CN111634023A - 一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法 - Google Patents

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Abstract

一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管，它由两片相同的“Ω”型半片组成，其半片由连接边和中间弧段组成。首先加工阳模，利用阳模翻制纤维增强树脂基复合材料阴模型面层，再依此铺电加热层和保温层形成一体化的多层结构，将保温层一侧用金属钢架进行加固，并对型面进行后固化处理和精加工，得到可自加热的复合材料阴模模具，再在模具上铺覆预浸料、聚四氟乙烯布和透气毡，打真空袋抽真空并升温固化，得到可折叠纤维增强树脂基复合材料管的半片，将两个半片上下对称放置并进行胶接，最终得到完整的可折叠纤维增强树脂基复合材料管。本发明的有益效果是可降低可折叠纤维增强树脂基复合材料管的制备成本和提高操作实施场地的机动灵活性。

Description

一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法
技术领域
本发明提供一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法，属于复合材料制造技术领域。
背景技术
可折叠纤维增强树脂基复合材料管由于具有重量轻、收纳空间小、力学性能优异等特点，因此，在航空航天领域得到广泛的研究，并且具有非常好的应用前景。例如德国宇航中心(DLR)提出的一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的设计方案，其横截面形状为两片对称的“Ω”型，可以通过弹性变形折叠在很小的体积内，并依靠自身储存的弹性能可恢复到初始的初始管状结构，主要应用于航天领域，这种可折叠纤维增强树脂基复合材料管成型时通常需要采用热压罐或烘箱等加热设备完成加热和加压固化，被德国宇航中心和其他研究机构作为一种通用方法。但该方法尚有不足之处，可折叠纤维增强树脂基复合材料管尺寸受限于热压罐或烘箱加热等加热设备的尺寸，很难做到比如几十米甚至上百米长的大尺寸，除非专门定制专用的热压罐或烘箱加热设备，再加上制造模具的成本，这将导致生产成本非常高昂，此外，热压罐或烘箱加热等加热设备属于固定资产，只能在指定地点进行操作，使用起来不够机动灵活。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法，以解决大尺寸的可折叠纤维增强树脂基复合材料管成型成本高和操作实施场地不够机动灵活的技术问题。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的整体成型方法，其步骤如下：
步骤一、按照设计的可折叠纤维增强树脂基复合材料管的横截面形状加工阳模。
步骤二、利用阳模翻制纤维增强树脂基复合材料阴模型面层。纤维增强树脂基复合材料阴模型面层两侧必须设计翻边，可以提高纤维增强树脂基复合材料阴模型面层抗热变形的能力，进而纤维增强树脂基复合材料阴模型面层尺寸精度以及后续制备可折叠纤维增强树脂基复合材料管的尺寸精度。
步骤三、在纤维增强树脂基复合材料阴模型面层上铺由加热电阻、导热介质和树脂构成的电加热层并加热固化，使电加热层与纤维增强树脂基复合材料阴模型面层形成一体。
步骤四、在电加热层和上铺保温层并加热固化，使纤维增强树脂基复合材料阴模型面层、电加热层和保温层形成一体，然后将由一体化的由纤维增强树脂基复合材料阴模型面层、电加热层和保温层组成的多层结构从阳模上取下。
步骤五、将多层结构的保温层一侧固定到金属钢架上进行加固，以保证复合材料阴模模具的刚度。
步骤六、将复合材料阴模模具反复进行3至5次的后固化处理，如果精度要求不高，可减少后固化处理的次数，完成后固化处理后对阴模型面层进行精加工，最终得到满足精度要求的复合材料阴模模具，该模具通过加热层进行自加热。
步骤七、按照设计的可折叠纤维增强树脂基复合材料管的铺层方案将预浸料铺覆在可进行自加热的整体复合材料阴模模具上，预浸料铺覆好之后，依此铺上聚四氟乙烯布和透气毡，并打好真空袋进行密封和抽真空，利用大气压强加压。
步骤八、按照可折叠纤维增强树脂基复合材料管所用预浸料的固化工艺规程，利用复合材料阴模模具自加热的方法进行升温固化。
步骤九、固化完毕后冷却至室温之后，得到可折叠纤维增强树脂基复合材料管半片。
