CN112265292A - 一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，包括以下步骤：1）制备具有可铺覆性的石墨烯层压料；2）利用若干层交替铺叠的石墨烯层压料和碳纤维预制体制备成蒙皮预制体；3）以高导电碳纳米石墨烯纤维为缝线，对蒙皮预制体进行二维缝合，获得纤维预制体；4）利用RFI液体成型工艺加工纤维预制体，获得石墨烯吸波复合材料蒙皮。本发明以大尺寸石墨烯材料等为原料，创新结合现有复合材料预制体成型技术及树脂熔融渗透（RFI）液体成型方法。该方法兼具前沿性、可操作性及实用性适宜广泛推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及航空材料制造技术领域，具体是指一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法。
背景技术
大力发展轻质、宽频雷达隐身吸波材料一直以来都是航空航天制造技术的一个重要课题。其基本工作原理是通过材料的电磁参数调节设计将入射电磁波限制在材料内部，并通过各种损耗机制将电磁能转化成热能等形式损耗掉。航空航天用吸波材料通常可分为涂层型材料及结构型材料。早期吸波材料主要为吸波涂层材料，其有效吸波成分为金属铁氧体，此类材料存在密度大、易脱落、耐湿热氧化性差等缺点。因而后期的发展目标主要集中于吸波材料的结构-功能一体化改进。近年来基于吸波铁蜂窝的夹层结构材料已逐步得到应用，但此类材料也显著增加了零件的质量，并且吸波频宽有待提高。为了解决上述问题，研究者陆续尝试将石墨烯材料应用到航空航天吸波技术研究中，然而其实际应用仍然受到多方面的限制，主要原因包括其低频吸波性能差及石墨烯粉体难以与复合材料共固化成型等。
复合材料吸波蒙皮可用于大量替代现有蒙皮表面喷涂吸波涂层，以实现复合材料吸波功能-结构一体化。然而，与大量蜂窝夹层吸波复合材料技术研究相比，吸波蒙皮的技术研究较少，也未有将液体成型技术运用到此类零件制造中的报道，因而该研究具有重要意义。此外，传统粉体石墨烯难以与复合材料共固化成型蒙皮类结构，而考虑到石墨烯薄膜及纤维等宏观石墨烯材料优良的电磁吸波性能及可成形性，可将其运用到复合材料吸波蒙皮制造技术中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于石墨烯技术与液体成型技术的石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法。
本发明通过下述技术方案实现：一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，包括以下步骤：
（1）制备具有可铺覆性的石墨烯层压料；
（2）利用若干层交替铺叠的石墨烯层压料和碳纤维预制体制备成蒙皮预制体；
（3）以高导电碳纳米石墨烯纤维为缝线，对蒙皮预制体进行二维缝合，获得纤维预制体；
（4）利用RFI液体成型工艺加工纤维预制体，获得石墨烯吸波复合材料蒙皮。
本技术方案基于石墨烯技术与液体成型技术，首先制备具有可铺覆性的石墨烯薄膜层压料，随后通过结构设计将石墨烯层压料与不同功能纤维预制体铺叠并预压实，随后通过二维缝合技术保证蒙皮预制体Z向导电性及层间强度，最后通过RFI液体成型工艺实现吸波蒙皮的固化成型。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（1）中，制备具有可铺覆性的石墨烯层压料的具体过程为：
（1.1）取厚度适宜的石墨烯单层薄膜，将裁剪成适宜大小；
（1.2）在室温条件下，平整铺覆于带有粘性的增韧树脂膜上；
（1.3）待铺覆完毕后，在石墨烯薄膜另一面也铺上相同材质的带有粘性的增韧树脂膜；
（1.4）铺覆完毕后，保留树脂膜两侧背衬纸，即得具有可铺覆性的石墨烯层压料。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（1.1）中，所取石墨烯单层薄膜的厚度为0.1mm，裁剪成1000*1000mm的正方体薄膜。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（1.2）中，平整铺覆于带有粘性的增韧树脂膜的面密度为45g/m2。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述带有粘性的增韧树脂膜为双马来酰亚胺树脂膜。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（2）中，制备成蒙皮预制体的具体过程为：
（2.1）将4层石墨烯层压料与5层碳纤维预制体交替铺叠，铺叠完成后采用真空袋密封，抽真空至≤0.0001 MPa后，加热至60℃，提供2~4 bar压力进行预压实；
（2.2）在原有预制体一侧表面交替铺覆5层石英纤维预制体及4层增韧树脂膜，完成后采用真空袋密封，抽真空至≤0.0001 MPa后，加热至60℃，提供3~5 bar压力进行预压实；
