CN111958887A - 高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具及制备方法，涉及复合材料成型模具的技术领域，通过获取炭泡沫模具基体，在炭泡沫模具基体上制备粗接触面，获取预浸润的第一蒙皮纤维织物，将第一蒙皮纤维织物缠绕在炭泡沫模具基体上并至少覆盖粗接触面，形成粗接触面之上的粘接层，获取第二蒙皮纤维织物，将第二蒙皮纤维织物浸润成型，在粘接层上涂覆粘接剂并形成平滑接触面，再将浸润成型的第二蒙皮纤维织物铺设在平滑接触面上，高温固化处理并得到炭泡沫复合材料模具。炭泡沫模具基体与复合材料蒙皮之间不易出现变形脱离的问题，从而提高了模具成型的精度，提升了产品的成品率。

Description

高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具及制备方法
技术领域
本发明涉及新型复合材料领域，尤其是涉及一种可实现高精度、高成品率的新型炭泡沫复合材料模具及该炭泡沫复合材料模具的制备方法、制备工艺。
背景技术
先进复合材料因其优良性能得到了迅速发展，并已成为航空航天领域的基本材料。广泛使用复合材料，需要在保障复合材料高质量结构的基础上继续降低其产品成本，在复合材料的产品成本中，大约75％来源于成型工艺。
复合材料模具(Composite tooling)广泛应用于地铁车厢、风机叶片等领域，现有的复合材料模具多采用石膏、伐木等材质，与合金钢模具相比，这种材质的复合材料模具成本大幅降低，但是复合材料模具的热膨胀系数匹配度较差，制备出的产品性能一般。
为了提升复合材料模具的热膨胀系数的匹配度，近年行业中提出了基于炭泡沫的复合材料模具，在炭泡沫复合材料模具的制备过程中，大面积的蒙皮纤维织物不易定型，在高温成型及后处理的过程中，蒙皮纤维织物与炭泡沫模具基体之间易变形脱离，造成炭泡沫复合材料模具制备缺陷，进而影响了炭泡沫模具成品的制备精度和成品率。
发明内容
本发明旨在提出一种高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具及制备方法，以缓解现有的炭泡沫复合材料模具在高温定型和后处理过程中，蒙皮纤维织物与炭泡沫模具基体之间易变形的技术问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，包括如下步骤：
获取炭泡沫模具基体；
在炭泡沫模具基体上制备粗接触面；
获取预浸润的第一蒙皮纤维织物，将第一蒙皮纤维织物缠绕在炭泡沫模具基体上并至少覆盖粗接触面，形成粗接触面之上的粘接层；
获取第二蒙皮纤维织物，将第二蒙皮纤维织物浸润成型；
在粘接层上涂覆粘接剂并形成平滑接触面，再将浸润成型的第二蒙皮纤维织物铺设在平滑接触面上；
高温固化处理并得到炭泡沫复合材料模具。
进一步的，所述炭泡沫模具基体通过中间相沥青或原煤或有机物作前驱体，经过发泡泡沫、炭化、石墨化制备得到。
进一步的，所述炭泡沫模具基体的密度为0.2g-0.8g/cm3；所述炭泡沫模具基体的压缩强度至少为1.5Mpa。
进一步的，所述在炭泡沫模具基体上制备的粗接触面为平面。
进一步的，所述第一蒙皮纤维织物为复合纤维束，所述第一蒙皮纤维织物的缠绕制备得到的粘接层的层厚小于5mm。
进一步的，所述复合纤维束包括玻璃纤维束或石英纤维束或碳纤维束。
进一步的，所述第二蒙皮纤维织物为斜纹布层和/或缎纹布层；所述第二蒙皮纤维织物包括玻璃纤维织物层或石英纤维织物层或碳纤维织物层。
进一步的，所述在粘接层上涂覆粘接剂并形成平滑接触面的步骤包括：
在粘接层上涂覆粘接剂，所述粘接剂至少填充粘接层上第一蒙皮纤维织物的缠绕缝隙，所述粘接剂包括耐高温树脂，所述耐高温树脂至少满足180°高温固化成型条件。
进一步的，所述再将浸润成型的第二蒙皮纤维织物铺设在平滑接触面上的步骤还包括：
在将浸润成型的第二蒙皮纤维织物采用铺贴成型或缠绕成型的方式铺设在平滑接触面上；
将第二蒙皮纤维织物采用单边辊压或中心辊压的方式压实在平滑接触面上，并使第二蒙皮纤维织物与第一蒙皮纤维织物接触。
本发明还提供一种高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具，该模具通过上述任一种方法制备得到。
相对于现有技术，本发明所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法具有以下优势：
