CN112454942A - 一种控制曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法，包括以下步骤：(1)将曲面金属蜂窝复合材料的原材料放置在成型模具上，在成型模具上封装真空袋并抽真空；(2)将成型模具送入热压罐中，对模具加压，以0.5‑2.0℃/min升温至140‑159℃，以0.3‑1.5℃/min升温至160‑174℃，以0.05‑0.5℃/min升温至175‑200℃，恒温1.5‑3.5h；(3)以0.05‑0.5℃/min至160‑174℃，以0.5‑1.5℃/min降温至140‑159℃，以0.5‑2.0℃/min降温至60℃以下，出罐；(4)将成型模具在室温下静置12h以上，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。本发明通过控制成型过程的固化工艺，精确控制复合材料成型后的尺寸，提高了复合材料构件的合格率。

Description

一种控制曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法
技术领域
本发明涉及复合材料制造技术领域，特别涉及一种控制曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法。
背景技术
蜂窝复合材料是由蜂窝芯材与表面材料粘接而成具有夹层结构的复合材料，因其在使用方面具有很好的性能，其具有比较好的强度，可设计性强，被广泛用于航空航天飞行器结构中作为主、次承力结构件。目前，以铝蜂窝芯材料为中间夹层的蜂窝复合材料是应用最广泛的。本发明涉及到一种曲面金属蜂窝复合材料的制备，复合材料由原材料下蒙皮、铝蜂窝芯、上蒙皮以及层间的胶膜通过共胶接固化而成，该复合材料是曲面的，在成型过程中采用具有与复合材料匹配的成型面的模具，在模具上设置有对原材料进行定位和限位的挡板，挡板和成型面形成空腔，将下蒙皮、铝蜂窝芯、上蒙皮和胶膜放置在空腔内，然后热压固化成型。
目前成型后的复合材料存在的问题是在室温下的自由形状与设计形状有一定程度的不一致，体现在曲面复合材料向曲面中心发生回弹，即发生了固化变形；导致固化变形的原因是制备复合材料在热压成型及冷却过程后，由于材料的热胀效应、化学收缩效应加上材料和模具的热膨胀系数不匹配的原因，为了满足内部变形条件和受力平衡的条件，复合材料构件内部会产生应力和收缩应力；固化完成后，温度下降，材料内部的一部分应力得到释放，另一部分存在于材料的内部以残余应力的方式存在。当脱模之后，在没有外力作用下残余应力使复合材料发生固化变形。过高的残余应力会引起复合材料构件层间分层，影响复合材料的使用性能和寿命，过大的固化变形会给复合材料的组装带来挑战，虽然发生固化成型后的复合材料可以在机械外力下调整至理论尺寸进行安装使用，但修复比较困难，容易装配失败、材料报废。
为了减少固化带来的变形，采用的方法是对成型工艺进行控制或重新设计模具。重新设计模具包括模具材料的选择和调整模具的尺寸，模具材料的选择是需要选择一种与复合材料的热膨胀系数接近的材料来制作模具，需要不断的实验；调整模具的尺寸对制备复合材料的模具进行设计，使所制备复合材料固化变形后与设计尺寸接近，因为不同环境、不同时期生产的复合材料的回弹变形量会不同，导致尺寸稳定性不高；采用重新设计模具的方法来控制固化变形，成本高、效率低下，且无法精确控制复合材料成型后的尺寸，并没有从源头上解决复合材料变形问题，不利于工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于克服所存在的上述不足，提供一种控制曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法，通过控制成型过程的固化工艺，精确控制复合材料成型后的尺寸，提高了复合材料构件的合格率。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种控制曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法，包括以下步骤：
(1)将曲面金属蜂窝复合材料的原材料放置在成型模具上，在所述成型模具上封装真空袋并抽真空；
(2)将所述成型模具送入热压罐中，对模具加压，以0.5-2.0℃/min的第一升温速率升温至140-159℃，以0.3-1.5℃/min的第二升温速率升温至160-174℃，以0.05-0.5℃/min的第三升温速率升温至175-200℃，恒温1.5-3.5h；
(3)恒温结束后，以0.05-0.5℃/min的第一降温速率降温至160-174℃，以0.5-1.5℃/min的第二降温速率降温至140-159℃，以0.5-2.0℃/min的第三降温速率降温至60℃以下，出罐；
(4)将所述成型模具在室温下静置12h以上，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
本发明所述的成型方法在热固化中采用分段式升温和分段式降温，接近固化温度时升温速率或降温速率尽可能小，远离固化温度时可适当加快升温速率或降温速率，在此过程中，尽量消除残余应力；出罐后，复合材料上仍有一部分残余应力，将复合材料在室温下静置一段时间能够进一步消除复合材料上的残余应力。固化工艺直接影响着残余应力的产生和固化变形的程度，本发明通过控制复合材料成型过程的固化工艺，对复合材料固化过程中的残余应力进行消除，以达到控制复合材料固化变形的目的，精确控制复合材料成型后的尺寸，提高了复合材料的合格率。