（2.3）保证操作过程中，后续缝合处无带有粘性的增韧树脂膜。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（3）中，蒙皮预制体进行二维缝合的具体过程为：选用600旦导电碳纳米石墨烯纤维作为缝线，缝合速度为25~30针/分钟，缝线距离为6~8mm，缝合区域为蒙皮四周距边缘10~18mm处，缝线共两排，间距为6~8mm。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（4）中，利用RFI液体成型工艺加工纤维预制体的具体过程为：
（4.1）在纤维预制体上表面覆盖高密度热固性树脂膜，铺放层数为1层，双马来酰亚胺树脂膜边缘采用腻子条封边；
（4.2）接着采用真空袋对其进行封袋，抽真空后，置于热压罐设备中热压固化，固化温度为180~220℃，固化时间为4~6 h；
（4.3）脱模后，得到石墨烯吸波复合材料蒙皮，所述石墨烯吸波复合材料蒙皮的纤维体积分数为52~55%。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（4.1）中的高密度热固性树脂膜为面密度为1200g/m2双马来酰亚胺树脂膜。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）本发明建立吸波复合材料蒙皮技术，替代原有蒙皮吸波涂层技术，实现复合材料结构-吸波功能一体化；
（2）本发明选用大尺寸石墨烯薄膜及石墨烯纤维材料为有效吸波成分，替代原有粉体石墨烯材料，成型工艺性及吸波性能均获得提升；
（3）本发明采用RFI工艺中常用的增韧树脂膜，提升石墨烯无机材料与树脂基复合材料界面结合性能，满足吸波材料结构强度要求；
（4）本发明采用石墨烯纤维缝合技术，提升石墨烯复合材料抗分层能力，并构建复合材料内部石墨烯三维导电网络，有助于提升吸波强度；
（5）本发明借用复合材料RFI液体成型技术，实现石墨烯吸波复合材料与低成本液体成型技术的结合，适宜广泛推广应用。
具体实施方式
为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本实施例提供了一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，包括以下步骤：
（1）石墨烯层压料制备：将裁剪好的石墨烯单层薄膜平整铺覆于带有粘性的增韧树脂膜上，待一侧铺覆完毕后，在石墨烯薄膜另一面也铺上相同材质的树脂膜。铺覆完毕后，保留树脂膜两侧背衬纸，并裁剪成相应尺寸备用。
（2）蒙皮预制体铺叠：将石墨烯层压料与碳纤维预制体交替铺叠，铺叠完成后采用真空袋封袋，抽真空后加热预压实。完成上述步骤后，在预制体一侧表面交替铺覆石英纤维预制体及前述所用增韧树脂膜，形成透波层。完成上述工作后再次采用真空袋密封，抽真空后加热预压实。上述操作过程需保证后续缝合处无石墨烯薄膜及增韧树脂膜。
（3）预制体缝合：将上一步骤所得预制体置于二维缝合编织设备，以高导电碳纳米石墨烯纤维为缝线，对预制体进行二维缝合，缝合方式为锁式缝合。
（4）RFI液体成型：在缝合好的纤维预制体上覆盖高密度热固性树脂膜，采用真空袋对其进行封袋，抽真空后，置于热压罐设备中热压固化，脱模后，得到产品。
实施例2：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤（1）中，制备具有可铺覆性的石墨烯层压料的具体过程为：
（1.1）取厚度适宜的石墨烯单层薄膜，将裁剪成适宜大小；
（1.2）在室温条件下，平整铺覆于带有粘性的增韧树脂膜上；
（1.3）待铺覆完毕后，在石墨烯薄膜另一面也铺上相同材质的带有粘性的增韧树脂膜；
（1.4）铺覆完毕后，保留树脂膜两侧背衬纸，即得具有可铺覆性的石墨烯层压料。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤（1.1）中，所取石墨烯单层薄膜的厚度为0.1mm，裁剪成1000*1000mm的正方体薄膜。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤（1.2）中，平整铺覆于带有粘性的增韧树脂膜的面密度为45g/m2。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。
实施例5：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述带有粘性的增韧树脂膜为双马来酰亚胺树脂膜。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。
实施例6：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤（2）中，制备成蒙皮预制体的具体过程为：
（2.1）将4层石墨烯层压料与5层碳纤维预制体交替铺叠，铺叠完成后采用真空袋密封，抽真空至≤0.0001 MPa后，加热至60℃，提供2~4 bar压力进行预压实；
（2.2）在原有预制体一侧表面交替铺覆5层石英纤维预制体及4层增韧树脂膜，完成后采用真空袋密封，抽真空至≤0.0001 MPa后，加热至60℃，提供3~5 bar压力进行预压实；
（2.3）保证操作过程中，后续缝合处无带有粘性的增韧树脂膜。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。
