CN110978557A - 一种长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁及其整体成型的方法 - Google Patents

一种长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁及其整体成型的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁及其整体成型的方法。该方法包括：(1)下翼面铺层的步骤：将单向预浸料按照45°、‑45°、0°、90°依次铺层，90°方向的单向预浸料尺寸比下翼面前缘和后缘均宽；(2)放置减重芯层的步骤；(3)长连续纤维缠绕铺层的步骤；(4)上翼面铺层的步骤：将单向预浸料按照90°、0、°‑45°、45°依次铺层，90°方向的单向预浸料尺寸比上翼面前缘和后缘均宽；(5)装模的步骤；和(6)加压固化的步骤。本发明通过0°碳纤维变厚度缠绕铺层和Z向增强铺层方式，解决了复合材料承载梁翼根及腹板蒙皮层间强度较低的问题，实现该结构复合材料机翼的整体成型。

Description

一种长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁及其整体成型 的方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁及其整体成型的方法。
背景技术
机身结构的复合材料化，可以大幅减重，增加飞机的装油量，有效提高航程和燃油经济性等性能，目前已成为航空航天先进结构材料的发展方向。
国外往往把复合材料的应用比例作为衡量飞机发展水平的一个重要标准，在国内航空航天领域，在飞机整体结构中复合材料机翼有逐渐取代金属机翼的趋势。
如何制备复合材料机翼构件成为研究的热点方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种轻质高强复合材料承载梁以及该承载梁的整体成型方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁整体成型的方法，包括如下步骤：
(1)下翼面铺层的步骤：将单向预浸料按照45°、-45°、0°、 90°依次铺层，90°方向的单向预浸料尺寸比下翼面前缘和后缘均宽；
(2)放置减重芯层的步骤：将减重芯层放置在已经完成铺层的下翼面上，距离前缘50-80mm，距离后缘50-80mm；
(3)长连续纤维缠绕铺层的步骤：第一条纤维条从前缘开始缠绕，绕过减重芯层铺到后缘，保证纤维连续；第二条纤维条相接于第一条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；第三条纤维条相接于第二条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；······，如此重复缠绕，直到完全缠绕；然后以最后一条纤维条间距作为宽度，以0°纤维作为补料，在减重芯层外沿形状裁断，铺覆；
(4)上翼面铺层的步骤：将单向预浸料按照90°、0、°-45°、 45°依次铺层，90°方向的单向预浸料尺寸比上翼面前缘和后缘均宽；
(5)装模的步骤：将铺覆好的材料装入模具中；和
(6)加压固化的步骤。
优选地，在步骤(3)中，所述纤维条为碳纤维条；
优选地，所述纤维条的宽度为10-15mm，厚度为0.125-0.25mm。
优选地，所述单向预浸料的纤维为碳纤维，优选为单向T300、T700、 T800、T1000中的任一种或多种；
所述单向预浸料的树脂为环氧树脂，优选为中温固化树脂或高温固化树脂；和/或
所述减重芯层为泡沫材料，优选为硬质聚氨酯泡沫、酚醛树脂泡沫、PMI泡沫中的任一种或多种。
优选地，所述上翼面铺覆的厚度为3-5mm；
所述下翼面铺覆的厚度为3-5mm；和
所述减重芯层的厚度为15-20mm。
优选地，在步骤(1)中，90°方向的单向预浸料尺寸比下翼面前缘和后缘均宽20mm以上；和/或
在步骤(4)中，90°方向的单向预浸料尺寸比上翼面前缘和后缘均宽20mm以上。
优选地，按照如下的铺层表进行下翼面的铺层：
45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45° /-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°；和/或
按照如下的铺层表进行上翼面的铺层：
90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°。
优选地，在步骤(2)中，减重芯层的表面粘贴有胶膜；
优选地，所述胶膜为J245、J272、J261、J78、J47中的任一种或多种；
