CN110561782A - 一种基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法和应用 - Google Patents

一种基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于内网格筋结构的复合材料产品二次固化成型方法，包括如下步骤：步骤一、制备用于所述内网格筋结构的复合材料产品的多个水溶性芯模；步骤二、在所述水溶性芯模上铺放预浸料得到所述复合材料初产品后，进行预成型固化处理；步骤三、对所述复合材料初产品进行加工修整处理后，进行表面处理；步骤四、在所述复合材料初产品上铺放预浸料后铺放蒙皮；步骤五、将所述复合材料初产品和蒙皮整体的侧面进行Z‑pin植入得到待成型复合材料；步骤六、将所述待成型复合材料进行合模、预压、固化和脱模操作后得到所述复合材料。

Description

一种基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料成型技术领域，具体涉及一种基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法。
背景技术
闭腔网格结构具有良好的几何拓扑优化性、承载能力高、抗屈曲能力强、高比强度和比刚度等特点。用复合材料制备成闭腔网格结构能发挥出材料与结构的双重优点，在航空航天领域得到广泛的应用。对于树脂基复合材料，通常采用水溶性模具成型闭腔网格筋结构产品，现有技术常通过优化水溶性模具的胶粘剂与基体材料以增加芯模的抗压强度，而水溶性模具的预制体制备、加工、表面处理等过程影响因素众多。对于网格筋结构，各水溶性芯模的力学性能的一致性很难保证。同时，水溶性芯模的自身的刚度不足，在合模工艺过程，水溶性模具块变形情况明显，产品各网格部分压力不一致。这就造成了产品内部质量不均匀，同时，蒙皮铺放工艺过程不易实现一周连续，常采用上下蒙皮分别铺放的方式，因此断口在侧面集中较多，强度损失较大。传统上常通过局部增加产品厚度或强化层间强度进行补强，Z-pin技术虽然是一种适用于预浸料成型复合材料层合板并有效改善其层间性能的三维增强技术，但是目前尚未被应用到闭腔网格筋结构成型工艺上。
发明内容
基于上述技术问题，本发明设计开发了一种基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，本发明的发明目的是采用二次固化的方式，通过对复合材料初产品进行预成型固化处理、加工修整处理和表面处理后，采用Z-pin技术强化产品侧面蒙皮与芯模的层间强度，解决了产品各网格部分内部质量不均匀，工艺对侧边缘强度损失问题。
本发明提供的技术方案为：
一种基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，包括如下步骤：
步骤一、制备用于所述内网格筋结构的复合材料产品的多个水溶性芯模；
步骤二、在所述水溶性芯模上铺放预浸料得到所述复合材料初产品后，进行预成型固化处理；
步骤三、对所述复合材料初产品进行加工修整处理后，进行表面处理；
步骤四、在所述复合材料初产品上铺放预浸料后铺放蒙皮；
步骤五、将所述复合材料初产品和蒙皮整体的侧面进行Z-pin植入得到待成型复合材料；
步骤六、将所述待成型复合材料进行合模、预压、固化和脱模操作后得到所述复合材料。
优选的是，在所述步骤一中，制备所述水溶性芯模过程包括：
将基体、胶粘剂和水按照质量比例1.25：0.15：0.3混合，搅拌均匀后，通过模具压制成毛坯块，进入固化炉除水干燥，然后进行机械加工，将所述毛坯块分割成多个水溶性芯模，完成后采用脱模布进行表面处理，连续铺放2层；
其中，所述脱模布厚度为0.05～0.1mm。
优选的是，所述基体为漂珠，所述胶粘剂为聚乙烯吡咯烷酮。
优选的是，在所述步骤二中，所述预浸料为T700SC和氰酸酯，铺设厚度为1～2mm，且在压力为0.3MPa条件下进行预成型固化处理；
其中，所述预浸料单层铺设厚度为0.1mm；以及
进行预成型固化处理后厚度为1～2mm。
