CN110591356B - 一种透波复合材料半罩及其制备方法 - Google Patents

一种透波复合材料半罩及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种透波复合材料半罩，包括：壳体蒙皮为空心圆台结构；环筋周向设置在所述壳体蒙皮内壁上，且沿所述壳体蒙皮轴向阵列；纵筋沿壳体蒙皮轴向设置在所述壳体蒙皮内壁上，且沿壳体蒙皮周向阵列；前端法兰加强区为圆环形，且同轴设置在所述壳体蒙皮半径较小一侧；后端法兰加强区为圆环形，且同轴设置在所述壳体蒙皮半径较大一侧；其中，所述壳体蒙皮、环筋、纵筋、前端法兰加强区和后端法兰加强区均由纤维和树脂复合材料多层铺设而成，且在所述纤维和树脂复合材料中，所述纤维的体积分数为57％～63％。在半罩内壁周向和轴向分别设置有多组环筋和纵筋，使其具备优异的力学性能。本发明还公开一种透波复合材料半罩的制备方法。

Description

一种透波复合材料半罩及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，更具体的是，本发明涉及一种透波复合材料半罩及其制备方法。
背景技术
为实现新一代武器装备轻量化，结构承载性能高，电子对抗能力强等优异的综合性能，航空航天等高技术领域对透波材料的性能提出了越来越高的要求。透波材料不仅要满足雷达天线功率越来越大的透波性能要求，还需具备减阻整流以及承受高强载荷的特性。
同时，现有透波材料结构件多为金属骨架和材料外壳经过装配构成的，具有重量大、金属和材料外壳冷热膨胀系数不一致出现应力集中的缺点。
发明内容
本发明的一个目的设计开发了一种透波复合材料半罩，在半罩内壁周向和轴向分别设置有多组环筋和纵筋，使其具备优异的力学性能，并且克服了传统透波材料结构件重量大、冷热膨胀系数不一致的技术缺陷。
本发明的另一个目的是设计开发一种透波复合材料半罩制备方法，通过在金属阳模分瓣模具上铺放多组玻璃纤维和树脂复合材料的预浸料，并控制纤维和树脂预浸料的铺设顺序和铺设角度，形成预浸料环筋和纵筋结构，使其具备优异的力学性能，并且克服了传统透波材料结构件重量大、冷热膨胀系数不一致的技术缺陷。
本发明提供的技术方案为：
一种透波复合材料半罩，包括：
壳体蒙皮，其为空心圆台结构；
环筋，其周向设置在所述壳体蒙皮内壁上，且沿所述壳体蒙皮轴向阵列；
纵筋，其沿所述壳体蒙皮轴向设置在所述壳体蒙皮内壁上，且沿所述壳体蒙皮周向阵列；
前端法兰加强区，其为圆环形，且同轴设置在所述壳体蒙皮半径较小一侧；
后端法兰加强区，其为圆环形，且同轴设置在所述壳体蒙皮半径较大一侧；
其中，所述壳体蒙皮、环筋、纵筋、前端法兰加强区和后端法兰加强区均由纤维和树脂复合材料多层铺设而成，且在所述纤维和树脂复合材料中，所述纤维的体积分数为57％～63％。
优选的是，所述纤维为玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维中的一种，所述树脂为氰酸酯、环氧树脂或氨酚醛树脂中的一种。
优选的是，所述纤维的介电常数为3～7；所述树脂的介电常数2.6～3.2。
优选的是，所述透波复合材料半罩的介电常数3.3～3.6。
优选的是，所述纤维和树脂复合材料在单层0°方向的热胀系数为α1，-1×10-6/K＜α1＜1×10-6/K；在单层90°方向的热胀系数为α2，15×10-6/K＜α2＜35×10-6/K。
优选的是，所述壳体蒙皮、环筋、纵筋、前端法兰加强区和后端法兰加强区均由多组纤维和树脂复合材料铺设而成；
其中，以第一层纤维和树脂复合材料轴向一侧为0°方向，每组所述纤维和树脂复合材料由4层纤维和树脂预浸料铺设而成，且铺设角度依次为0°，90°，+θ°，-θ°，30≤θ≤60°，铺设厚度为0.2mm。
一种透波复合材料半罩的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在金属阳模分瓣模具上铺放3～5组纤维和树脂复合材料的预浸料，将分瓣模具组装成一体，旋紧分瓣模具连接螺栓对预浸料预压实，形成预浸料环筋和纵筋结构；
其中，在所述纤维和树脂复合材料中，所述纤维的体积分数为57％～63％，每组所述纤维和树脂复合材料由4层纤维和树脂复合材料铺设而成，且铺设角度依次为0°，90°，+θ，-θ，30°≤θ≤60°，铺设厚度为0.2mm；
