CN111216377B - 一种复合材料结构件的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料结构件的成型方法，包括密封制袋、振动处理、微波固化和结构件整体脱模；振动处理是将完成封袋的材料固定在振动支撑座上，并与物料平台同步振动；微波固化利用模具支撑架和支撑轴对硅橡胶模具进行支撑，并用微波对预成型体各表面均匀微波辐射成型；最后利用酸碱腐蚀配合人工拆解将硅橡胶模具从成型后的结构件中取出。本发明的成型方法通过振动处理结合微波固化复合材料，可实现复合材料结构件的快速、低成本、高性能成型；本发明突破热压罐成型工艺对制件尺寸的限制，降低制造成本；成型后的结构件力学性能优良、孔隙率低，其性能与质量可达到与热压罐固化后相同的水平。

Description

一种复合材料结构件的成型方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别地，涉及一种复合材料结构件的成型方法。

背景技术

热压罐工艺是目前用于固化成型航空航天用高性能树脂基复合材料的最常用工艺，利用热压罐内部的高温压缩气体产生压力对复合材料预浸料进行加热、加压以完成固化成型。但是在加热固化时，热量由材料外部向内部传递时，会在材料内部产生温度分布不均，进而使得固化程度不均匀，在材料内部产生较大的内应力，影响制件的成形质量。同时，由于热压罐结构复杂、系统庞大，属于高压压力容器，因此投资建造所需要的费用较高；不仅如此，其生产效率低且能耗巨大，设备制造和运行成本高昂等一些缺点，限制了热压罐成型工艺的发展甚至成为制约复合材料广泛应用的瓶颈。

鉴于上述问题，国内外针对复合材料微波固化的设备研发方面开展了大量研究，并取得了一定的成果。例如，发明专利201410295387.8中提出了一种微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法，将复合材料置于多边形腔体中，通过微波在腔体内发生多次反射后入射至材料表面和内部，同时使气体压力通过压力容器提供后作用到材料表面。发明专利201610030557.9中提出了一种微波加热装置及方法，在微波腔内放置吸波材料，由屏蔽微波区和透过微波区组成的微波局部屏蔽件覆盖在吸波材料外表面，进而针对复合材料制件的局部进行优先加热和固化。申请号为201410780220.0的申请文件中提出了一种成型装置，在微波加热复合材料过程中对复合材料制件的上下表面施加均衡的液体压力，有效压实复合材料制件。发明专利201610025303.8中提出了一种复合能场加热装置，包括微波加热装置和热压罐，通过微波加热装置向微波腔内发送微波，通过热压罐提供的高压压实复合材料制件；发明专利201410471231.0、201410471234.4和201510109343.6等也公开了使用热压罐与微波结合用于加热固化复合材料的技术。但是用上述技术及装置对复合材料进行加热固化时，并没有降低固化压力对复合材料的影响，甚至还引入了高压场，不仅没有发挥出微波固化工艺节能环保的优势，同时还因为微波-高压场的同时存在增加了工艺的安全隐患。

低温推进剂贮箱是航天运载器动力系统和结构系统的关键部件，在经历了铝镁合金阶段、铝铜合金阶段、铝锂合金阶段之后，复合材料凭借在重量和成本方面的巨大优势，大型复合材料低温贮箱已成为世界航天工业的发展趋势。传统的金属材料贮箱是通过将成型后的金属瓜瓣、壁板等结构通过焊接制造完成，而由于热固性复合材料的不可焊接性，此种制造方式已不适用于复合材料贮箱的制造过程。为了解决该问题，以美国宇航局(NASA)为首的多个航天机构提出了复合材料低温推进剂贮箱的整体成型思路。金属模具由于具有高强度，高刚度以及加工性好等优点，是目前复合材料固化成型使用最多的模具。而在复合材料近似封闭形面结构件的成型过程中，由于金属模具其热膨胀系数与复合材料的热膨胀系数高度不匹配，使得最终成型的复合材料制件内部产生严重的残余应力，难以保证结构件的成型精度，且金属组合式模具密度高质量大难以在成型后拆分脱模，故不适用于复合材料贮箱这种近似封闭形面结构件的整体成型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料结构件的成型方法，以解决航天领域复合材料结构件(贮箱类)的大尺寸、变曲率、弱刚性等特点带来的成型困难的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种复合材料结构件的成型方法，所述复合材料结构件为包括顶盖通孔和底盖通孔的且由碳纤维树脂复合材料预浸料一体化成型而成的贮箱结构，所述成型方法包括使用一种复合材料结构件的成型模具组，所述成型模具组包括振动处理用模具、微波固化用模具、真空袋和硅橡胶模具；所述硅橡胶模具内设有沿轴向贯通其中心的圆形通孔，所述振动处理用模具包括紧固装置和振动支撑座，所述振动支撑座上表面内凹形成用于容置径向由外而内的真空袋、预浸料和硅橡胶模具的凹槽；所述微波固化用模具包括模具支撑架和支撑轴，所述支撑轴的直径小于等于顶盖通孔和底盖通孔的内切圆直径；所述成型方法包括如下步骤：