优选的是，在所述步骤三中，进行加工处理为将所述复合材料初产品的所有面均匀去量处理，去量厚度为0.4mm；以及
进行表面处理为通过360目砂纸将所述复合材料初产品进行打磨，并且用丙酮将打磨后的所述复合材料初产品表面擦拭后，表面填涂氰酸酯树脂胶液浸润。
优选的是，在所述步骤四中，所述预浸料为T700SC和氰酸酯，且单层铺设厚度为0.1mm。
优选的是，在所述步骤五中，进行Z-pin植入时选用0.4mm碳纤维杆。
优选的是，在所述步骤六中，所述合模过程包括：将所述待成型复合材料放入固化炉中升温，100℃持续1个小时后进行热合模加压；以及
所述固化过程包括：在145℃条件下固化3小时后，在195℃条件下固化4小时，固化后降温。
优选的是，所述水溶性芯模尺寸为53.2mm×53.2mm×53.2mm。
一种二次固化成型方法在制备基于内网格筋结构的复合材料中的应用，使用所述的二次固化成型方法。
本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：
1、本发明对芯模进行预成型处理，利用2层连续的脱模布与固化复合材料厚度增加芯模的强度与刚度，二次成型前芯模表面涂基体树脂胶液，成型时各芯模至少铺放2层预浸料，预浸料作为工艺层，缓解由于铺放、合模误差芯模间及芯模与蒙皮间产生的间隙，避免了二次固化时芯模间及芯模与蒙皮间存在界面，芯模的强度和刚度得以保证，进而可精加工至可控的尺寸进行二次成型固化，且二次固化的界面问题进行了控制，从而保证产品内部质量；
2、本发明在二次成型蒙皮铺放完成后对侧面蒙皮与芯模进行Z-pin植入，强化蒙皮与芯模的层间强度，同样保证了产品各网格部分内部质量均匀，保证工艺对侧边缘强度。
附图说明
图1为本发明所述的内网格筋结构的复合材料的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供一种基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，包括：水溶性芯模制备过程采用2层脱模布对水溶性芯模进行表面处理，除了侧边缘芯模，其他芯模预成型固化1～2mm厚度芯模，利用2层连续的脱模布与1～2mm的固化复材厚度增加芯模的强度与刚度，二次成型前芯模表面涂基体树脂胶液，成型时各芯模至少铺放2层预浸料，预浸料作为工艺层，缓解由于铺放、合模误差芯模间及芯模与蒙皮间产生的间隙，避免了二次固化时芯模间及芯模与蒙皮间存在界面，芯模的强度和刚度得以保证，进而可精加工至可控的尺寸进行二次成型固化，且二次固化的界面问题进行了控制，从而保证产品内部质量，在二次成型蒙皮铺放完成后对侧面蒙皮与芯模进行Z-pin植入，强化蒙皮与芯模的层间强度，本申请的二次固化成型方法具体包括以下步骤：
步骤一、制备水溶性芯模，胶粘剂选用聚乙烯吡咯烷酮，基体材料选用漂珠，经过预成型、干燥、机械加工后进行表面处理，表面处理采用厚度0.05～0.1mm的脱模布，连续铺放2层，脱模布对芯模完全包裹，起到增加芯模表面强度的作用，避免芯模各面受力不均、局部受压溃散；
步骤二、在水溶性芯模上铺放预浸料得到复合材料初产品后对复合材料初产品进行预成型固化，预浸料单层厚0.1mm，预成型厚度1～2mm，芯模可采用模压或真空罐任一工艺进行固化；作为一种优选，在本实施例中，如果产品网格筋厚超过4mm，可增加预成型厚度，预成型的复材厚度即可看作芯模的一部分，与内部水溶性芯模一同在二次成型时承受合模压力，预成型的复合材料初产品厚度越厚，复合材料初产品的强度与刚度越大；
步骤三、复合材料初产品脱模后进行加工修整，所有面均匀去量，加工尺寸按复合材料初产品与蒙皮的工艺铺层进行匹配设计，控制修整后复合材料初产品尺寸精度±0.1，并至少留2层复合材料初产品的工艺铺层厚度；
步骤四、修整后的复合材料初产品进行表面处理：用360目砂纸打磨，用丙酮擦净，然后涂产品基体树脂胶液浸润表面；
步骤五、复合材料初产品铺放至少2层预浸料，此时复合材料初产品件有至少4层、复合材料初产品与蒙皮间至少有2层预浸料，组合后与蒙皮一起按铺放；
