CN111267413B - 一种复合材料智能蒙皮及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种复合材料智能蒙皮，包括复合材料内蒙皮，复合材料外蒙皮，铺设在复合材料内、外蒙皮之间的夹芯层，及外装电连接器。成型步骤如下：碳纤维内蒙皮和内层泡沫成型及制定位孔；反射面铺放并与天线单元焊接；中间层泡沫拼接与铺放；外层泡沫拼接与铺放；玻璃纤维外蒙皮成型及胶接；CNC加工及制孔；电连接器安装及焊接。本发明利用CNC整体加工各层泡沫外形尺寸和分步开孔，能够控制外形尺寸精度和电连接器的位置精度，保证天线电性能，实现智能蒙皮结构和功能一体化；复合材料智能蒙皮成型工艺简单，操作方便，制造过程可控降低产品成型风险，同时能够减少装配工作量的同时达到轻量化的目的，降低飞行器的飞行重量，提高飞行器的气动性能。

Description

一种复合材料智能蒙皮及其制造方法
技术领域
本发明涉及蒙皮制备领域，具体涉及一种复合材料智能蒙皮及其制造方法。
背景技术
传感器飞机是将传感器和飞机融为一体的创新结构设计，突破传统飞行器设计中传感器的附属地位，利用新型的复合材料，将雷达、大型天线、探测元件(传感器)、微处理元件(信号处理器)、驱动元件(微制动器)等功能件集成在一起成为飞机的结构件。
智能蒙皮是传感器飞机的关键核心部件。智能蒙皮是将与机身共形的天线或天线阵列等智能结构集成到飞机蒙皮中，天线和飞机机体表面结构无缝隙地结合在一起，实现传感器和结构的有机融合，优化结构设计，减轻结构重量，有效提高飞行器的气动和隐身性能。
目前国内关于智能蒙皮的研究处于理论研究和实验室探索阶段，智能蒙皮成型制造尚没有先例可以借鉴。
发明内容
本发明目的在于提供一种复合材料智能蒙皮及其制造方法
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种复合材料智能蒙皮，包括复合材料内蒙皮，复合材料外蒙皮，铺设在复合材料内、外蒙皮之间的夹芯层，以及外装电连接器，夹芯层为内层泡沫、外层泡沫、中间层泡沫及包裹中间层泡沫的金属层，层与层之间通过胶膜进行连接，分步固化整体成型。
本发明的进一步改进在于：复合材料内蒙皮为碳纤维内蒙皮，复合料外蒙皮为玻璃纤维外蒙皮。
本发明的进一步改进在于：金属层包含发射面和大量形状各异并周期性放置在反射面上的天线单元，反射面与天线单元通过焊接方式进行连接。
本发明的进一步改进在于：中间层泡沫的电连接区域预埋玻璃钢，用于电连接器的安装。
本发明的进一步改进在于：利用CNC整体加工泡沫外形尺寸和分步开孔，控制尺寸精度和所有电连接器的位置精度，保证天线的电性能，从而实现智能蒙皮结构和功能的一体化。
本发明是一种复合材料智能蒙皮的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维内蒙皮和内层泡沫成型及制定位孔：碳纤维内蒙皮按铺层角度及铺层设计使用碳纤维织物预浸料/湿法预浸料铺贴在蒙皮模具上，封装制袋进行固化；在内蒙皮上使用一层胶膜/涂敷一层结构胶胶接内层泡沫，封装制袋进行固化，用CNC对内层泡沫进行修形并在内层泡沫及内蒙皮的电连接区开孔，同时在模具上的电连接区中心点制孔。