步骤十、将制备好的两个可折叠纤维增强树脂基复合材料管半片上下对称放置并通过胶黏剂进行胶接，最终得到完整的可折叠纤维增强树脂基复合材料管。
其中，在步骤一中所述的“种可折叠纤维增强树脂基复合材料管”由上下对称的两个“Ω”型纤维增强树脂基复合材料半片组成，属于一种薄壁结构，这种构型具有可折叠的功能；在步骤一中所述的“阳模”为“Ω”型，其横截面形状参数可根据可折叠纤维增强树脂基复合材料管的横截面的几何形状选取并加工，该阳模的材料可以选取金属和非金属，可根据阳模的具体加工精度要求选取。
其中，在步骤二中所述的“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层”为纤维增强树脂基复合材料，也可以为纯树脂材料，“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层”所用树脂的使用温度范围需要根据要成型的可折叠纤维增强树脂基复合材料管所用材料的固化温度要求选取，而且要高于可折叠纤维增强树脂基复合材料管所用材料的固化温度；在步骤二中所述的“翻边”高度尺寸与“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层”宽度尺寸之比应不小于1/9，是为了保证“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层”精度要求。
其中，在步骤三中所述的“加热电阻”由金属材料制成，通过调节电压可控制加热的功率，起到加热热源的作用；在步骤三中所述的“导热介质”为分散的颗粒材料，所用材料应选择热传导系数高的材料，起均匀传热的作用，使在模具自加热的时候整体温度分布更为均匀；在步骤三中所述的“树脂”应与步骤一中的“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层”和步骤四中的“保温层”所用的树脂材料体系具有相容性，保证彼此之间形成良好的连接界面。
其中，在步骤四中所述“多层结构”由纤维增强树脂基复合材料阴模型面层、电加热层和保温层组成；在步骤四中所述的“保温层”为纤维增强树脂基复合材料，也可以为纯树脂材料，所用材料应选择热传导系数低的材料，可起到保温的作用，进而提高模具的加热效率。
其中，在步骤五中所述的“金属钢架”起加固作用，由钢材制成；在步骤五中所述的“复合材料阴模模具”由多层结构和金属钢架构成。
其中，在步骤七中所述的“铺层方案”通常是均衡对称的铺层方案，具体的铺层层数、铺层角度和铺层比例要根据需要实现的指标进行设计；在步骤七中所述的“预浸料”是指使用树脂在严格控制的条件下浸渍纤维布，制成树脂与纤维布的组合体，是制造复合材料的中间材料；在步骤七中所述的“聚四氟乙烯布”是具有耐热、抗酸碱、抗各种有机溶剂的特点，因此，不会与树脂发生反应，起到隔离作用；在步骤七中所述的“透气毡”起到导气的作用，有利于抽真空。
其中，在步骤八中所述的“固化工艺规程”是指对预浸料在整个固化过程中相关工艺参数的规定，每种型号的预浸料都对应有与之相匹配的固化工艺规程。
其中，在步骤十中所述的“胶黏剂”为环氧树脂胶黏剂、环氧酚醛胶黏剂、聚酰亚胺胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂或有机硅树脂胶黏剂，具体选择何种类型的胶黏剂主要根据所选择可折叠纤维增强树脂基复合材料管的材料确定，要与其相匹配。
本发明一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法，有益效果是可通过模具自加热的方法升温固化，从而大幅降低大尺寸的可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型成本和提高操作实施场地的机动灵活性。
附图说明
图1是本发明所述方法的流程框图。
图2是可折叠纤维增强树脂基复合材料管的几何构型图。
图3是阳模示意图。
图4是一体化的多层结构示意图。
图5是一体化的多层结构的横截面示意图。
图6是金属框架示意图。
图7是复合材料阴模模具示意图。
图2中：1.中间弧段，2.连接边；
图5中：3.纤维增强树脂基复合材料阴模型面层，4.电加热层，5.保温层；
图7中：6.多层结构，7.金属框架。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明做出进一步的说明。