(1)本发明所述的模具制备方法先在炭泡沫模具基体上制备粗接触面，将预浸润的第一蒙皮纤维织物缠绕在炭泡沫模具基体的粗接触面上并获得粘接层，粘接层与炭泡沫模具基体之间的粘结强度可以通过第一蒙皮纤维织物的缠绕强度保证，即第一蒙皮纤维织物与炭泡沫模具基体之间不易出现变形脱离的问题，同时粘接层上通过粘接剂与第二蒙皮纤维织物连接，由于第一蒙皮纤维织物与第二蒙皮纤维织物材质相同或近似，其热膨胀系数相同或近似，因而在后续的高温固化处理及后处理过程中，第一蒙皮纤维织物与第二蒙皮纤维织物之间的连接牢固度高，不易出现变形脱离的问题。
(2)本发明所述的模具制备方法制备工艺流程简单、蒙皮纤维织物定型标准，在于炭泡沫模具基体的粘接过程中不会变形，粘接牢固，提升了产品的精度和成品率。
(3)本发明所述的模具制备方法制备得到的模具，重量轻，产品定型精准，模具本身质量稳定不易变形。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法的流程示意图；
图3为发明实施例一所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具的局部结构示意图；
图4为发明实施例二所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具的局部结构示意图。
附图标记说明：
10-炭泡沫模具基体；11-第一蒙皮纤维织物；12-第二蒙皮纤维织物；13-粘接层；14-软质伐木。
具体实施方式
下面将结合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。
实施例一
本实施例所要解决的技术问题是，炭泡沫复合材料模具的制备过程中，大面积的蒙皮纤维织物不易定型，在高温成型及后处理的过程中，蒙皮纤维织物与炭泡沫模具基体10之间易变形脱离，造成炭泡沫复合材料模具制备缺陷。
为了解决上述技术问题，本实施例提供了一种炭泡沫复合材料模具制备方法高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
S110：获取炭泡沫模具基体10。
所述炭泡沫模具基体10通过中间相沥青或原煤或有机物作前驱体，经过发泡泡沫、炭化、石墨化制备得到。
所述炭泡沫模具基体10的密度为0.2g-0.8g/cm3，所述炭泡沫模具基体10的压缩强度至少为1.5Mpa。
S120：在炭泡沫模具基体10上制备粗接触面，所述粗接触面为平面或弧度较小的曲面。
S130：获取预浸润的第一蒙皮纤维织物11，将第一蒙皮纤维织物11缠绕在炭泡沫模具基体10上并至少覆盖粗接触面，形成粗接触面之上的粘接层13。
所述第一蒙皮纤维织物11为复合纤维束，所述第一蒙皮纤维织物11的缠绕制备得到的粘接层13的层厚小于5mm。
所述复合纤维束优选采用碳纤维束，也可以使用玻璃纤维束或石英纤维束。
在粗接触面上涂覆粘接剂，在将第一蒙皮纤维织物11缠绕在炭泡沫模具基体10上，即第一蒙皮纤维织物11与炭泡沫模具基体10的连接力来自与粘接剂的粘接作用及第一蒙皮纤维织物11的缠绕力。
S140：获取第二蒙皮纤维织物12，将第二蒙皮纤维织物12浸润成型。
蒙皮纤维织物预浸润成型，使得最终的炭泡沫复合材料模具的成型面更好，但是预浸润成型的蒙皮纤维织物与底部的炭泡沫模具基体支架你的粘接牢固度存在不足，易出现变形脱离问题。因而本方案采用了双层蒙皮纤维织物的方式来成型模具，底层蒙皮解决连接牢固的问题，顶层蒙皮解决模具定型的问题。
所述第二蒙皮纤维织物12为斜纹布层和/或缎纹布层，所述第二蒙皮纤维织物12包括玻璃纤维织物层或石英纤维织物层或碳纤维织物层。
S150：在粘接层13上涂覆粘接剂并形成平滑接触面，再将浸润成型的第二蒙皮纤维织物12铺设在平滑接触面上。
形成平滑接触面的步骤中，在粘接层13上涂覆粘接剂并静止至少30分钟。
所述粘接剂至少填充粘接层13上第一蒙皮纤维织物11的缠绕缝隙。
所述粘接剂包括耐高温树脂，所述耐高温树脂至少满足180°高温固化成型条件。
浸润成型的第二蒙皮纤维织物12的铺设方法可采用铺贴成型或缠绕成型的方式。