S1：首先将预浸料按照特定的铺层方式铺放在硅橡胶模具上形成预成型体，然后用真空袋将预浸料和硅橡胶模具密封完成制袋过程；

S2：将封袋好的材料移动并放置在振动支撑座的凹槽中，用紧固螺栓B将所述振动支撑座与振动微波复合成型制造系统的物料平台固定在一起，所述振动微波复合成型制造系统能为设置在其物料平台上的物质提供加速度在竖直方向的振动和提供微波辐照，并采用紧固装置将封袋好的材料与所述振动支撑座通过紧固螺栓A连接，以此实现封袋好的材料与物料平台的同步振动，直至完成振动处理过程；

S3：振动处理结束后，将封袋好的材料从振动支撑座上移除，并将振动支撑座、紧固装置以及紧固螺栓均从振动微波复合成型制造系统内取出；

S4：先将支撑轴插入硅橡胶模具中心的圆形通孔且支撑轴的两端均伸出圆形通孔，所述支撑轴两端分别与模具支撑架连接，并将模具支撑架设置在物料平台上，使得经过振动处理后的封袋好的材料在支撑作用下悬挂在空中；再利用振动微波复合成型制造系统对预成型体各表面均匀微波辐射成型；

S5：结构件微波辐射成型后将支撑轴从硅橡胶模具中取出，再利用强酸或强碱对硅橡胶模具腐蚀，且所述腐蚀是从所述圆形通孔处开始的，最终将腐蚀后的硅橡胶模具从成型后得到的结构件中取出，从而实现复合材料结构件的整体成型与脱模。

优选的，所述紧固装置包括轴向前后排列的至少两个紧固单件，每个所述紧固单件均具有与结构件的外壁形状相匹配的弧形，每个所述紧固单件的两端均分别通过紧固螺栓A与所述振动支撑座固定连接。

优选的，所述紧固装置和振动支撑座均采用金属材料制成，优选Q235结构钢，以确保振动处理用模具可以承受振动处理带来的冲击；所述模具支撑架和支撑轴均采用不会反射微波的非金属材料制成，优选陶瓷类材料，以避免在微波固化过程中对微波场均匀性带来的不利影响。

优选的，所述圆形通孔的直径小于等于所述顶盖通孔和底盖通孔的内切圆直径，所述圆形通孔的横截面积在整个硅橡胶模具横截面积最大处的横截面积的占比为0.04-0.08；优选0.05-0.075；更优选0.065。

优选的，所述圆形通孔的直径与所述支撑轴的直径保持一致。

优选的，所述模具支撑架包括竖向相对设置的两个单元支撑架，两个单元支撑架分别用于支撑所述支撑轴长度方向的两端。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明的成型方法通过振动处理结合微波固化复合材料，可实现复合材料结构件的快速、低成本、高性能成型；本发明突破热压罐成型工艺对制件尺寸的限制，降低制造成本；成型后的结构件力学性能优良、孔隙率低，其性能与质量可达到与热压罐固化后相同的水平。

(2)、本发明的成型方法，进一步扩大了振动微波复合成型制造技术的应用范围，解决了复合材料热压罐成型工艺和微波成型工艺面临的诸多困难，实现了复合材料结构件高效快速、安全环保、高质量高精度的一体化成型，为航天领域具备大尺寸、变曲率、弱刚度、近似封闭形面等特点的复合材料结构件制造提供了全新的成型思路和方法基础。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明中振动处理用模具与硅橡胶模具配合状态的主视结构示意图；

图2是图1中A-A截面结构示意图；

图3是本发明中微波固化用模具与硅橡胶模具配合状态的主视结构示意图；

图4是图3中微波固化用模具与硅橡胶模具配合状态的侧视结构示意图；

图5是本发明成型模具组中硅橡胶模具的主视截面结构示意图；

图6是采用本发明成型模具组所成型的复合材料结构件的主视截面结构示意图；

其中，1、紧固装置，1.1、紧固单件，2、真空袋，3、预浸料，3.1、顶盖通孔，3.2、底盖通孔，4、硅橡胶模具，4.1、圆形通孔，5、紧固螺栓A，6、振动支撑座，6.1、凹槽，7、物料平台，8、模具支撑架，8.1、单元架体，9、支撑轴，10、紧固螺栓B。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