(2)反射面铺放并与天线单元焊接：将反射面的电连接区孔位保护防止浸胶，在内层泡沫表面铺贴一层胶膜/涂敷一层结构胶，利用模具上的定位孔及定位销进行反射面的定位，封装制袋进行固化，用CNC制定位孔用于反射面和不同尺寸的天线单元焊接定位，使用烙铁及焊料进行焊接。
(3)中间层泡沫拼接与铺放：按图纸及三维数模使用CNC加工中间层泡沫，将玻璃钢预埋块胶接至中间层泡沫电连接区域的孔中，在中间层泡沫表面铺贴一层胶膜/涂敷一层结构胶，胶接中间层泡沫至天线单元和反射面之间，使用CNC验证中间层泡沫的铺放位置，利用定位工装确保玻璃钢预埋块的位置准确，位置偏差小于0.5mm，封装制袋进行固化。
(4)外层泡沫拼接与铺放：利用CNC在天线单元的电连接区中心处打点并进行保护，使用胶膜将外层泡沫胶接至中间层泡沫上，封装制袋进行固化。
(5)玻璃纤维外蒙皮成型及胶接：用CNC对外层泡沫进行修形，在外层泡沫表面铺贴一层胶膜/涂敷一层结构胶，将按铺层角度及铺层设计使用玻璃纤维织物预浸料/湿法预浸料成型的玻璃纤维外蒙皮铺贴在外层泡沫上，封装制袋进行固化成型。
(6)CNC加工及制孔：依照三维数模及图纸加工外形尺寸，开电连接器安装孔及其他通孔。
(7)电连接器安装及焊接：产品脱模后，采用电连接器和板螺接作为定位划线手工钻孔并胶接安装金属预埋块，在内蒙皮侧装入电连接器，外蒙皮侧装入铜块旋进电连接器中并焊接，检测电导通，即完成智能蒙皮的成型。
本发明的进一步改进在于：智能蒙皮的成型模具为复合材料成型模具，降低了产品成型变形的风险。
本发明的进一步改进在于：蒙皮结构中各层孔径大小不一，且所有制孔均沿所在曲面法线方向，通过CNC定位及分步开孔实现，确保所有孔位准确。
本发明的进一步改进在于：利用模具上的定位孔和定位销进行反射面的定位和胶接，确保反射面位置准确。
本发明的进一步改进在于：利用带胶脱模布及脱模布对反射面和天线单元的电连接区域进行保护防止浸胶，确保电连接区域电导通。
本发明的进一步改进在于：通过CNC走位进行验证中间层泡沫玻璃钢预埋块位置，利用定位工装进行中间层泡沫拼接与铺放。
本发明的进一步改进在于：利用CNC整体加工内、外层泡沫外形尺寸及开孔与达到控制尺寸精度的目的。
本发明的进一步改进在于：电连接器的安装与焊接均通过使用万用表检测电导通后进行安装及焊接，避免影响智能蒙皮电性能发挥。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
1、本发明的复合材料智能蒙皮及其制造方法，利用CNC整体加工各层泡沫外形尺寸和分步开孔，能够控制外形尺寸精度和所有电连接器的位置精度，保证天线的电性能，实现智能蒙皮结构和功能的一体化。
2、本发明复合材料智能蒙皮为复合材料夹芯结构，包括碳纤维内蒙皮、玻璃纤维外蒙皮，铺设在内、外蒙皮之间的夹芯层，层与层之间通过胶膜/结构较胶接整体成型，成型工艺简单，操作方便，制造过程可控降低产品成型风险，同时减少装配工作量的同时达到轻量化的目的，降低了飞行器的飞行重量，提高了飞行器的气动性能。
附图说明
图1为本发明智能蒙皮的结构示意图。
图2为本发明智能蒙皮的断面结构示意图。
图3为本发明智能蒙皮的局部放大结构示意图。
其中，1-碳纤维内蒙皮，2-玻璃纤维外蒙皮，3-夹芯层，4-电连接器，5-内层泡沫，6-中间层泡沫，7-外层泡沫，8-反射面，9-天线单元，10-玻璃钢预埋块。
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。
