CN109986804A - 一种碳纤复合材料增强块及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纤复合材料增强块及制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1）下料2）手工铺层3）热压罐固化4）脱模5）加工。所述碳纤复合材料增强块，是独立整体结构。本发明提供一种适用于特殊条件下（高压力、高载荷）的高强、耐疲劳、耐化学腐蚀的复合材料增强块；采用分批次真空压实，使厚壁的碳纤复合材料无需采用分层固化，减少能耗、提高生产效率；制件一体成型后加工，降低制备难度，重量较同类型铝制件减重30%。
Description
技术领域
本发明属于复合材料工艺制造领域，具体为一种碳纤复合材料增强块及制备方法。
背景技术
目前应用较为广泛的增强块为金属材质增强块。复合材料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复合材料在航空航天上的应用。一些大的航空航天制造商在零件设计制造中，正逐步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。碳纤复合材料增强块强度高、质量轻，较传统金属材质增强块优势渐渐明显。增强块大多用于航空航天领域零件开口处结构补强。特定使用条件下（高压强、高载荷），如作为压力筒型件开口补强增强块，需短时间承受较大压强和载荷，重复使用多次依然维持较高的力学性能，而传统的金属增强块已经不能轻易满足这些使用条件的要求。需要强度更高、重量更轻、循环使用次数更多，耐疲劳性能更强同时保持耐化学腐蚀性能的增强块。
为满足高压强、大载荷、耐疲劳要求，高强、耐疲劳、耐化学腐蚀的复合材料增强块是必然选择。而采用一体化复合材料成型全碳纤复合材料热压罐成型增强块就能够最大限度的保留结构的载荷能力。实际制造过程中，由于增强块的壁厚远大于常规碳纤维制件固化厚度，固化时放热量较大，制件里外固化速度不一，导致实际固化后制件尺寸收缩，应力集中，采用一体固化无法避免这些问题，较为稳妥的办法是分层固化，将制件分多次铺层，分多次固化，可避免固化的收缩、应力集中等问题，但由此导致生产资源消耗较大，分层固化的界面可能导致在加工时存在分层现象或降低制件疲劳寿命，导致制件失效。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种既能一次整体固化，又能避免固化收缩，尺寸稳定的碳纤复合材料高强、耐疲劳增强块及制备方法。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种碳纤复合材料增强块，所述增强块包括设置在增强块顶端的端面，所述增强块的中部为空腔，所述空腔内设有隔板，使得所述空腔朝外的两侧形成台阶槽，所述隔板的中部设有方孔，所述隔板的底部两端设有螺纹孔，螺纹孔之间设有钻孔，所述增强块为独立整体结构。
本发明的进一步改进在于：上述增强块的制备方法包括如下步骤：
步骤一：下料，将碳纤维预浸料从冷库取出，常温放置至包装袋外无冷凝水，根据增强块铺层轮廓，按照制件下料电子图在自动裁剪机上进行下料；
步骤二：手工铺层，将增强块成型工装放置在恒温恒湿且洁净环境，提前准备好手工铺层顺序表，然后按照铺层顺序进行手工铺层，按照批次不少于10次分批真空压实；
步骤三：热压罐固化，手工铺层完成后将制件放置在热压罐中固化，固化完成关闭加热，制件随炉冷却，待热压罐温度降至40℃以下时，打开热压罐，制件继续降温冷却，待制件降温至常温时，将制件移出热压罐，准备脱模；
步骤四：脱模，利用行车吊等辅助分解增强块成型工装，将制件取出；
步骤五：加工，按照制件实际尺寸干态加工，加工的顺序依次为，基准面加工→内外圆弧面加工→方孔和台阶槽粗加工→方孔和台阶槽精加工→钻孔加工和螺纹孔加工→清除毛边。
本发明的进一步改进在于：所述步骤一中，所述碳纤维预浸料放置在-18℃冷库中，常温放置时间为8h。
本发明的进一步改进在于：所述步骤三中，固化制度为85±5℃/0.5h+140±5℃/2h，升温温度为0-1℃/min,以0-0.5℃/min的降温速率从140℃→40℃，全程压力（0.6±0.03）MPa。
本发明的进一步改进在于：所述步骤五中，方孔和台阶槽粗加工之后预留1mm余量，然后方孔和台阶槽精加工和钻孔加工和螺纹孔加工。
本发明的进一步改进在于：所述步骤五中，精加工的进刀速度不大于30-50mm/min。
本发明的进一步改进在于：所述步骤二中，首层真空压实一次，以后每隔20至40层真空压实一次。
本发明的进一步改进在于：所述步骤二中，铺层厚度为80-100mm。
本发明的有益效果是：本发明采用分批次真空压实，使厚壁的碳纤复合材料无需采用分层固化，减少能耗、提高生产效率，最大成都保留结构性能：本发明一体成型后加工，降低制备难度，重量较同类型铝制件减重30%。本发明提供的复合材料增强块，制件经一体成型后加工，降低制备难度，能适用于高压强、高载荷的高强、耐疲劳、耐化学腐蚀的特殊条件。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：1-增强块，2-端面，3-空腔，4-隔板，5-台阶槽，6-方孔，7-螺纹孔，8-钻孔。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：