本发明的流程图如图1所示，首先加工阳模，利用阳模翻制纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3，再依此铺电加热层4和保温层5形成一体化的多层结构6，将多层结构7的保温层5一侧用金属钢架7进行加固，并对型面进行后固化处理和精加工，得到可自加热的复合材料阴模模具，再在复合材料阴模模具上铺覆预浸料、聚四氟乙烯布和透气毡，打真空袋抽真空，按照预浸料固化工艺规程升温固化，得到可折叠纤维增强树脂基复合材料管半片，将两个可折叠纤维增强树脂基复合材料管半片上下对称放置并进行胶接，最终得到完整的可折叠纤维增强树脂基复合材料管。在图2中，可折叠纤维增强树脂基复合材料管由两片相同的“Ω”型半片组成，其半片由连接边1和中间弧段2组成。在图4中，一体化的多层结构6由纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3、电加热层4、保温层5组成。在图7中，可进行自加热的复合材料阴模模具由多层结构6和金属钢架7组成。本发明的具体实施步骤如下：
步骤一、按照设计的可折叠纤维增强树脂基复合材料管的横截面形状加工阳模，如图3所示。
其中，在步骤一中所述的“可折叠纤维增强树脂基复合材料管”由上下对称的两个“Ω”型纤维增强树脂基复合材料半片组成，属于一种薄壁结构，这种构型具有可折叠的功能；在步骤一中所述的“阳模”为“Ω”型，其横截面形状参数可根据可折叠纤维增强树脂基复合材料管的横截面的几何形状选取并加工，该阳模的材料可以选取金属和非金属，可根据阳模的具体加工精度要求选取。
步骤二、利用阳模翻制纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3。阴模型面层3两侧必须设计翻边，可以提高纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3抗热变形的能力，进而提高纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3的尺寸精度以及后续制备可折叠纤维增强树脂基复合材料管的尺寸精度。
其中，在步骤二中所述的“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3”为纤维增强树脂基复合材料，也可以为纯树脂材料，纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3所用树脂的使用温度范围需要根据要成型的可折叠纤维增强树脂基复合材料管所用材料的固化温度要求选取，而且要高于可折叠纤维增强树脂基复合材料管所用材料的固化温度；在步骤二中所述的“翻边”高度尺寸与“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3”宽度尺寸之比应不小于1/9，是为了保证“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3”精度要求。
步骤三、在纤维增强树脂基复合材料阴模型面层上铺由加热电阻、导热介质和树脂构成的电加热层4并加热固化，使电加热层4与纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3形成一体。
其中，在步骤三中所述的“加热电阻”由金属材料制成，通过调节电压可控制加热的功率，起到加热热源的作用；在步骤三中所述的“导热介质”为分散的颗粒材料，所用材料应选择热传导系数高的材料，起均匀传热的作用，使在模具自加热的时候整体温度分布更为均匀；在步骤三中所述的“树脂”应与步骤一中的纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3和步骤四中的保温层5所用的树脂材料体系具有相容性，保证彼此之间形成良好的连接界面。
步骤四、在电加热层4和上铺保温层5并加热固化，使纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3、电加热层4和保温层5形成一体，然后将由一体化的由纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3、电加热层4和保温层5组成的多层结构6从阳模上取下，如图4和图5所示。
其中，在步骤四中所述“多层结构6”由纤维增强树脂基复合材料阴模型面层3、电加热层4和保温层5组成；在步骤四中所述的“保温层5”为纤维增强树脂基复合材料，也可以为纯树脂材料，所用材料应选择热传导系数低的材料，可起到保温的作用，进而提高模具的加热效率。