步骤2：在纵筋两端的分瓣模具上铺放多组所述纤维和树脂复合材料的预浸料，形成预浸料前端法兰加强区和后端法兰加强区结构；并在环筋和纵筋围成的结构的周向铺放多组所述纤维和树脂复合材料的预浸料，形成预浸料壳体蒙皮结构；
步骤3：压实铺层后，固化成型得到具有纵环筋结构加强的复合材料半罩；
其中，固化温度为120℃～200℃，固化时间为2h～5h。
优选的是，所述纤维为玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维中的一种，所述树脂为氰酸酯、环氧树脂或氨酚醛树脂中的一种。
优选的是，所述纤维和树脂复合材料在单层0°方向的热胀系数为α1，-1×10-6/K＜α1＜1×10-6/K；在单层90°方向的热胀系数为α2，15×10-6/K＜α2＜35×10-6/K。
优选的是，所述纤维的介电常数为3～7；所述树脂的介电常数2.6～3.2，所述透波复合材料半罩的介电常数3.3～3.6。
本发明所述的有益效果：
(1)本发明设计开发的透波复合材料半罩，在半罩内壁周向和轴向分别设置有多组环筋和纵筋，使其具备优异的力学性能，并且克服了传统透波材料结构件重量大、冷热膨胀系数不一致的技术缺陷。
(2)本发明设计开发的透波复合材料半罩制备方法，通过在金属阳模分瓣模具上铺放多组玻璃纤维和树脂复合材料的预浸料，并控制玻璃纤维和树脂复合材料的铺设顺序和铺设角度，形成预浸料环筋和纵筋结构，使其具备优异的力学性能，并且克服了传统透波材料结构件重量大、冷热膨胀系数不一致的技术缺陷。
附图说明
图1为本发明所述透波复合材料半罩的结构示意图。
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，本发明提供一种透波复合材料半罩，包括壳体蒙皮110，其为空心圆台结构；在壳体蒙皮110内壁上周向设置有环筋120，并沿壳体蒙皮110轴向阵列；在壳体蒙皮110内壁上沿沿壳体蒙皮110轴向设置有纵筋130，并沿壳体蒙皮110周向阵列；在壳体蒙皮110半径较小一侧同轴设置有前端法兰加强区140，其为圆环形；在壳体蒙皮110半径较大一侧同轴设置有后端法兰加强区150，其同样为圆环形。
所述的壳体蒙皮110、环筋120、纵筋130、前端法兰加强区140和后端法兰加强区150均由纤维和树脂复合材料多层铺设而成，且在所述的纤维和树脂复合材料中，所述的玻璃纤维的体积分数为57％～63％。
所述的壳体蒙皮110、环筋120、纵筋130、前端法兰加强区140和后端法兰加强区150均由多组纤维和树脂复合材料铺设而成；以第一层纤维和树脂复合材料轴向一侧为0°方向，每组纤维和树脂复合材料由4层纤维和树脂复合材料铺设而成，且铺设角度依次为0°，90°，+θ°，-θ°，30°≤θ≤60°，铺设厚度为0.2mm。
本实施例中，所述的纤维为玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维中的一种，所述的树脂为氰酸酯、环氧树脂或氨酚醛树脂中的一种。所述纤维的介电常数为ε，3＜ε＜7；所述树脂的介电常数ε，2.6＜ε＜3.2；所述透波复合材料半罩的介电常数ε，3.3＜ε＜3.6。所述的纤维和树脂复合材料在单层0°方向的热胀系数为α1，-1×10-6/K＜α1＜1×10-6/K；在单层90°方向的热胀系数为α2，15×10-6/K＜α2＜35×10-6/K。
本发明设计开发的透波复合材料半罩，在半罩内壁周向和轴向分别设置有多组环筋和纵筋，使其具备优异的力学性能，并且克服了传统透波材料结构件重量大、冷热膨胀系数不一致的技术缺陷。
本发明还提供一种透波复合材料半罩的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在金属阳模分瓣模具上铺放3～5组纤维和树脂复合材料的预浸料，将分瓣模具组装成一体，对预浸料预压实，形成预浸料环筋和纵筋结构；
其中，在所述纤维和树脂复合材料中，所述纤维的体积分数为57％～63％，每组纤维和树脂复合材料由4层纤维和树脂复合材料铺设而成，且铺设角度依次为0°，90°，+θ°，-θ°，30°≤θ≤60°，铺设厚度为0.2mm，纵环筋的铺放循环一般为3-5组，一般情况下循环次数根据产品力学载荷强度制定；