如图1-3所示，本发明为一种复合材料智能蒙皮，智能蒙皮包括碳纤维内蒙皮1，玻璃纤维外蒙皮2，铺设在碳纤维内蒙皮1、玻璃纤维外蒙皮2之间的夹芯层3，以及外装电连接器4，夹芯层3为内层泡沫5、外层泡沫7、中间层泡沫6及包裹中间层泡沫6的反射面8和天线单元9，层与层之间通过胶膜/结构胶进行连接，分步固化整体成型。所述反射面8和天线单元9通过焊接方式进行连接。
一种复合材料智能蒙皮，复合材料智能蒙皮成型包括以下步骤：
(1)碳纤维内蒙皮1及内层泡沫5成型及制定位孔：
碳纤维内蒙皮1及内层泡沫1成型：以模具上铺贴基准线为基准按铺贴角度及铺层数设计顺序，将裁剪成特定形状的碳纤维织物预浸料依次铺贴在蒙皮模具上，铺贴过程中首层及每四层需进行一次预压实，预压实要求：真空度不低于700mbar，预压时间不少于15min，铺贴完成后封装制袋进行固化，固化制度：保持真空在920mbar以上，以1.0～3.0℃/min的升温速率从室温→80℃，并在(85±5)℃保温30min；以1.0～3.0℃/min的升温速率从80℃→130℃，并在(130±5)℃保温180min；全程压力(0.3±0.03)MPa，保温结束后卸压，以1.0～3.0℃/min的降温速率从130℃→50℃；保温时间以滞后热电偶温度为准；固化结束后拆除辅助材料，即完成内蒙皮1成型。然后在内蒙皮1表面铺贴一层胶膜，将修剪好的内层泡沫5胶接在内蒙皮1表面，封装制袋进行固化，固化制度：保持真空在920mbar以上，以1.0～3.0℃/min的升温速率从室温→95℃，并在(95±5)℃保温240min；全程抽真空，保温结束后以1.0～3.0℃/min的降温速率从95℃→50℃；保温时间以滞后热电偶温度为准。碳纤维内蒙皮1铺贴厚度1.0mm-3.0mm，内层泡沫5厚度4.0mm-6.0mm，胶层厚度0.1mm～0.2mm。
碳纤维内蒙皮1及内层泡沫5制定位孔：根据图纸和三维数模中内层泡沫5型面尺寸，模具上的定位基准孔，用CNC对内层泡沫5进行修形并在内层泡沫5及内蒙皮1有电连接区处中心点开Φ8孔，同时在模具上有电连接区中心点制Φ2孔，用于后期反射面8的胶接定位。
(2)反射面8铺放并与天线单元9焊接：
反射面8铺放：将反射面8有电连接区孔位处进行保护防止浸胶，在内层泡沫5表面铺贴一层胶膜并进行一次预压实，利用模具上的定位孔及定位销进行发射面8铺放位置准确，封装制袋进行固化，固化制度：保持真空在920mbar以上，以1.0～3.0℃/min的升温速率从室温→95℃，并在(95±5)℃保温240min；全程抽真空，保温结束后以1.0～3.0℃/min的降温速率从95℃→50℃；保温时间以滞后热电偶温度为准。反射面8厚度0.05mm-0.1mm，胶层厚度0.1mm～0.2mm。
反射面8与天线单元9焊接：根据图纸和三维数模用CNC对反射面开电连接器孔Φ4.2，对内层泡沫5及反射面8制Φ3定位孔，将反射面8和不同尺寸的天线单元9利用定位孔及定位销进行定位并确定焊接区域，使用烙铁及焊料进行焊接。利用带胶脱模布及脱模布对反射面和天线单元的电连接区域进行保护，天线单元9厚度0.05mm～0.1mm。
(3)中间层泡沫6拼接与铺放：
中间层泡沫6安装预埋块：中间层泡沫6按图纸进行CNC加工，将玻璃钢预埋块10表面包覆一层带状发泡胶后插入中间层泡沫6用CNC加工的孔中进行胶接并修配；中间层泡沫6厚度25.0mm～30.0mm。