第二蒙皮纤维织物12铺设在平滑接触面上后，采用单边辊压或中心辊压的方式将第二蒙皮纤维织物12压实在平滑接触面上以使第二蒙皮纤维织物12与第一蒙皮纤维织物11接触，即通过压实的方式将粘接层13更多的渗入至第一蒙皮纤维织物11及第二蒙皮纤维织物12的纤维缝隙中，此压实方法在保证粘接层13粘接强度的同时，将第一蒙皮纤维织物11与第二蒙皮纤维织物12接触连接，使得第一蒙皮纤维织物11和第二蒙皮纤维织物12在高温固化处理及后处理的过程中，由于热膨胀系数相同或接近且中间层厚度较薄而不易出现变形脱离等缺陷。
S160：高温固化处理并得到炭泡沫复合材料模具。
所述高温固化处理之后，还包括后处理步骤，所述后处理步骤包括冷却处理。
如图3所示，本方法先在炭泡沫模具基体10上制备粗接触面，将预浸润的第一蒙皮纤维织物11缠绕在炭泡沫模具基体10的粗接触面上并获得粘接层13，粘接层13与炭泡沫模具基体10之间的粘结强度可以通过第一蒙皮纤维织物11的缠绕强度保证，第一蒙皮纤维织物11与炭泡沫模具基体10之间不易出现变形脱离的问题；同时粘接层13上通过粘接剂与第二蒙皮纤维织物12连接，由于第一蒙皮纤维织物11与第二蒙皮纤维织物12材质相同或近似，其热膨胀系数相同或近似，因而在后续的高温固化处理及后处理过程中，第一蒙皮纤维织物11与第二蒙皮纤维织物12之间的连接牢固度高，不易出现变形脱离的问题。
实施例二
本实施例所要解决的技术问题是，当第一蒙皮纤维织物11采用缠绕的方式包覆在炭泡沫模具基体10上的方式进行铺设连接时，第一蒙皮纤维织物11与炭泡沫模具基体10之间的连接牢固程度很高，但是，由于炭泡沫的热膨胀系数较高，在高温环境下炭泡沫对第一蒙皮纤维织物11的压力也很大，为了保证连接牢固度需要将第一蒙皮纤维织物11的缠绕强度加大，而为了减轻第一蒙皮纤维织物11在热环境下受到的炭泡沫模具基体10的压力需要减小第一蒙皮纤维织物11的缠绕强度，此矛盾造成第一蒙皮纤维织物11的缠绕强度控制难以掌握。
为了解决上述技术问题，本实施例提供了一种炭泡沫复合材料模具制备方法高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
S210：获取炭泡沫模具基体10。
S220：在炭泡沫模具基体10上制备粗接触面，在粗接触面两侧的炭泡沫模具基体10的侧壁上铺设软质伐木14，软质伐木14的设置位置如图4所示。
S230：获取预浸润的第一蒙皮纤维织物11，将第一蒙皮纤维织物11缠绕在炭泡沫模具基体10上并至少覆盖粗接触面及软质伐木14，形成粗接触面之上的粘接层13。
S240：获取第二蒙皮纤维织物12，将第二蒙皮纤维织物12浸润成型。
S250：在粘接层13上涂覆粘接剂并形成平滑接触面，再将浸润成型的第二蒙皮纤维织物12铺设在平滑接触面上。
S260：高温固化处理并得到炭泡沫复合材料模具。
通过上述方案，第一蒙皮纤维织物11在覆盖粗接触面的同时，至少还覆盖两侧的软质伐木14，通过软质伐木14的定型可以缓解热环境下炭泡沫模具基体10对第一蒙皮纤维织物11形成的粘接层13的膨胀压力。
同时，由于通常炭泡沫模具基体10两侧厚度较小，因而在第一蒙皮纤维织物11缠绕炭泡沫模具基体10时，缠绕压力集中在炭泡沫模具基体10的两侧侧边上，通过软质伐木14的设置还可以缓解既有的第一蒙皮纤维织物11对炭泡沫模具基体10的缠绕压力。因此，设置有软质伐木14的炭泡沫模具基体10，在缠绕第一蒙皮纤维织物11时可控制的缠绕压力范围较大，并可以将缠绕压力设置的偏大一些，因为软质伐木14可以抵消掉部分的炭泡沫模具基体10在高温环境下产生的膨胀压力。
实施例三
本实施例提供一种高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具，该模具由以下方法制备得到：
获取炭泡沫模具基体10；
在炭泡沫模具基体10上制备粗接触面；
获取预浸润的第一蒙皮纤维织物11，将第一蒙皮纤维织物11缠绕在炭泡沫模具基体10上并至少覆盖粗接触面，形成粗接触面之上的粘接层13；
获取第二蒙皮纤维织物12，将第二蒙皮纤维织物12浸润成型；
在粘接层13上涂覆粘接剂并形成平滑接触面，再将浸润成型的第二蒙皮纤维织物12铺设在平滑接触面上；
高温固化处理并得到炭泡沫复合材料模具。
本实施例的的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具，第一蒙皮纤维织物与炭泡沫模具基体之间不易出现变形脱离的问题，同时，由于第一蒙皮纤维织物与第二蒙皮纤维织物材质相同或近似，其热膨胀系数相同或近似，因而在后续的高温固化处理及后处理过程中，第一蒙皮纤维织物与第二蒙皮纤维织物之间的连接牢固度高。