一种复合材料结构件的成型方法，复合材料结构件为包括顶盖通孔3.1和底盖通孔3.2的且由碳纤维树脂复合材料预浸料3一体化成型而成的贮箱结构；具体地，成型方法包括如下步骤：

S1：首先将预浸料3按铺层方式铺放在硅橡胶模具4上形成预成型体，然后用真空袋2将预浸料3和硅橡胶模具4密封完成制袋过程；

S2：将封袋好的材料移动并放置在振动支撑座6的凹槽6.1中，用紧固螺栓B10将振动支撑座与振动微波复合成型制造系统的物料平台7固定在一起，振动微波复合成型制造系统能为设置在其物料平台7上的物质提供加速度在竖直方向的振动和提供微波辐照，并采用紧固装置1将封袋好的材料与振动支撑座通过紧固螺栓A5连接，以此实现封袋好的材料与物料平台7的同步振动，直至完成振动处理过程；

S3：振动处理结束后，将封袋好的材料从振动支撑座6上移除，并将振动支撑座6、紧固装置1、紧固螺栓A以及紧固螺栓B均从振动微波复合成型制造系统内取出；

S4：先将支撑轴9插入硅橡胶模具4中心的圆形通孔4.1且支撑轴的两端均伸出圆形通孔4.1，支撑轴两端分别与模具支撑架8连接，并将模具支撑架8设置在物料平台7上，使得经过振动处理后的封袋好的材料在支撑作用下悬挂在空中；再利用振动微波复合成型制造系统对预成型体各表面均匀微波辐射成型；

S5：结构件微波辐射成型后将支撑轴从硅橡胶模具中取出，再利用强酸或强碱对硅橡胶模具腐蚀，且腐蚀是从圆形通孔4.1处开始的，并配合人工拆解将硅橡胶模具拆分，最终将腐蚀后的硅橡胶模具从成型后得到的结构件中取出，从而实现复合材料结构件的整体成型与脱模。

在一种具体的实施方式中，振动微波复合成型制造系统能为设置在其物料平台上的物质提供加速度在竖直方向的振动和提供微波辐照。具体地，该振动微波复合成型制造系统的具体结构可以参照本发明人已有的专利申请CN201811512575.6、CN201811512585.X、CN201811512587.9、CN201811513753.7、CN201811513754.1以及CN201811513767.9等，上述全部成型过程均可以通过安装在振动微波复合成型制造系统的炉门上的视镜进行观测，且由温度传感器、加速度传感器等对振动微波复合成型制造系统的腔体内部进行实时监控。上述成型方法基于振动处理对降低复合材料内部缺陷、提高复合材料成型质量的显著作用，首先对封袋好的预成型体进行振动处理，以实现其后续在低压甚至去压条件下的高质量成型，突破热压罐成型工艺对制件尺寸的限制，降低制造成本。

本发明的成型方法使用一种复合材料结构件的成型模具组，该成型模具组包括振动处理用模具、微波固化用模具、硅橡胶模具4以及用于将预浸料3和硅橡胶模具4进行密封的真空袋2，硅橡胶模具外表面上用于铺贴预浸料3。成型模具组的具体结构如下：

参见图1和图2，振动处理用模具包括紧固装置1和振动支撑座6，振动支撑座6上表面内凹形成用于容置径向由外而内的真空袋2、预浸料3和硅橡胶模具4的凹槽6.1，紧固装置1用于将真空袋2、预浸料3和硅橡胶模具4固定在振动支撑座上。具体地，紧固装置包括沿硅橡胶模具的轴向前后排列的两个紧固单件1.1，每个紧固单件均具有与结构件的外壁形状相对应的弧形，使用时，每个紧固单件的两端均分别通过紧固螺栓A5与振动支撑座6固定连接，这就使得外表面铺贴有预浸料的硅橡胶模能够与振动支撑座固定连接。利用该结构对封袋好的材料进行振动处理时，振动处理用模具设置在振动微波复合成型制造系统的物料平台7上，且振动支撑座6通过紧固螺栓B10与物料平台7固定连接，使得设置于凹槽6.1内的通过真空袋2密封的硅橡胶模具4和预浸料3能够随着物料平台7振动而振动。具体地，紧固装置1和振动支撑座6均采用金属材料制成，优选Q235结构钢，以保证模具可以承受振动处理带来的冲击；预浸料为T800/X850碳纤维增强环氧树脂预浸料。该结构设置利用振动处理对降低复合材料内部缺陷、提高复合材料成型质量有显著作用。