步骤五、将多层结构6的保温层5一侧固定到金属钢架7上进行加固，以保证复合材料阴模模具的刚度，如图6和图7所示。
其中，在步骤五中所述的“金属钢架7”起加固作用，由钢材制成；在步骤五中所述的“复合材料阴模模具”由多层结构6和金属钢架7构成。
步骤六、将复合材料阴模模具反复进行3至5次的后固化处理，如果精度要求不高，可减少后固化处理的次数，完成后固化处理后对阴模型面层3进行精加工，最终得到满足精度要求的复合材料阴模模具，该模具通过加热层进行自加热。
步骤七、按照设计的可折叠纤维增强树脂基复合材料管的铺层方案将预浸料铺覆在可进行自加热的整体复合材料阴模模具上，预浸料铺覆好之后，依此铺上聚四氟乙烯布和透气毡，并打好真空袋进行密封和抽真空，利用大气压强加压。
其中，在步骤七中所述的“铺层方案”通常是均衡对称的铺层方案，具体的铺层层数、铺层角度和铺层比例要根据需要实现的指标进行设计；在步骤七中所述的“预浸料”是指使用树脂在严格控制的条件下浸渍纤维布，制成树脂与纤维布的组合体，是制造复合材料的中间材料；在步骤七中所述的“聚四氟乙烯布”是具有耐热、抗酸碱、抗各种有机溶剂的特点，因此，不会与树脂发生反应，起到隔离作用；在步骤七中所述的“透气毡”起到导气的作用，有利于抽真空；在步骤七中所述的“预浸料”的纤维布可以是碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维或植物纤维，“预浸料”的树脂可以是环氧树脂、聚酰亚胺、热塑性聚氨酯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮或聚乙烯醇。
步骤八、按照可折叠纤维增强树脂基复合材料管所用预浸料的固化工艺规程，利用复合材料阴模模具自加热的方法进行升温固化。
其中，在步骤八中所述的“固化工艺规程”是指对预浸料在整个固化过程中相关工艺参数的规定，每种型号的预浸料都对应有与之相匹配的固化工艺规程。
步骤九、固化完毕后冷却至室温之后，得到可折叠纤维增强树脂基复合材料管半片。
步骤十、将制备好的两个可折叠纤维增强树脂基复合材料管半片上下对称放置并通过胶黏剂进行胶接，最终得到完整的可折叠纤维增强树脂基复合材料管。
其中，在步骤十中所述的“胶黏剂”为环氧树脂胶黏剂、环氧酚醛胶黏剂、聚酰亚胺胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂或有机硅树脂胶黏剂，具体选择何种类型的胶黏剂主要根据所选择可折叠纤维增强树脂基复合材料管的材料确定，要与其相匹配。

Claims (7)

1.一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一、按照设计的可折叠纤维增强树脂基复合材料管的横截面形状加工阳模。
步骤二、利用阳模翻制纤维增强树脂基复合材料阴模型面层。纤维增强树脂基复合材料阴模型面层两侧必须设计翻边，可以提高纤维增强树脂基复合材料阴模型面层抗热变形的能力，进而提高纤维增强树脂基复合材料阴模型面层的尺寸精度以及后续制备可折叠纤维增强树脂基复合材料管的尺寸精度。
步骤三、在纤维增强树脂基复合材料阴模型面层上铺由加热电阻、导热介质和树脂构成的电加热层并加热固化，使电加热层与纤维增强树脂基复合材料阴模型面层形成一体。
步骤四、在电加热层和上铺保温层并加热固化，使纤维增强树脂基复合材料阴模型面层、电加热层和保温层形成一体，然后将由一体化的由纤维增强树脂基复合材料阴模型面层、电加热层和保温层组成的多层结构从阳模上取下。
步骤五、将多层结构的保温层一侧固定到金属钢架上进行加固，以保证复合材料阴模模具的刚度。
步骤六、将复合材料阴模模具反复进行3至5次的后固化处理，如果精度要求不高，可减少后固化处理的次数，完成后固化处理后对阴模型面层进行精加工，最终得到满足精度要求的复合材料阴模模具，该模具通过加热层进行自加热。
步骤七、按照设计的可折叠纤维增强树脂基复合材料管的铺层方案将预浸料铺覆在可进行自加热的整体复合材料阴模模具上，预浸料铺覆好之后，依此铺上聚四氟乙烯布和透气毡，并打好真空袋进行密封和抽真空，利用大气压强加压。
步骤八、按照可折叠纤维增强树脂基复合材料管所用预浸料的固化工艺规程，利用复合材料阴模模具自加热的方法进行升温固化。
步骤九、固化完毕后冷却至室温之后，得到可折叠纤维增强树脂基复合材料管半片。
步骤十、将制备好的两个可折叠纤维增强树脂基复合材料管半片上下对称放置并通过胶黏剂进行胶接，最终得到完整的可折叠纤维增强树脂基复合材料管。