中间层泡沫6拼接与铺放：利用定位工装，根据三维数模，将中间层泡沫6逐一铺放到天线单元9和反射面8之间，检查尺寸、调整位置，并用CNC走位进行验证，确保玻璃钢预埋块的位置准确，位置偏差小于0.5mm，确定位置后在中间层泡沫6各分块表面铺贴一层胶膜胶膜并进行一次预压实，然后定位中间层泡沫6，封装制袋进行固化，固化制度：保持真空在920mbar以上，以1.0～3.0℃/min的升温速率从室温→95℃，并在(95±5)℃保温240min；全程抽真空，保温结束后以1.0～3.0℃/min的降温速率从95℃→50℃；保温时间以滞后热电偶温度为准。胶层厚度0.1mm～0.2mm。
(4)外间层泡沫7拼接与铺放：
天线单元9电连接区保护：根据定位基准点，利用CNC在天线单元9电连接区中心处打点，确定位置后进行保护防止浸胶。
外间层泡沫7拼接与铺放：在中间层泡沫6表面非保护区域铺贴一层胶膜并进行一次预压实，将修剪好的外层泡沫7胶接在中间层泡沫6上，封装制袋进行固化，固化制度：保持真空在920mbar以上，以1.0～3.0℃/min的升温速率从室温→95℃，并在(95±5)℃保温240min；全程抽真空，保温结束后以1.0～3.0℃/min的降温速率从95℃→50℃；保温时间以滞后热电偶温度为准。外层泡沫7厚度5.0mm～7.0mm，胶层厚度0.1mm～0.2mm。
(5)玻璃纤维外蒙皮2成型及胶接：
玻璃纤维外蒙皮2成型：以模具上铺贴基准线为基准按铺贴角度及铺层数设计顺序，将裁剪成特定形状的玻璃纤维织物预浸料依次铺贴在蒙皮模具上，铺贴过程中首层及每四层需进行一次预压实，预压实要求：真空度不低于700mbar，预压时间不少于15min，铺贴完成后封装制袋进行固化，固化制度：保持真空在920mbar以上，以1.0～3.0℃/min的升温速率从室温→80℃，并在(85±5)℃保温30min；以1.0～3.0℃/min的升温速率从80℃→130℃，并在(130±5)℃保温180min；全程压力(0.3±0.03)MPa，保温结束后卸压，以1.0～3.0℃/min的降温速率从130℃→50℃；保温时间以滞后热电偶温度为准；固化结束后拆除辅助材料，即完成外蒙皮2成型，玻璃纤维外蒙皮2铺贴厚度1.0mm～3.0mm。
玻璃纤维外蒙皮2胶接：根据图纸和三维数模中外层泡沫7型面尺寸利用CNC对外层泡沫7进行修形；在外层泡沫7表面铺贴一层胶膜并进行一次预压实，将外蒙皮2铺贴在外层泡沫7上，封装制袋进行固化，固化制度：保持真空在920mbar以上，以1.0～3.0℃/min的升温速率从室温→95℃，并在(95±5)℃保温240min；全程抽真空，保温结束后以1.0～3.0℃/min的降温速率从95℃→50℃；保温时间以滞后热电偶温度为准。外层泡沫7厚度5.0mm～7.0mm，胶层厚度0.1mm～0.2mm。
(6)CNC加工及制孔：
CNC加工：依照三维数模及图纸加工外形尺寸及其他安装通孔。
制孔：按图纸尺寸要求，利用模具上定位基准孔，用CNC从玻璃纤维外蒙皮2一侧钻通至碳纤维内蒙皮1开电连接器孔Φ2.2，并在外蒙皮2和外层泡沫7上开电连接器4安装孔Φ15，钻孔深度略小于外层蒙皮2和外层泡沫7的厚度，未钻透部分通过手工将余下泡沫清除。
(7)电连接器4安装及焊接：