优选地，胶膜的厚度不超过0.2mm。
优选地，所述减重芯层在使用前按照如下方法进行预处理：
对减重芯层表面进行打磨；
用易挥发有机溶剂进行清洁；和
晾干；
优选地，所述有机溶剂为丙酮。
优选地，在步骤(5)中，将预制体下翼面朝下装入模具中。
一种长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁，采用本发明方法整体成型而得。
有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明通过0°碳纤维变厚度缠绕铺层和Z向增强铺层方式，解决了复合材料承载梁翼根及腹板蒙皮层间强度较低的问题，实现该结构复合材料机翼的整体成型。
本发明设计出了可行的长连续纤维减重结构复合材料翼面的铺层方法，同时还设计出了可行的长连续纤维缠绕铺层的方法。
本发明使用固化温度相近的胶黏剂和环氧树脂，并采用模压工艺，实现了减重芯层和碳纤维蒙皮的共固化整体成型。
附图说明
图1是本发明提供的长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁结构示意图；1-减重芯层；2-长连续纤维；
图2是纤维预浸料向上翼面翻折示意图；3-90°方向的预浸料宽出的部分；
图3是纤维预浸料向下翼面翻折示意图；4-90°方向的预浸料宽出的部分。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明在第一方面提供了一种长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁整体成型的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)下翼面铺层的步骤：将单向预浸料按照45°、-45°、0°、 90°依次铺层，90°方向的单向预浸料尺寸比下翼面前缘和后缘均宽；
优选地，按照如下的铺层表进行下翼面的铺层：
45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45° /-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°；
(2)放置减重芯层的步骤：将减重芯层放置在已经完成铺层的下翼面上；本发明设计的承载梁中的减重芯层的前后两端并不与翼面结构的前后缘平齐，减重芯层的前端距离前缘50-80mm(例如，可以为 50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm)，减重芯层的后端距离后缘50-80mm(例如，可以为50mm、55mm、60mm、65mm、 70mm、75mm、80mm)；优选地，减重芯层的前端距离前缘50mm，减重芯层的后端距离后缘也是50mm；
(3)长连续纤维缠绕铺层的步骤：第一条纤维条从前缘开始缠绕，绕过减重芯层铺到后缘，保证纤维连续；第二条纤维条相接于第一条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；第三条纤维条相接于第二条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；······，如此重复缠绕，直到完全缠绕；然后以最后一条纤维条间距作为宽度，以0°纤维作为补料，在减重芯层外沿形状裁断，铺覆；
例如，当需要5条纤维条进行缠绕时：第一条纤维条从前缘开始缠绕，绕过减重芯层铺到后缘，保证纤维连续；第二条纤维条相接于第一条纤维条铺覆，相当于紧挨着第一条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；第三条纤维条则紧挨着第二条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；第四条纤维条则紧挨着第三条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；第五条纤维条则紧挨着第四条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到结束；然后，以第五条纤维条间距作为宽度，以0°纤维作为补料，在减重芯层外沿形状裁断，铺覆；
(4)上翼面铺层的步骤：将单向预浸料按照90°、0、°-45°、 45°交替铺层，90°方向的单向预浸料尺寸比上翼面前缘和后缘均宽；
优选地，优选地，按照如下的铺层表进行上翼面的铺层：
90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90° /0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°；