所述的纤维为玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维中的一种，所述树脂为氰酸酯、环氧树脂或氨酚醛树脂中的一种。所述纤维的介电常数为ε，3＜ε＜7；所述树脂的介电常数ε，2.6＜ε＜3.2；所述透波复合材料半罩的介电常数ε，3.3＜ε＜3.6。所述的纤维和树脂复合材料在单层0°方向的热胀系数为α1，-1×10-6/K＜α1＜1×10-6/K；在单层90°方向的热胀系数为α2，15×10-6/K＜α2＜35×10-6/K。
步骤2：在纵筋两端的分瓣模具上铺放多组所述纤维和树脂复合材料的预浸料，形成预浸料前端法兰加强区和后端法兰加强区结构；并在环筋和纵筋围成的结构的周向铺放多组所述纤维和树脂复合材料的预浸料，形成预浸料壳体蒙皮结构；
步骤3：真空袋法、热压罐工艺或者金属对模工艺压实铺层后，固化成型得到具有纵环筋结构加强的复合材料半罩；
其中，固化温度为120℃～200℃，固化时间为2h～5h。
实施例1
本实施例提供一种透波复合材料半罩的制备方法，包括：
S1、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°重复铺设5次[0/90/+45/-45]5的铺层顺序，在金属阳模分瓣模具上铺放玻璃纤维/氰酸脂预浸料，预浸料每层厚度为0.2mm，接着，将分瓣模具组装成一体，旋紧分瓣模具间的连接螺栓对预浸料预压实，形成预浸料纵环筋结构在所述玻璃纤维和氰酸脂复合材料中，所述玻璃纤维的体积分数为57％。
S2、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°，重复铺设6次[0°/90°/+45°/-45°]6的铺层顺序，铺放前后端框加强区及法兰。
S3、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°，重复铺设8次[0°/90°/+45°/-45°]8的铺层顺序，铺放壳体蒙皮。
S4、通过热压罐压实铺层；
S5、整体入炉固化，固化温度为120℃，固化时间为2h。，并成型得到一种具有纵环筋结构加强的复合材料半罩。
实施例2
本实施例提供一种透波复合材料半罩的制备方法，包括：
S1、按照铺设角度依次为0°，90°，+30°，-30°重复铺设4次[0/90/+30/-30/]4的铺层顺序，在金属阳模分瓣模具上铺放石英纤维/氰酸脂预浸料，预浸料每层厚度为0.2mm，接着，将分瓣模具组装成一体，旋紧分瓣模具间的连接螺栓对预浸料预压实，形成预浸料纵环筋结构。在所述石英纤维和氰酸脂复合材料中，所述石英纤维的体积分数为60％。
S2、按照铺设角度依次为0°，90°，+30°，-30°，重复铺设6次[0°/90°/+30°/-30°]6的铺层顺序，铺放前后端框加强区及法兰。
S3、按照铺设角度依次为0°，90°，+30°，-30°，重复铺设8次[0°/90°/+30°/-30°]8的铺层顺序，铺放壳体蒙皮。
S4、通过热压罐压实铺层；
S5、整体入炉固化，固化温度为120℃，固化时间为5h，并成型得到一种具有纵环筋结构加强的复合材料半罩。
实施例3
本实施例提供一种透波复合材料半罩的制备方法，包括：
S1、按照铺设角度依次为0°，90°，+60°，-60°重复铺设3次[0/90/+60/-60/]3的铺层顺序，在金属阳模分瓣模具上铺放高硅氧纤维/氰酸脂预浸料，预浸料每层厚度为0.2mm，接着，将分瓣模具组装成一体，旋紧分瓣模具间的连接螺栓对预浸料预压实，分瓣模具间隙形成预浸料纵环筋结构。在所述高硅氧纤维和氰酸脂复合材料中，所述石英纤维的体积分数为63％。
S2、按照铺设角度依次为0°，90°，+60°，-60°，重复铺设6次[0°/90°/+60°/-60°]6的铺层顺序，铺放前后端框加强区及法兰。
S3、按照铺设角度依次为0°，90°，+60°，-60°，重复铺设8次[0°/90°/+60°/-60°]8的铺层顺序，铺放壳体蒙皮。
S4、通过热压罐压实铺层；
S5、整体入炉固化，固化温度为150℃，固化时间为3h，并成型得到一种具有纵环筋结构加强的复合材料半罩。
实施例4