实施例四
本实施例提供一种高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具，该模具由以下方法制备得到：
获取炭泡沫模具基体10。
在炭泡沫模具基体10上制备粗接触面，在粗接触面两侧的炭泡沫模具基体10的侧壁上铺设软质伐木14。
获取预浸润的第一蒙皮纤维织物11，将第一蒙皮纤维织物11缠绕在炭泡沫模具基体10上并至少覆盖粗接触面及软质伐木14，形成粗接触面之上的粘接层13。
获取第二蒙皮纤维织物12，将第二蒙皮纤维织物12浸润成型。
在粘接层13上涂覆粘接剂并形成平滑接触面，再将浸润成型的第二蒙皮纤维织物12铺设在平滑接触面上。
高温固化处理并得到炭泡沫复合材料模具。
本实施例制备得到的炭泡沫复合材料模具，通过软质伐木14可以抵消掉部分的炭泡沫模具基体10在高温环境下产生的膨胀压力，从而使得第一蒙皮纤维织物的缠绕强度可控范围较大，极大降低了对第一蒙皮纤维织物的缠绕难度，降低了炭泡沫复合材料模具的制造成本。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
获取炭泡沫模具基体；
在炭泡沫模具基体上制备粗接触面；
获取预浸润的第一蒙皮纤维织物，将第一蒙皮纤维织物缠绕在炭泡沫模具基体上并至少覆盖粗接触面，形成粗接触面之上的粘接层；
获取第二蒙皮纤维织物，将第二蒙皮纤维织物浸润成型；
在粘接层上涂覆粘接剂并形成平滑接触面，再将浸润成型的第二蒙皮纤维织物铺设在平滑接触面上；
高温固化处理并得到炭泡沫复合材料模具。
2.根据权利要求1所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，其特征在于：所述炭泡沫模具基体通过中间相沥青或原煤或有机物作前驱体，经过发泡泡沫、炭化、石墨化制备得到。
3.根据权利要求2所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，其特征在于：
所述炭泡沫模具基体的密度为0.2g-0.8g/cm3；
所述炭泡沫模具基体的压缩强度至少为1.5Mpa。
4.根据权利要求1所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，其特征在于：所述在炭泡沫模具基体上制备的粗接触面为平面。
5.根据权利要求1所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，其特征在于：所述第一蒙皮纤维织物为复合纤维束，所述第一蒙皮纤维织物的缠绕制备得到的粘接层的层厚小于5mm。
6.根据权利要求5所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，其特征在于：所述复合纤维束包括玻璃纤维束或石英纤维束或碳纤维束。
7.根据权利要求1所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，其特征在于：
所述第二蒙皮纤维织物为斜纹布层和/或缎纹布层；
所述第二蒙皮纤维织物包括玻璃纤维织物层或石英纤维织物层或碳纤维织物层。
8.根据权利要求1所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，其特征在于：所述在粘接层上涂覆粘接剂并形成平滑接触面的步骤包括：
在粘接层上涂覆粘接剂，所述粘接剂至少填充粘接层上第一蒙皮纤维织物的缠绕缝隙，所述粘接剂包括耐高温树脂，所述耐高温树脂至少满足180°高温固化成型条件。
9.根据权利要求8所述的高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具制备方法，其特征在于：所述再将浸润成型的第二蒙皮纤维织物铺设在平滑接触面上的步骤还包括：
在将浸润成型的第二蒙皮纤维织物采用铺贴成型或缠绕成型的方式铺设在平滑接触面上；
将第二蒙皮纤维织物采用单边辊压或中心辊压的方式压实在平滑接触面上，并使第二蒙皮纤维织物与第一蒙皮纤维织物接触。
10.一种高精度、高成品率的炭泡沫复合材料模具，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项方法制备得到的模具。
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