实施例7：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤（3）中，蒙皮预制体进行二维缝合的具体过程为：选用600旦导电碳纳米石墨烯纤维作为缝线，缝合速度为25~30针/分钟，缝线距离为6~8mm，缝合区域为蒙皮四周距边缘10~18mm处，缝线共两排，间距为6~8mm。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。
实施例8：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤（4）中，利用RFI液体成型工艺加工纤维预制体的具体过程为：
（4.1）在纤维预制体上表面覆盖高密度热固性树脂膜，铺放层数为1层，双马来酰亚胺树脂膜边缘采用腻子条封边；
（4.2）接着采用真空袋对其进行封袋，抽真空后，置于热压罐设备中热压固化，固化温度为180~220℃，固化时间为4~6 h；
（4.3）脱模后，得到石墨烯吸波复合材料蒙皮，所述石墨烯吸波复合材料蒙皮的纤维体积分数为52~55%。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。
实施例9：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤（4.1）中的高密度热固性树脂膜为面密度为1200g/m2双马来酰亚胺树脂膜。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备具有可铺覆性的石墨烯层压料；
（2）利用若干层交替铺叠的石墨烯层压料和碳纤维预制体制备成蒙皮预制体；
（3）以高导电碳纳米石墨烯纤维为缝线，对蒙皮预制体进行二维缝合，获得纤维预制体；
（4）利用RFI液体成型工艺加工纤维预制体，获得石墨烯吸波复合材料蒙皮。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，其特征在于，所述步骤（1）中，制备具有可铺覆性的石墨烯层压料的具体过程为：
（1.1）取厚度适宜的石墨烯单层薄膜，将裁剪成适宜大小；
（1.2）在室温条件下，平整铺覆于带有粘性的增韧树脂膜上；
（1.3）待铺覆完毕后，在石墨烯薄膜另一面也铺上相同材质的带有粘性的增韧树脂膜；
（1.4）铺覆完毕后，保留树脂膜两侧背衬纸，即得具有可铺覆性的石墨烯层压料。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，其特征在于，所述步骤（1.1）中，所取石墨烯单层薄膜的厚度为0.1mm，裁剪成1000*1000mm的正方体薄膜。
4.根据权利要求2或3所述的一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，其特征在于，所述步骤（1.2）中，平整铺覆于带有粘性的增韧树脂膜的面密度为45g/m2。
5.根据权利要求2或3所述的一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，其特征在于，所述带有粘性的增韧树脂膜为双马来酰亚胺树脂膜。
6.根据权利要求1~3任一项所述的一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，其特征在于，所述步骤（2）中，制备成蒙皮预制体的具体过程为：
（2.1）将4层石墨烯层压料与5层碳纤维预制体交替铺叠，铺叠完成后采用真空袋密封，抽真空至≤0.0001 MPa后，加热至60℃，提供2~4 bar压力进行预压实；
（2.2）在原有预制体一侧表面交替铺覆5层石英纤维预制体及4层增韧树脂膜，完成后采用真空袋密封，抽真空至≤0.0001 MPa后，加热至60℃，提供3~5 bar压力进行预压实；
（2.3）保证操作过程中，后续缝合处无带有粘性的增韧树脂膜。
7.根据权利要求1~3任一项所述的一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，其特征在于，所述步骤（3）中，蒙皮预制体进行二维缝合的具体过程为：选用600旦导电碳纳米石墨烯纤维作为缝线，缝合速度为25~30针/分钟，缝线距离为6~8mm，缝合区域为蒙皮四周距边缘10~18mm处，缝线共两排，间距为6~8mm。
8.根据权利要求5所述的一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，其特征在于，所述步骤（4）中，利用RFI液体成型工艺加工纤维预制体的具体过程为：
（4.1）在纤维预制体上表面覆盖高密度热固性树脂膜，铺放层数为1层，双马来酰亚胺树脂膜边缘采用腻子条封边；
（4.2）接着采用真空袋对其进行封袋，抽真空后，置于热压罐设备中热压固化，固化温度为180~220℃，固化时间为4~6 h；
（4.3）脱模后，得到石墨烯吸波复合材料蒙皮，所述石墨烯吸波复合材料蒙皮的纤维体积分数为52~55%。
9.根据权利要求8所述的一种石墨烯吸波复合材料蒙皮成型方法，其特征在于，所述步骤（4.1）中的高密度热固性树脂膜为面密度为1200g/m2双马来酰亚胺树脂膜。
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