本实施例提供一种透波复合材料半罩的制备方法，包括：
S1、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°重复铺设4次[0/90/+45/-45/]4的铺层顺序，在金属阳模分瓣模具上铺放高硅氧纤维/环氧树脂预浸料，预浸料每层厚度为0.2mm，接着，将分瓣模具组装成一体，旋紧分瓣模具间的连接螺栓对预浸料预压实，分瓣模具间隙形成预浸料纵环筋结构。在所述高硅氧纤维和环氧树脂复合材料中，所述石英纤维的体积分数为57％。
S2、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°，重复铺设6次[0°/90°/+45°/-45°]6的铺层顺序，铺放前后端框加强区及法兰。
S3、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°，重复铺设8次[0°/90°/+45°/-45°]8的铺层顺序，铺放壳体蒙皮。
S4、通过热压罐压实铺层；
S5、整体入炉固化，固化温度为200℃，固化时间为2h，并成型得到一种具有纵环筋结构加强的复合材料半罩。
实施例5
本实施例提供一种透波复合材料半罩的制备方法，包括：
S1、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°重复铺设3次[0/90/+45/-45/]3的铺层顺序，在金属阳模分瓣模具上铺放石英纤维/环氧树脂预浸料，预浸料每层厚度为0.2mm，接着，将分瓣模具组装成一体，旋紧分瓣模具间的连接螺栓对预浸料预压实，分瓣模具间隙形成预浸料纵环筋结构。在所述石英纤维和环氧树脂复合材料中，所述石英纤维的体积分数为60％。
S2、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°，重复铺设6次[0°/90°/+45°/-45°]6的铺层顺序，铺放前后端框加强区及法兰。
S3、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°，重复铺设8次[0°/90°/+45°/-45°]8的铺层顺序，铺放壳体蒙皮。
S4、通过真空袋法压实铺层；
S5、整体入炉固化，固化温度为200℃，固化时间为5h，并成型得到一种具有纵环筋结构加强的复合材料半罩。
实施例6
本实施例提供一种透波复合材料半罩的制备方法，包括：
S1、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°重复铺设4次[0/90/+45/-45/]4的铺层顺序，在金属阳模分瓣模具上铺放石英纤维/氨酚醛预浸料，预浸料每层厚度为0.2mm，接着，将分瓣模具组装成一体，旋紧分瓣模具间的连接螺栓对预浸料预压实，分瓣模具间隙形成预浸料纵环筋结构。在所述石英纤维和氨酚醛树脂复合材料中，所述石英纤维的体积分数为63％。
S2、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°，重复铺设6次[0°/90°/+45°/-45°]6的铺层顺序，铺放前后端框加强区及法兰。
S3、按照铺设角度依次为0°，90°，+45°，-45°，重复铺设8次[0°/90°/+45°/-45°]8的铺层顺序，铺放壳体蒙皮。
S4、通过金属对模压实铺层；
S5、整体入炉固化，固化温度为180℃，固化时间为4h，并成型得到一种具有纵环筋结构加强的复合材料半罩。
对比例1
本实施例提供一种透波复合材料半罩的制备方法，包括：
S1、按照[0°/90°/+45°/-45°/]6的铺层顺序，在金属阳模分瓣模具上铺放石英纤维纤维/氨酚醛预浸料，预浸料每层厚度为0.2mm，铺放前后端框加强区及法兰。在所述石英纤维和氨酚醛树脂复合材料中，所述石英纤维的体积分数为63％。
S2、按照[0°/90°/+45°/-45°/]8的铺层顺序，铺放壳体蒙皮。
S3、通过金属对模压实铺层；
S4、整体入炉固化，固化温度为120℃，固化时间为2h，并成型得到一种具有纵环筋结构加强的复合材料半罩。
对实施例1-6和对比例1进行性能测试，测试数据如表1所示。
表1测试数据
Figure BDA0002198845120000081