其中，在步骤一中所述的“种可折叠纤维增强树脂基复合材料管”由上下对称的两个“Ω”型纤维增强树脂基复合材料半片组成，属于一种薄壁结构，这种构型具有可折叠的功能；在步骤一中所述的“阳模”为“Ω”型，其横截面形状参数可根据可折叠纤维增强树脂基复合材料管的横截面的几何形状选取并加工，该阳模的材料可以选取金属和非金属，可根据阳模的具体加工精度要求选取。
其中，在步骤二中所述的“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层”为纤维增强树脂基复合材料，也可以为纯树脂材料，“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层”所用树脂的使用温度范围需要根据要成型的可折叠纤维增强树脂基复合材料管所用材料的固化温度要求选取，而且要高于可折叠纤维增强树脂基复合材料管所用材料的固化温度；在步骤二中所述的“翻边”高度尺寸与“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层”宽度尺寸之比应不小于1/9，是为了保证“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层”精度要求。
其中，在步骤三中所述的“加热电阻”由金属材料制成，通过调节电压可控制加热的功率，起到加热热源的作用；在步骤三中所述的“导热介质”为分散的颗粒材料，所用材料应选择热传导系数高的材料，起均匀传热的作用，使在模具自加热的时候整体温度分布更为均匀；在步骤三中所述的“树脂”应与步骤一中的“纤维增强树脂基复合材料阴模型面层”和步骤四中的“保温层”所用的树脂材料体系具有相容性，保证彼此之间形成良好的连接界面。
其中，在步骤四中所述“多层结构”由纤维增强树脂基复合材料阴模型面层、电加热层和保温层组成；在步骤四中所述的“保温层”为纤维增强树脂基复合材料，也可以为纯树脂材料，所用材料应选择热传导系数低的材料，可起到保温的作用，进而提高模具的加热效率。
其中，在步骤五中所述的“金属钢架”起加固作用，由钢材制成；在步骤五中所述的“复合材料阴模模具”由多层结构和金属钢架构成。
2.根据权利要求1所述的一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法，其特征在于：在步骤七中所述的“铺层方案”通常是均衡对称的铺层方案，具体的铺层层数、铺层角度和铺层比例要根据需要实现的指标进行设计。
3.根据权利要求1所述的一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法，其特征在于：在步骤七中所述的“预浸料”是指使用树脂在严格控制的条件下浸渍纤维布，制成树脂与纤维布的组合体，是制造复合材料的中间材料，“预浸料”的纤维布可以是碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维或植物纤维，“预浸料”的树脂可以是环氧树脂、聚酰亚胺、热塑性聚氨酯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮或聚乙烯醇。
4.根据权利要求1所述的一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法，其特征在于：在步骤七中所述的“聚四氟乙烯布”是具有耐热、抗酸碱、抗各种有机溶剂的特点，因此，不会与树脂发生反应，起到隔离作用。
5.根据权利要求1所述的一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法，其特征在于：在步骤七中所述的“透气毡”起到导气的作用，有利于抽真空。
6.根据权利要求1所述的一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法，其特征在于：在步骤八中所述的“固化工艺规程”是指对预浸料在整个固化过程中相关工艺参数的规定，每种型号的预浸料都对应有与之相匹配的固化工艺规程。
7.根据权利要求1所述的一种可折叠纤维增强树脂基复合材料管的成型方法，其特征在于：在步骤十中所述的“胶黏剂”为环氧树脂胶黏剂、环氧酚醛胶黏剂、聚酰亚胺胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂或有机硅树脂胶黏剂，具体选择何种类型的胶黏剂主要根据所选择可折叠纤维增强树脂基复合材料管的材料确定，要与其相匹配。
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