(5)装模的步骤：将铺覆好的材料装入模具中；和
(6)加压固化的步骤。
在一些优选的实施方式中，在步骤(3)中，所述纤维条为碳纤维条。更优选地，所述纤维条的宽度为10-15mm，例如，可以为10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm，并且纤维条的厚度被限定为 0.125-0.25mm，例如，可以为0.125mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm。最优选地，本发明在缠绕时所用的纤维条的厚度为10mm，厚度为 0.125mm。在一些优选的实施方式中，所述单向预浸料的纤维为碳纤维，优选为单向T300、T700、T800、T1000中的任一种或多种。
在一些优选的实施方式中，所述单向预浸料的树脂为环氧树脂，优选为中温固化环氧树脂或高温固化环氧树脂。中温固化环氧树脂指的是固化温度在50℃至130℃的环氧树脂。高温固化环氧树脂是指固化温度超过130℃的环氧树脂，如固化温度在135℃至180℃的环氧树脂。在一些优选的实施方式中，所述减重芯层为泡沫材料，优选为硬质聚氨酯泡沫、酚醛树脂泡沫、PMI泡沫中的任一种或多种。
在一些优选的实施方式中，所述上翼面铺覆的厚度为3-5mm，例如，可以为3mm、4mm、5mm；所述下翼面铺覆的厚度为3-5mm，例如，可以为3mm、4mm、5mm；所述减重芯层的厚度为15-20mm，例如，可以为15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm。最优选地，所述上翼面和下翼面铺覆的厚度相同，均为3mm，所述减重芯层的厚度为15mm。
发明人在研究中发现，减重芯层的厚度较低时，不能实现有效减重，但减重芯层的厚度也不易过厚。虽然减重芯层的密度相对较小使得成型件的密度随着其厚度的增大而降低，但当减重芯层的厚度过大时，一是存在其与上下纤维翼面材料层的结合较差的问题，二是最终成型件的使用性能不理想，因此综合考虑上下翼面铺层厚度以及成型件的使用要求，本发明采用15-20mm厚的减重芯层作为减重结构，此时上翼面铺层的厚度为3-5mm，下翼面铺层的厚度为3-5mm；最优选采用15mm厚的减重芯层作为减重结构，此时上翼面和下翼面铺层的厚度均为3mm。
在一些优选的实施方式中，在步骤(1)中，90°方向的单向预浸料尺寸比下翼面前缘和后缘均宽20mm以上。
在一些优选的实施方式中，在步骤(4)中，90°方向的单向预浸料尺寸比上翼面前缘和后缘均宽20mm以上。
在一些优选的实施方式中，在步骤(2)中，减重芯层的表面粘贴有胶膜。优选地所述胶膜为J245、J272、J261、J78、J47中的任一种或多种。更优选地，胶膜的厚度不超过0.2mm，优选为0.1-0.15mm。
在一些优选的实施方式中，所述减重芯层在使用前按照如下方法进行预处理：
对减重芯层表面进行打磨；
用易挥发有机溶剂进行清洁；和
晾干；
优选地，所述有机溶剂为丙酮。
在一些优选的实施方式中，在步骤(5)中，将预制体下翼面朝下装入模具中。
最全面地，本发明提供的方法包括如下步骤：
(1)下翼面铺层的步骤：
将单向预浸料按照45°、-45°、0°、90°依次铺层，铺层表为 45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45° /-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°，其中，90°方向的单向预浸料尺寸比下翼面前缘和后缘均宽，余量均在20mm以上；
所述单向预浸料的纤维为碳纤维，可以为单向T300、T700、T800、 T1000中的任一种或多种；所述单向预浸料的树脂为中温固化环氧树脂或高温固化环氧树脂；这里的中温固化环氧树脂指的是固化温度在50℃至130℃的环氧树脂，高温固化环氧树脂是指固化温度超过130℃的环氧树脂，如固化温度在135℃至180℃的环氧树脂；
下翼面铺覆的厚度控制在3-5mm；
(2)放置减重芯层的步骤：
将减重芯层放置在已经完成铺层的下翼面上，其前端距离前缘 50-80mm，其后端距离后缘50-80mm，最优选为其前端距离前缘50mm，其后端距离后缘也是50mm；
减重芯层的厚度控制在15-20mm；减重芯层为硬质聚氨酯泡沫、酚醛树脂泡沫、PMI泡沫中的任一种或多种；减重芯层的表面粘贴有胶膜；所述胶膜为J245、J272、J261、J78、J47中的任一种或多种；胶膜的厚度不超过0.2mm，优选为0.1-0.15mm；
减重芯层在使用前按照如下方法进行预处理：
对减重芯层表面进行打磨使其表面粗糙化；
用易挥发有机溶剂进行清洁，所述有机溶剂为丙酮；和
晾干；
(3)长连续纤维缠绕铺层的步骤：