板安装孔加工：产品脱模后，采用电连接器4与板螺接后插入蒙皮电连接孔作为定位进行手工钻孔并胶接安装金属预埋块。
电连接器4安装与焊接：将电连接器4从内蒙皮1一侧装入蒙皮孔中，旋紧螺纹后，使用万用表检测电导通；在外蒙皮2一侧将带螺纹孔的铜块旋进电连接器中，压紧天线单元9使用万用表检测电导通后焊接，焊接后再次检测电导通，即完成智能蒙皮的成型。
本发明所述复合材料智能蒙皮及其制造方法，利用CNC整体加工各层泡沫外形尺寸和分步开孔，能够控制外形尺寸精度和所有电连接器的位置精度，不仅保证天线的电性能，实现智能蒙皮结构和功能的一体化；而且成型工艺简单，操作方便，制造过程可控降低产品成型风险，同时减少装配工作量的同时达到轻量化的目的，降低了飞行器的飞行重量，提高了飞行器的气动性能。

Claims (10)

1.一种复合材料智能蒙皮，其特征在于，包括复合材料内蒙皮，复合材料外蒙皮，铺设在复合材料内、外蒙皮之间的夹芯层，以及外装电连接器，夹芯层为内层泡沫、外层泡沫、中间层泡沫及包裹中间层泡沫的金属层，层与层之间通过胶膜/结构胶进行连接，分步固化整体成型；通过以下方法制得：
(1)碳纤维内蒙皮和内层泡沫成型及制定位孔：碳纤维内蒙皮按铺层角度及铺层设计使用碳纤维织物预浸料铺贴在蒙皮模具上，封装制袋进行固化；在内蒙皮上使用一层胶膜/涂敷一层结构胶胶接内层泡沫，封装制袋进行固化，用CNC对内层泡沫进行修形并在内层泡沫及内蒙皮的电连接区开孔，同时在模具上的电连接区中心点制孔；
(2)反射面铺放并与天线单元焊接：将反射面的电连接区孔位保护防止浸胶，在内层泡沫表面铺贴一层胶膜/涂敷一层结构胶，利用模具上的定位孔及定位销进行反射面的定位，封装制袋进行固化，用CNC制定位孔用于反射面和不同尺寸的天线单元焊接定位，使用烙铁及焊料进行焊接；
(3)中间层泡沫拼接与铺放：按图纸及三维数模使用CNC加工中间层泡沫，将玻璃钢预埋块胶接至中间层泡沫电连接区域的孔中，在中间层泡沫表面铺贴一层胶膜/涂敷一层结构胶，胶接中间层泡沫至天线单元和反射面之间，使用CNC验证中间层泡沫的铺放位置，利用定位工装确保玻璃钢预埋块的位置准确，位置偏差小于0.5mm，封装制袋进行固化；
(4)外层泡沫拼接与铺放：利用CNC在天线单元的电连接区中心处打点并进行保护，使用胶膜将外层泡沫胶接至中间层泡沫上，封装制袋进行固化；
(5)玻璃纤维外蒙皮成型及胶接：用CNC对外层泡沫进行修形，在外层泡沫表面铺贴一层胶膜/涂敷一层结构胶，将按铺层角度及铺层设计使用玻璃纤维织物预浸料成型的玻璃纤维外蒙皮铺贴在外层泡沫上，封装制袋进行固化成型；
(6)CNC加工及制孔：依照三维数模及图纸加工外形尺寸，开电连接器安装孔及其他通孔；
(7)电连接器安装及焊接：产品脱模后，采用电连接器和板螺接作为定位划线，手工钻孔，并胶接安装金属预埋块，在内蒙皮侧装入电连接器，在外蒙皮一侧将带螺纹孔的铜块旋进电连接器中，压紧天线单元检测电导通后焊接，焊接后检测电导通，即完成智能蒙皮的成型。
2.根据权利要求1所述的复合材料智能蒙皮，其特征在于，复合材料内蒙皮为碳纤维内蒙皮，复合料外蒙皮为玻璃纤维外蒙皮。
3.根据权利要求1所述的复合材料智能蒙皮，其特征在于，金属层包含发射面和大量形状各异并周期性放置在反射面上的天线单元，反射面与天线单元通过焊接方式进行连接。
