次预固化，第二次预固化后直接进行固化成型；采用多次预固化以及预固化直接与固化成型衔接的方式，提高了固化成型的速度，使得产品的生产效率得到提升，同时也有利于减少成型过程中产品的缺陷，保证了产品的质量。
步骤4：待成型模具冷却后，进行脱模，得到碳纤维复合材料交叉类网格结构的零件。
所述的第一次预固化为二级温度预固化，所述的二级温度预固化的固化温度分别为60℃和80℃。
所述的第二次预固化为三级温度预固化，所述的三级温度预固化的固化温度分别为60℃、 80℃和100℃。
上述对第一次预固化和第二次预固化的温度进行了限定，采用多级温度固化解决了预浸料集体树脂流动性差的问题，在交叉类构件的成型过程中大大提升筋条结构的致密化，避免出现局部气孔等缺陷。
所述的完整的铺设料和分段式铺设料包括多个角度的碳纤维预浸料，所述的角度是指碳纤维预浸料中碳纤维束的方向，分别为沿筋条方向的碳纤维预浸料，即碳纤维预浸料的碳纤维的方向与筋条的方向相同(如图8所示)，以及与沿交叉节点角平分线方向的碳纤维预浸料，交叉的两个筋条有两个角平分线，分别为分别为垂直的角平分线和水平的角平分线(如图9 和图10所示)；采用不同角度的碳纤维预浸料能够增强交叉类网格结构在这些方向上的强度。
进一步的，如图11所示，所述完整的铺设料和分段式铺设料还包括±45°的碳纤维预浸料，所述±45°碳纤维预浸料的铺设量占碳纤维预浸料铺设量的8-12％，增加多个角度的碳纤维预浸料，提升碳纤维交叉类网格构件在各个方向上的抗剪能力。
上述对预浸料的碳纤维的方向进行限定，确保交叉节点结构具有理想的剪切强度，同时也提高了筋条的抗剪切能力，保证了筋条的压缩稳定性。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明通过对碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法进行改进，尤其是对交叉节点处的碳纤维铺层的方法进行了改进，碳纤维在交叉节点附近处截断，截断位置在不同铺层中相互错位，形成的交叉节点与筋条其他位置纤维体积分数相同，胶含量处于合理区间，能够形成良好的层间连接，同时，纤维在交叉节点处不发生屈曲，可以较好的传递压缩载荷，同时。
进一步的，本发明通过选用不同角度的碳纤维预浸料进行铺设，提高筋条抗剪性能，从而提高了筋条和压缩稳定性。

Claims (5)

1.碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据交叉类网格结构的形状预制成型模具；
步骤2：根据交叉类网格结构的形状对碳纤维预浸料进行裁切，分为完整的铺设料和分段式铺设料，然后在成型模具上进行网格部位的铺层，铺层过程中，a、在成型模具上用完整的铺设料完成第一方向上的铺设，b、利用分段式铺设料完成第二方向上的铺设，且分段区为与第一方向和第二方向的交叉区域，c、利用完整的铺设料完成第二方向上的铺设，d、利用分段式铺设料完成第一方向上的铺设，重复循环a-b-c-d达到预定的铺设厚度；
步骤3：合模，利用压机进行第一次预固化，预固化完成待模具冷却后，进行端框铺层，端框铺层完毕后进行第二次预固化，第二次预固化后直接进行固化成型；
步骤4：待成型模具冷却后，进行脱模，得到碳纤维复合材料交叉类网格结构的零件。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法，其特征在于：所述的第一次预固化为二级温度预固化，所述的二级温度预固化的固化温度分别为60℃和80℃。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法，其特征在于：所述的第二次预固化为三级温度预固化，所述的三级温度预固化的固化温度分别为60℃、80℃和100℃。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法，其特征在于：所述的完整的铺设料和分段式铺设料包括多个角度的碳纤维预浸料，分别为沿筋条方向的碳纤维预浸料以及与沿交叉节点角平分线方向的碳纤维预浸料。
5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料交叉类网格结构的成型方法，其特征在于：所述完整的铺设料和分段式铺设料还包括±45°的碳纤维预浸料，所述±45°碳纤维预浸料的铺设量占碳纤维预浸料铺设量的8-12%。
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