第一条纤维条从前缘开始缠绕，绕过减重芯层铺到后缘，保证纤维连续；第二条纤维条相接于第一条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；第三条纤维条相接于第二条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；······，如此重复缠绕，直到完全缠绕；然后以最后一条纤维条间距作为宽度，以0°纤维作为补料，在减重芯层外沿形状裁断，铺覆；
其中，所述纤维条为碳纤维条；所述纤维条的宽度为10-15mm，厚度为0.125-0.25mm；
(4)上翼面铺层的步骤：
将单向预浸料按照90°、0、°-45°、45°依次铺层，铺层表为 90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0° /-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°，其中，90°方向的单向预浸料尺寸比上翼面前缘和后缘均宽，余量均在20mm以上；
上翼面铺覆的厚度控制在3-5mm；
(5)装模的步骤：
将铺覆好的材料装入模具中，装模时下翼面朝下装入模具中；
(6)加压固化的步骤。
本发明提供的成型方法具有如下优点：
①本发明通过0°碳纤维变厚度缠绕铺层和Z向增强铺层方式，解决了复合材料承载梁翼根及腹板蒙皮层间强度较低的问题，实现该结构复合材料机翼的整体成型。
②本发明设计了长连续纤维减重结构复合材料翼面的铺层方法，同时还设计了长连续纤维缠绕铺层的方法。
③本发明使用固化温度相近的胶黏剂和环氧树脂，并采用模压工艺，实现了减重芯层和碳纤维蒙皮的共固化整体成型。
本发明在第二方面提供了一种长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁，采用本发明在第一方提供的方法整体成型而得。
以下是本发明列举的实施例。
实施例1
一种长连续纤维缠绕减重结构承载梁整体成型方法，可参考图1 至图3：
第一步，下翼面铺层。
将按照样板裁剪好的T800/9368单向环氧树脂预浸料按照45°、-45°、0°、90°依次铺层，共铺覆6个层组，铺层表为45°/-45°/0° /90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90° /45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°，每铺1个层组，需用电熨斗熨平一次。最终，铺覆得到的下翼面的厚度为3mm。
将90°方向的预浸料裁切尺寸比下翼面前缘宽出25mm，后缘宽出20mm，将宽出的一组料向上翼面方向包覆，参考图2。
第二步，放置减重芯层。
将PMI泡沫芯层表面用砂纸机打磨粗糙，打掉边角处的飞边，用棉布蘸取丙酮擦洗干净，晾干，在泡沫芯层表面粘贴J-47胶模，胶膜的厚度未超过0.2mm。然后，将厚度为15mm的减重芯层放置在已经完成铺层的下翼面上，前端距离前缘50mm，后端距离后缘是50mm；
第三步，长连续纤维缠绕铺层。
第一条纤维条从翼尖前缘开始缠绕，绕过减重芯层铺到后缘位置，保证纤维连续；
第二条纤维条紧挨着第一条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；
第三条纤维条紧挨着第二条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；
第四条纤维条紧挨着第三条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；
第五条纤维条紧挨着第四条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；
以第五条纤维条间距作为宽度，撕一条足够长的0度纤维作为补料，在减重结构外沿形状裁断，铺覆。
所用的纤维条为碳纤维条，其宽度为10mm，厚度为0.125mm。
第四步，上翼面铺层。
将按照样板裁剪好的单向预浸料按照90°、0、°-45°、45°交替铺层，共铺覆6个层组，铺层表为90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45° /45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45° /90°/0°/-45°/45°，每铺1个层组，需用电熨斗熨平一次。最终，铺覆得到的上翼面的厚度为3mm。
将90°方向的布裁切尺寸比下翼面前缘宽出25mm，后缘宽出 20mm，将宽出的一组料向下翼面方向包覆，参考图3。
第五步，预制体装模。