参见图3和图4，微波固化用模具包括模具支撑架8和支撑轴9，模具支撑架包括竖向相对设置的两个单元支撑架8.1，支撑轴的直径小于等于顶盖通孔3.1和底盖通孔3.2的内切圆直径。利用该结构进行微波固化处理时，微波固化用模具设置在振动微波复合成型制造系统的物料平台7上，且两个单元支撑架8.1分别与物料平台7上，支撑轴9插入硅橡胶模具4中心的圆形通孔4.1，且其两端均伸出圆形通孔以外并分别与两个单元支撑架连接，以使得经过振动处理后的封袋好的材料在支撑作用下悬挂在空中，便于预成型件各表面能接受振动微波复合成型制造系统均匀的微波辐照而成型，以此发挥微波固化工艺快速、高效、安全的特点。该结构设置中，支撑轴的直径与圆形通孔的直径保持一致，支撑轴的直径小于等于顶盖通孔和底盖通孔的内切圆直径。模具支撑架8和支撑轴9的材质均由不会反射微波的非金属材料支撑，优选陶瓷类材料，以避免在微波固化过程中对微波场均匀性带来的不利影响。

参见图5，为了复合材料结构件在易脱模的前提下保证成型质量及成型精度，需在硅橡胶模具4内开设沿轴向贯通其中心的圆形通孔4.1，并且该圆形通孔的横截面积在整个硅橡胶模具横截面积最大处的横截面积的占比为0.04-0.08；优选0.05-0.075；最优选0.065。圆形通孔的直径略小于顶盖通孔3.1和底盖通孔3.2的内切圆直径。具体地，硅橡胶模具4由硅橡胶材料制成，静止状态其形状固定，但局部按压后它会变形，跟普通的橡胶材料一样，撤掉外力之后其形状恢复，但对硅橡胶模具整体施加高压的情况下，硅橡胶模具不会变形。硅橡胶模具4具备良好的耐高温性能，同时兼具一定的强度和硬度，但其耐酸碱性较差。因此，该硅橡胶模具适用于复合材料结构件的高精度成型，并可在复合材料结构件成型后用现有的化学方法进行腐蚀，如采用硫酸或氢氧化钠溶液对硅胶橡胶模具腐蚀；待硅橡胶腐蚀之后变软，就可以将其破坏并从复合材料结构件的顶盖通孔和/或底盖通孔处掏出。

参见图6，一体化成型的复合材结构件为仅顶盖和底盖上开设有通孔的近似封闭形面类结构，其顶盖和底盖的尺寸远小于硅橡胶模具最大处截面的直径，因而在本实施例中硅橡胶模具采用普通的钢制芯模是不可行的。本实施例提供的硅橡胶模具可以使用强酸或强碱溶解而从顶盖和/或底盖的开口处掏出。该硅橡胶模具在振动过程中能承担振动带来的冲击力(玻璃或陶瓷芯模也能最终被破坏掉，但它们不能承受振动的冲击力)，该硅橡胶模具在微波固化过程中，会部分吸波，会透波，但它不会反射微波(现有技术中模具用的Q235结构钢会反射微波，不能用作本实施例中的芯模)。

在一种具体的实施方式中，对于较小直径的复合材料贮箱，如硅橡胶模具的最大处截面的直径为250mm，其内部圆形通孔的直径可取62mm，对应贮箱的顶盖通孔和底盖通孔的直径略大于圆形通孔的直径，可取70mm；此时硅橡胶模具的单边厚度为94mm。对于直径较大的复合材料贮箱，如硅橡胶模具的最大处截面的直径800mm，其内部圆形通孔的直径可取212mm，对应贮箱的顶盖通孔和底盖通孔的直径可取225mm；此时硅橡胶模具的单边厚度为294mm。也就是说，除了用于伸入支撑轴所预留的圆形通孔以外，硅橡胶模具的其他部位都是实心的。

在一种具体的实施方式中，采用振动预处理结合低压微波固化的工艺来固化成形碳纤维树脂复合材料预浸料(例如T800/X850碳纤维增强环氧树脂预浸料)能得到力学性能优良和低孔隙率的制件，可达到与热压罐固化后制件的性能和质量相同的水平。