步骤六、铺放后侧面进行Z-pin植入得到待成型复合材料，然后按合模、固化、脱模工序完成产品成型。
在另一种实施例中，在步骤一中，将基体、胶粘剂和水按照质量比例1.25：0.15：0.3混合，搅拌均匀后，通过模具压制成毛坯块，进入固化炉除水干燥，然后进行机械加工，将毛坯块分割成多个水溶性芯模，完成后采用脱模布进行表面处理，连续铺放2层；其中，所述脱模布厚度为0.05～0.1mm。
在另一种实施例中，在步骤二中，预浸料为T700SC/氰酸酯，铺设厚度为1～2mm，且在压力为0.3MPa条件下进行预成型固化处理；在本实施例中，作为一种优选，预浸料单层铺设厚度为0.1mm，进行预成型固化处理后厚度为1～2mm。
在另一种实施例中，在步骤三中，所有面均匀去量为将所述复合材料初产品的各个面等厚度加工，每个面加工掉0.4mm。
在另一种实施例中，在步骤四中，进行表面处理为通过360目砂纸将所述复合材料初产品进行打磨，并且用丙酮将打磨后的复合材料初产品表面擦拭后，表面填涂氰酸酯树脂胶液浸润。
在另一种实施例中，在步骤五中，预浸料为T700SC/氰酸酯，且单层铺设厚度为0.1mm。
在另一种实施例中，在步骤六中，合模过程包括：将所述待成型复合材料放入固化炉中升温，100℃持续1个小时后进行热合模加压。
在另一种实施例中，在步骤六中，固化过程包括：在145℃条件下固化3小时后，在195℃条件下固化4小时，固化后降温。
在另一种实施例中，水溶性芯模尺寸为53.2mm×53.2mm×53.2mm。
实施例
采用本发明所提供的次固化成型方法制备基于内网格筋结构的复合材料包括如下步骤：
步骤一、制备36个水溶性芯模：胶粘剂选用聚乙烯吡咯烷酮，基体材料选用漂珠，与水按质量比例，漂珠：聚乙烯吡咯烷酮：水＝1.25：0.15：0.3混合，搅拌均匀，利用模具压制成毛坯块，进入固化炉除水干燥，然后进行机械加工，将毛坯块分割成36个小块水溶性芯模，完成后采用脱模布进行表面处理，连续铺放2层，实测脱模布厚度0.09mm；
步骤二、在36个水溶性芯模上铺放预浸料得到复合材料初产品后，对36个复合材料初产品进行预成型，准备T700SC/氰酸酯混合物的预浸料，单层厚0.1mm，铺放2mm厚度，为减少合模固化次数，采用真空罐艺对复合材料初产品进行预固化，打压压力0.3Mpa；
步骤三、预成型的复合材料初产品脱模后进行加工修整，所有面均匀去量，理论去量单面0.4mm，36个复合材料初产品统一加工至尺寸53.2mm×53.2mm×53.2mm，保证表面平整，尺寸精度达到±0.1mm；
步骤四、对加工修整后的复合材料初产品进行表面处理，所有面用360目砂纸打磨粗糙，用丙酮擦净灰尘，表面涂氰酸酯树脂胶液浸润；
步骤五、表面处理后的复合材料初产品立即各铺放4层预浸料(T700SC/氰酸酯)，单层厚0.1mm，组合后铺放蒙皮；
步骤六、蒙皮铺放完成后选用0.4mm碳纤维杆，对侧面进行Z-pin植入得到待成型符合材料，植入后组合模具，组合后的模具放入固化炉中升温，100℃持续1个小时后进行热合模加压，然后在145℃条件下固化3小时后，在195℃条件下固化4小时，固化后降温，在室温进行脱模工序完成产品成型。
对比例
采用传统工艺制备基于内网格筋结构的复合材料包括如下步骤：
步骤一、制备36个水溶性芯模，胶粘剂选用聚乙烯吡咯烷酮，基体材料选用漂珠，与水按质量比例漂珠：聚乙烯吡咯烷酮：水＝1.25：0.15：0.3混合，搅拌均匀，利用模具压制成毛坯块，进入固化炉除水干燥，然后进行机械加工，将毛坯块分割成36个小块芯模，完成后采用脱模布进行表面处理，连续铺放2层，实测脱模布厚度0.09mm；
步骤二、铺放2mm预浸料(T700SC/氰酸酯)，单层厚0.1mm，组合后铺放蒙皮；
步骤三、蒙皮铺放完成后组合模具，组合后的模具放入固化炉中升温，100℃持续1个小时后进行热合模加压，然后在145℃条件下固化3小时后，在195℃条件下固化4小时，固化后降温，在室温进行脱模工序完成产品成型。
试验结果