如图1所示，一种碳纤复合材料增强块，所述增强块包括设置在增强块1顶端的端面2，该端面2为圆弧面，所述增强块1的中部为空腔3，所述空腔3内设有隔板4，使得所述空腔3朝外的两侧形成台阶槽5，所述隔板4的中部设有方孔6，所述隔板4的底部两端设有螺纹孔7，螺纹孔7之间设有钻孔8，所述增强块1为独立整体结构。
假定制件圆弧面厚度为100mm，最大圆弧长度为400mm，台阶槽5深度为50mm，方孔6贯通整个增强块，铺层设计为（0/45/90）ns,纤维采用T300级碳纤维，树脂及固化剂为环氧体系，模具提前准备好，制件内圆弧面由模具赋型决定。以下将详细制备过程，包括如下步骤：
步骤一：将碳纤维预浸料从-18℃冷库取出，常温放置8h至包装袋外无冷凝水。根据增强块铺层轮廓，按照制件下料电子图在自动裁剪机上进行下料；
步骤二：手工铺层，将增强块成型工装放置在恒温恒湿且洁净环境，提前准备好手工铺层顺序表，然后按照铺层顺序进行手工铺层，首层真空压实一次，以后每隔20至40层真空压实一次，铺层厚度80-100mm；
步骤三：热压罐固化，手工铺层完成后将制件放置在热压罐中固化，固化制度为85±5℃/0.5h+140±5℃/2h，升温温度为0-1℃/min,以0-0.5℃/min的降温速率从140摄氏度→40℃，全程压力（0.6±0.03）MPa，待制固化完成关闭加热，制件随炉冷却，待热压罐温度降至40℃以下时，打开热压罐，制件继续降温冷却，待制件降温至常温时，将制件移出热压罐，准备脱模；
步骤四：脱模，利用行车吊等辅助分解增强块成型工装，将制件取出，注意脱模过程中不要损伤制件；
步骤五：加工，按照制件实际尺寸干态加工，加工的顺序依次为，基准面加工→内外圆弧面加工→方孔和台阶槽粗加工→方孔和台阶槽精加工→钻孔加工和螺纹孔加工→清除毛边。方孔和台阶槽粗加工之后预留1mm余量，然后方孔和台阶槽精加工和钻孔加工和螺纹孔加工，精加工的进刀速度不大于30-50mm/min，方孔和台阶槽粗加工之后预留1mm余量，然后方孔和台阶槽精加工和钻孔加工和螺纹孔加工。
本实施例的有益效果是：本实施例采用分批次真空压实，使厚壁的碳纤复合材料无需采用分层固化，减少能耗、提高生产效率，最大成都保留结构性能：本发明一体成型后加工，降低制备难度，重量较同类型铝制件减重30%。本发明提供的复合材料增强块，制件经一体成型后加工，降低制备难度，能适用于高压强、高载荷的高强、耐疲劳、耐化学腐蚀的特殊条件。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (8)
1.一种碳纤复合材料增强块，其特征在于：所述增强块包括设置在增强块顶端的端面，所述增强块的中部为空腔，所述空腔内设有隔板，使得所述空腔朝外的两侧形成台阶槽，所述隔板的中部设有方孔，所述隔板的底部两端设有螺纹孔，螺纹孔之间设有钻孔，所述增强块为独立整体结构。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤复合材料增强块的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
步骤一：下料，将碳纤维预浸料从冷库取出，常温放置至包装袋外无冷凝水，根据增强块铺层轮廓，按照制件下料电子图在自动裁剪机上进行下料；
步骤二：手工铺层，将增强块成型工装放置在恒温恒湿且洁净环境，提前准备好手工铺层顺序表，然后按照铺层顺序进行手工铺层，按照批次不少于10次分批真空压实；
步骤三：热压罐固化，手工铺层完成后将制件放置在热压罐中固化，固化完成关闭加热，制件随炉冷却，待热压罐温度降至40℃以下时，打开热压罐，制件继续降温冷却，待制件降温至常温时，将制件移出热压罐，准备脱模；
步骤四：脱模，利用行车吊等辅助分解增强块成型工装，将制件取出；
步骤五：加工，按照制件实际尺寸干态加工，加工的顺序依次为，基准面加工→内外圆弧面加工→方孔和台阶槽粗加工→方孔和台阶槽精加工→钻孔加工和螺纹孔加工→清除毛边。
3.根据权利要求2所述一种碳纤复合材料增强块的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，所述碳纤维预浸料放置在-18℃冷库中，常温放置时间为8h。
4.根据权利要求2所述一种碳纤复合材料增强块的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，固化制度为85±5℃/0.5h+140±5℃/2h，升温温度为0-1℃/min,以0-0.5℃/min的降温速率从140℃→40℃，全程压力（0.6±0.03）MPa。
5.根据权利要求2所述一种碳纤复合材料增强块的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，方孔和台阶槽粗加工之后预留1mm余量，然后方孔和台阶槽精加工和钻孔加工和螺纹孔加工。
6.根据权利要求2所述一种碳纤复合材料增强块的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，精加工的进刀速度不大于30-50mm/min。
7.根据权利要求2所述一种碳纤复合材料增强块的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，首层真空压实一次，以后每隔20至40层真空压实一次。
8.根据权利要求1所述一种碳纤复合材料增强块的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，铺层厚度为80-100mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190709 |