Figure BDA0002198845120000091
经测试，可以发现实施例1-6获得的透波复合材料半罩，通过控制玻璃纤维和树脂复合材料的铺设顺序和铺设角度，在壳体蒙皮内壁上形成预浸料环筋和纵筋结构，使其具备优异的力学性能，良好的介电常数以及线烧蚀率，并且克服了传统透波材料结构件重量大、冷热膨胀系数不一致的技术缺陷。而对比例1只制备了壳体蒙皮和墙厚段法兰加强区，没有制备环筋和纵筋，虽然其介电常数也符合要求，但是其力学性能较差，不满足使用的要求。同时使用氨酚醛树脂的实施例6以及对比例1，其线烧蚀性能优异。说明氨酚醛树脂在耐烧蚀材料方面的出色性能。
本发明设计开发的透波复合材料半罩制备方法，通过在金属阳模分瓣模具上铺放多组纤维和树脂复合材料的预浸料，并控制纤维和树脂预浸料的铺设顺序和铺设角度，形成预浸料环筋和纵筋结构，使其具备优异的力学性能，并且克服了传统透波材料结构件重量大、冷热膨胀系数不一致的技术缺陷。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但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 (5)

1.一种透波复合材料半罩的制备方法，使用透波复合材料半罩，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在金属阳模分瓣模具上铺放3～5组纤维和树脂复合材料的预浸料，将分瓣模具组装成一体，旋紧分瓣模具连接螺栓对预浸料预压实，形成预浸料环筋和纵筋结构；
其中，在所述纤维和树脂复合材料中，所述纤维的体积分数为57％～63％，每组所述纤维和树脂复合材料由4层纤维和树脂预浸料铺设而成，且铺设角度依次为0°，90°，+θ°，-θ°，30°≤θ≤60°，铺设厚度为0.2mm；
步骤2：在纵筋两端的分瓣模具上铺放多组所述纤维和树脂复合材料的预浸料，形成预浸料前端法兰加强区和后端法兰加强区结构；并在环筋和纵筋围成的结构的周向铺放多组所述纤维和树脂复合材料的预浸料，形成预浸料壳体蒙皮结构；
步骤3：压实铺层后，固化成型得到具有纵环筋结构加强的复合材料半罩；
其中，固化温度为120℃～200℃，固化时间为2h～5h；
所述透波复合材料半罩，包括：
壳体蒙皮，其为空心圆台结构；
环筋，其周向设置在所述壳体蒙皮内壁上，且沿所述壳体蒙皮轴向阵列；
纵筋，其沿所述壳体蒙皮轴向设置在所述壳体蒙皮内壁上，且沿所述壳体蒙皮周向阵列；
前端法兰加强区，其为圆环形，且同轴设置在所述壳体蒙皮半径较小一侧；
后端法兰加强区，其为圆环形，且同轴设置在所述壳体蒙皮半径较大一侧；
其中，所述壳体蒙皮、环筋、纵筋、前端法兰加强区和后端法兰加强区均由纤维和树脂复合材料多层铺设而成，且在所述纤维和树脂复合材料中，所述纤维的体积分数为57％～63％；
所述壳体蒙皮、环筋、纵筋、前端法兰加强区和后端法兰加强区均由多组纤维和树脂预浸料铺设而成；
所述纤维为玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维中的一种，所述树脂为氰酸酯树脂、环氧树脂或氨酚醛树脂中的一种；
其中，以第一层纤维和树脂复合材料轴向一侧为0°方向，每组所述纤维和树脂复合材料由4层纤维和树脂预浸料铺设而成，且铺设角度依次为0°，90°，+θ°，-θ°，30°≤θ≤60°，铺设厚度为0.2mm。
2.如权利要求1所述的透波复合材料半罩的制备方法，其特征在于，所述纤维的介电常数为3～7；所述树脂的介电常数2.6～3.2。
3.如权利要求1所述的透波复合材料半罩的制备方法，其特征在于，所述透波复合材料半罩的介电常数3.3～3.6。
4.如权利要求2所述的透波复合材料半罩的制备方法，其特征在于，所述纤维和树脂复合材料在单层0°方向的热胀系数为α1，-1×10-6/K＜α1＜1×10-6/K；在单层90°方向的热胀系数为α2，15×10-6/K＜α2＜35×10-6/K。
5.如权利要求4所述的透波复合材料半罩的制备方法，其特征在于，所述纤维的介电常数为3～7；所述树脂的介电常数2.6～3.2，所述透波复合材料半罩的介电常数3.3～3.6。
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