4.根据权利要求1所述的复合材料智能蒙皮，其特征在于，中间层泡沫的电连接区域预埋玻璃钢，用于电连接器的安装。
5.根据权利要求1所述的复合材料智能蒙皮，其特征在于，利用CNC整体加工泡沫外形尺寸和分步开孔，控制尺寸精度和所有电连接器的位置精度，保证天线的电性能，从而实现智能蒙皮结构和功能的一体化。
6.一种复合材料智能蒙皮的制备方法，其特征在于，所述复合材料智能蒙皮成型包括以下步骤：
(1)碳纤维内蒙皮和内层泡沫成型及制定位孔：碳纤维内蒙皮按铺层角度及铺层设计使用碳纤维织物预浸料铺贴在蒙皮模具上，封装制袋进行固化；在内蒙皮上使用一层胶膜/涂敷一层结构胶胶接内层泡沫，封装制袋进行固化，用CNC对内层泡沫进行修形并在内层泡沫及内蒙皮的电连接区开孔，同时在模具上的电连接区中心点制孔；
(2)反射面铺放并与天线单元焊接：将反射面的电连接区孔位保护防止浸胶，在内层泡沫表面铺贴一层胶膜/涂敷一层结构胶，利用模具上的定位孔及定位销进行反射面的定位，封装制袋进行固化，用CNC制定位孔用于反射面和不同尺寸的天线单元焊接定位，使用烙铁及焊料进行焊接；
(3)中间层泡沫拼接与铺放：按图纸及三维数模使用CNC加工中间层泡沫，将玻璃钢预埋块胶接至中间层泡沫电连接区域的孔中，在中间层泡沫表面铺贴一层胶膜/涂敷一层结构胶，胶接中间层泡沫至天线单元和反射面之间，使用CNC验证中间层泡沫的铺放位置，利用定位工装确保玻璃钢预埋块的位置准确，位置偏差小于0.5mm，封装制袋进行固化；
(4)外层泡沫拼接与铺放：利用CNC在天线单元的电连接区中心处打点并进行保护，使用胶膜将外层泡沫胶接至中间层泡沫上，封装制袋进行固化；
(5)玻璃纤维外蒙皮成型及胶接：用CNC对外层泡沫进行修形，在外层泡沫表面铺贴一层胶膜/涂敷一层结构胶，将按铺层角度及铺层设计使用玻璃纤维织物预浸料成型的玻璃纤维外蒙皮铺贴在外层泡沫上，封装制袋进行固化成型；
(6)CNC加工及制孔：依照三维数模及图纸加工外形尺寸，开电连接器安装孔及其他通孔；
(7)电连接器安装及焊接：产品脱模后，采用电连接器和板螺接作为定位划线，手工钻孔，并胶接安装金属预埋块，在内蒙皮侧装入电连接器，在外蒙皮一侧将带螺纹孔的铜块旋进电连接器中，压紧天线单元检测电导通后焊接，焊接后检测电导通，即完成智能蒙皮的成型。
7.根据权利要求6所述的复合材料智能蒙皮的制备方法，其特征在于，智能蒙皮的成型模具为复合材料成型模具，降低了产品成型变形的风险；利用模具上的定位孔和定位销进行反射面的定位和胶接，确保反射面位置准确。
8.根据权利要求6所述的复合材料智能蒙皮的制备方法，其特征在于，蒙皮结构中各层孔径大小不一，且所有制孔均沿所在曲面法线方向，通过CNC定位及分步开孔实现，确保所有孔位准确；通过CNC走位进行验证中间层泡沫预埋块位置，利用定位工装进行中间层泡沫拼接与铺放；利用CNC整体加工内、外层泡沫外形尺寸及开孔与达到控制尺寸精度的目的。
9.根据权利要求6所述的复合材料智能蒙皮的制备方法，其特征在于，利用带胶脱模布及脱模布对反射面和天线单元的电连接区域进行保护防止浸胶，确保电连接区域电导通。
10.根据权利要求6所述的复合材料智能蒙皮的制备方法，其特征在于，电连接器的安装与焊接均通过使用万用表检测电导通后进行安装及焊接，避免影响智能蒙皮电性能发挥。
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