在一种具体的实施方式中，在现有国内外多种复合材料微波固化成型装置的基础上，本发明人针对复合材料微波固化过程中需要引入压力、微波场分布不均匀的问题，将微波固化装置与振动平台巧妙的结合，基于自主设计的振动微波复合成形制造系统，提出了一种针对复合材料近似封闭曲面结构件(贮箱类结构)的成型方法，并设计适用于该成型方法的组合模具。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合材料结构件的成型方法，其特征在于，所述复合材料结构件为包括顶盖通孔(3.1)和底盖通孔(3.2)的且由碳纤维树脂复合材料预浸料(3)一体化成型而成的贮箱结构，所述成型方法包括使用一种复合材料结构件的成型模具组，所述成型模具组包括振动处理用模具、微波固化用模具、真空袋(2)和硅橡胶模具(4)；所述硅橡胶模具内设有沿轴向贯通其中心的圆形通孔(4.1)，所述振动处理用模具包括紧固装置(1)和振动支撑座(6)，所述振动支撑座(6)上表面内凹形成用于容置径向由外而内的真空袋(2)、预浸料(3)和硅橡胶模具(4)的凹槽(6.1)；所述微波固化用模具包括模具支撑架(8)和支撑轴(9)，所述支撑轴(9)的直径小于等于顶盖通孔(3.1)和底盖通孔(3.2)的内切圆直径；所述成型方法包括如下步骤：

S1：首先将预浸料(3)按铺层方式铺放在硅橡胶模具(4)上形成预成型体，然后用真空袋(2)将预浸料(3)和硅橡胶模具(4)密封完成制袋过程；

S2：将封袋好的材料移动并放置在振动支撑座(6)的凹槽(6.1)中，用紧固螺栓B(10)将所述振动支撑座与振动微波复合成型制造系统的物料平台(7)固定在一起，所述振动微波复合成型制造系统能为设置在其物料平台(7)上的物质提供加速度在竖直方向的振动和提供微波辐照，并采用紧固装置(1)将封袋好的材料与所述振动支撑座通过紧固螺栓A(5)连接，以此实现封袋好的材料与物料平台(7)的同步振动，直至完成振动处理过程；

S3：振动处理结束后，将封袋好的材料从振动支撑座(6)上移除，并将振动支撑座(6)、紧固装置(1)以及紧固螺栓均从振动微波复合成型制造系统内取出；

S4：先将支撑轴(9)插入硅橡胶模具(4)中心的圆形通孔(4.1)且支撑轴的两端均伸出圆形通孔(4.1)，所述支撑轴两端分别与模具支撑架(8)连接，并将模具支撑架(8)设置在物料平台(7)上，使得经过振动处理后的封袋好的材料在支撑作用下悬挂在空中；再利用振动微波复合成型制造系统对预成型体各表面均匀微波辐射成型；

S5：结构件微波辐射成型后将支撑轴从硅橡胶模具中取出，再利用强酸或强碱对硅橡胶模具腐蚀，且所述腐蚀是从所述圆形通孔(4.1)处开始的，最终将腐蚀后的硅橡胶模具从成型后得到的结构件中取出，从而实现复合材料结构件的整体成型与脱模。

2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述紧固装置(1)包括轴向前后排列的至少两个紧固单件(1.1)，每个所述紧固单件(1.1)均具有与结构件的外壁形状相匹配的弧形，每个所述紧固单件的两端均分别通过紧固螺栓A(5)与所述振动支撑座固定连接。

3.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述紧固装置(1)和振动支撑座(6)均采用金属材料制成；所述模具支撑架(8)和支撑轴(9)均采用不会反射微波的非金属材料制成。

4.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述圆形通孔(4.1)的直径小于等于所述顶盖通孔(3.1)和底盖通孔(3.2)的内切圆直径，所述圆形通孔(4.1)的横截面积在整个硅橡胶模具(4)横截面积最大处的横截面积的占比为0.04-0.08。

5.根据权利要求4所述的成型方法，其特征在于，所述圆形通孔(4.1)的横截面积在整个硅橡胶模具(4)横截面积最大处的横截面积的占比为0.05-0.075。

6.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述圆形通孔(4.1)的直径与所述支撑轴的直径保持一致。

7.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述模具支撑架(8)包括竖向相对设置的两个单元支撑架(8.1)，两个单元支撑架(8.1)分别用于支撑所述支撑轴(9)长度方向的两端。

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