将铺覆好的预制体下翼面朝下装入下模中，把上模与下模合模，用铜棒向下敲击上模的四个角，确定上模和下模之间没有干涉，拧紧螺钉，注意拧紧螺钉时要求各螺钉依次同步进行。
第六步：加压固化。
检测压机及测温探头工作应正常。用吊车把模具吊到压机台面上，压机上面板与上模具接触。压机温度设定90℃，对模具进行加热。待模具升温到90℃，加压(3～5)MPa，使上下模具合严模。再将压机温度设定130℃，待模具升温到130℃，保温120min。
加热结束后，让模具自然冷却至50℃以下方可进行脱模。
所得成型件外观质量合格，性能符合要求，可投入使用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁整体成型的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)下翼面铺层的步骤：将单向预浸料按照45°、-45°、0°、90°依次铺层，90°方向的单向预浸料尺寸比下翼面前缘和后缘均宽；
(2)放置减重芯层的步骤：将减重芯层放置在已完成铺层的下翼面上，距离前缘50-80mm，距离后缘50-80mm；
(3)长连续纤维缠绕铺层的步骤：第一条纤维条从前缘开始缠绕，绕过减重芯层铺到后缘，保证纤维连续；第二条纤维条相接于第一条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；第三条纤维条相接于第二条纤维条铺覆，从前缘开始缠绕，直到后缘结束；······，如此重复缠绕，直到完全缠绕；然后以最后一条纤维条间距作为宽度，以0°纤维作为补料，在减重芯层外沿形状裁断，铺覆；
(4)上翼面铺层的步骤：将单向预浸料按照90°、0、°-45°、45°依次铺层，90°方向的单向预浸料尺寸比上翼面前缘和后缘均宽；
(5)装模的步骤：将铺覆好的材料装入模具中；和
(6)加压固化的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在步骤(3)中，所述纤维条为碳纤维条；
优选地，所述纤维条的宽度为10-15mm，厚度为0.125-0.25mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述单向预浸料的纤维为碳纤维，优选为单向T300、T700、T800、T1000中的任一种或多种；
所述单向预浸料的树脂为环氧树脂，优选为中温固化树脂或高温固化树脂；和/或
所述减重芯层为泡沫材料，优选为硬质聚氨酯泡沫、酚醛树脂泡沫、PMI泡沫中的任一种或多种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述上翼面铺覆的厚度为3-5mm；
所述下翼面铺覆的厚度为3-5mm；和
所述减重芯层的厚度为15-20mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在步骤(1)中，90°方向的单向预浸料尺寸比下翼面前缘和后缘均宽20mm以上；和/或
在步骤(4)中，90°方向的单向预浸料尺寸比上翼面前缘和后缘均宽20mm以上。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
按照如下的铺层表进行下翼面的铺层：
45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°/45°/-45°/0°/90°；和/或
按照如下的铺层表进行上翼面的铺层：
90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°/90°/0°/-45°/45°。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在步骤(2)中，减重芯层的表面粘贴有胶膜；
优选地，所述胶膜为J245、J272、J261、J78、J47中的任一种或多种；
优选地，胶膜的厚度不超过0.2mm。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，
所述减重芯层在使用前按照如下方法进行预处理：
对减重芯层表面进行打磨；
用易挥发有机溶剂进行清洁；和
晾干；
优选地，所述有机溶剂为丙酮。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在步骤(5)中，将预制体下翼面朝下装入模具中。
10.一种长连续纤维缠绕减重结构复合材料承载梁，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述方法整体成型而得。
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