采用传统工艺制作相同尺寸对比样件，水溶性模具表面处理后直接进行铺放工序，不进行二次固化与Z-pin植入，两种工艺产品脱模后，取样测量纤维体积含量与超声波无损探伤，但由于水溶性模具自身力学性能差的缺陷，产品内部质量不易保证均匀。
测量结果显示，采用本发明成型的复合材料产品，各网格位置的纤维体积含量基本保持一致，均在60±3％范围，并且优于传统工艺产品纤维体积含量在60±5％范围，两个产品内部探伤结果均显示无分层界面，但采用本发明成型的产品探伤超声波底波波峰普遍高于传统工艺成型产品，说明密实程度更高，内部质量更好。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、制备用于所述内网格筋结构的复合材料产品的多个水溶性芯模；
步骤二、在所述水溶性芯模上铺放预浸料得到所述复合材料初产品后，进行预成型固化处理；
步骤三、对所述复合材料初产品进行加工修整处理后，进行表面处理；
步骤四、在所述复合材料初产品上铺放预浸料后铺放蒙皮；
步骤五、将所述复合材料初产品和蒙皮整体的侧面进行Z-pin植入得到待成型复合材料；
步骤六、将所述待成型复合材料进行合模、预压、固化和脱模操作后得到所述复合材料。
2.如权利要求1所述的基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，其特征在于，在所述步骤一中，制备所述水溶性芯模过程包括：
将基体、胶粘剂和水按照质量比例1.25：0.15：0.3混合，搅拌均匀后，通过模具压制成毛坯块，进入固化炉除水干燥，然后进行机械加工，将所述毛坯块分割成多个水溶性芯模，完成后采用脱模布进行表面处理，连续铺放2层；
其中，所述脱模布厚度为0.05～0.1mm。
3.如权利要求2所述的基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，其特征在于，所述基体为漂珠，所述胶粘剂为聚乙烯吡咯烷酮。
4.如权利要求1所述的基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述预浸料为T700SC和氰酸酯，铺设厚度为1～2mm，且在压力为0.3MPa条件下进行预成型固化处理；
其中，所述预浸料单层铺设厚度为0.1mm；以及
进行预成型固化处理后厚度为1～2mm。
5.如权利要求1所述的基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，其特征在于，在所述步骤三中，进行加工处理为将所述复合材料初产品的所有面均匀去量处理，去量厚度为0.4mm；以及
进行表面处理为通过360目砂纸将所述复合材料初产品进行打磨，并且用丙酮将打磨后的所述复合材料初产品表面擦拭后，表面填涂氰酸酯树脂胶液浸润。
6.如权利要求1所述的基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述预浸料为T700SC和氰酸酯，且单层铺设厚度为0.1mm。
7.如权利要求1所述的基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，其特征在于，在所述步骤五中，进行Z-pin植入时选用0.4mm碳纤维杆。
8.如权利要求1所述的基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，其特征在于，在所述步骤六中，所述合模过程包括：将所述待成型复合材料放入固化炉中升温，100℃持续1个小时后进行热合模加压；以及
所述固化过程包括：在145℃条件下固化3小时后，在195℃条件下固化4小时，固化后降温。
9.如权利要求1-8中任一项所述的基于内网格筋结构的复合材料二次固化成型方法，其特征在于，所述水溶性芯模尺寸为53.2mm×53.2mm×53.2mm。
10.一种二次固化成型方法在制备基于内网格筋结构的复合材料中的应用，其特征在于，使用如权利要求1-9中任一项所述的二次固化成型方法。
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