进一步，在步骤(2)中，对模具加压，压力大于2.0bar。
进一步，所述第一升温速率为0.5-1.2℃/min，所述第二升温速率为0.3-0.6℃/min，所述第三升温速率为0.1-0.3℃/min。
进一步，所述第一降温速率为0.1-0.3℃/min，所述第二降温速率为0.3-0.6℃/min，所述第三降温速率为0.5-1.2℃/min。
进一步，在步骤(3)中，降温时，采用冷却水进行降温。
进一步，所述成型方法包括以下步骤：
(1)将曲面金属蜂窝复合材料的原材料放置在成型模具上，在模具上封装真空袋并抽真空，抽真空至-0.35～-0.33bar；
(2)将模具送入热压罐中，对模具加压至3.0±0.2bar，以1.0℃/min的第一升温速率升温至150℃，以0.5℃/min的第二升温速率升温至160℃，以0.1℃/min的第三升温速率升温至175-190℃，恒温2.5-3h；
(3)恒温结束后，以0.1℃/min的第一降温速率降温至165℃，以0.5℃/min的第二降温速率降温至140℃，以1℃/min的第三降温速率降温至45℃以下，出罐；
(4)将模具在室温下静置12h以上，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
进一步地，对步骤(4)中脱模后的曲面金属蜂窝复合材料还需要进行矫形，所述矫形包括以下步骤：
S1、在曲面金属蜂窝复合材料的曲面内放入矫形工装，所述矫形工装的底面与曲面金属蜂窝复合材料的曲面相匹配，用于对曲面金属蜂窝复合材料的曲面进行支撑；
S2、将步骤S1中的复合材料以0.5-3℃/min的升温速率升温至150-174℃，保温1-3h，以0.5-2℃/min的降温速率降温至60℃以下；
S3、取下所述矫形工装，得到曲面金属蜂窝复合材料。
本发明中的成型方法还包括了对热压固化后的复合材料进行矫形，矫形即对复合材料进行热处理，在热处理的过程中，以0.5-3℃/min的升温速率升温到低于固化温度的温度，保温一段时间后再降温。通过这样的热处理，可以更进一步消除残余应力和调整已发生了固化变形的曲面金属蜂窝复合材料的尺寸至接近设计尺寸，这样可以更精确控制复合材料成型后的尺寸。
在本发明中，所述矫形工装的底面是指所述矫形工装与曲面金属蜂窝复合材料的曲面相贴合的一面。
进一步，所述矫形工装为Ω字形，所述矫形工装能将曲面金属蜂窝复合材料的曲面扩张至2-3倍回弹变形量，所述回弹变形量是指采用上述成型方法制备得到的曲面金属蜂窝复合材料的尺寸与设计尺寸之间的差异。
进一步，在步骤S1中，在所述矫形工装上放置重物，所述重物用于所述矫形工装的固定和施加压力，防止在矫形过程中所述矫形工装发生移动，让所述矫形工装和曲面金属蜂窝复合材料的曲面更高地贴合。
进一步，在步骤S3中，取下所述矫形工装前，将曲面金属蜂窝复合材料在室温下静置1-6h。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明所述的成型方法通过控制复合材料成型过程的固化工艺，对复合材料固化过程中的残余应力进行消除，以达到控制复合材料固化变形的目的，精确控制复合材料成型后的尺寸，提高了复合材料的合格率。
2、本发明所述的成型方法还包括了对复合材料进行矫形，矫形更可以进一步消除残余应力和调整复合材料的尺寸，更精确控制复合材料成型后的尺寸。
附图说明：
图1为本发明控制曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法的流程图；
图2为本发明控制曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法中矫形工装的放置示意图；
图中标记：1-曲面金属蜂窝复合材料，2-矫形工装，3-重物。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本实施例展示了一种控制曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法，曲面金属蜂窝复合材料由原材料下蒙皮、铝蜂窝芯、上蒙皮以及层间的胶膜在成型模具上经过热固化成型而成，成型方法如图1所示，包括以下步骤：
(1)将曲面金属蜂窝复合材料的原材料放置在成型模具上，在模具上封装真空袋并抽真空；
(2)将成型模具送入热压罐中，对成型模具加压，以0.5-2.0℃/min的第一升温速率升温至140-159℃，以0.3-1.5℃/min的第二升温速率升温至160-174℃，以0.05-0.5℃/min的第三升温速率升温至175-200℃，恒温1.5-3.5h；
(3)恒温结束后，以0.05-0.5℃/min的第一降温速率降温至160-174℃，以0.5-1.5℃/min的第二降温速率降温至140-159℃，以0.5-2.0℃/min的第三降温速率降温至60℃以下，出罐；
(4)将成型模具在室温下静置12h以上，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
具体地，在成型方法步骤(1)中，按照从下到上的顺序依次将下蒙皮、胶膜、铝蜂窝芯、胶膜和上蒙皮放置在成型模具上，在成型模具上封装真空袋，采用密封胶带将真空袋固定，制作真空系统，对真空袋抽真空，抽真空至-0.35～-0.33bar，抽至真空度后，检查真空袋的气密性，保证真空袋与原材料表面紧密贴合；在步骤(2)中，将成型模具送入热压罐中，先对模具进行充气加压，10min内加压至3.0±0.2bar，然后开始升温，优选地，第一升温速率为0.5-1.2℃/min，第二升温速率为0.3-0.6℃/min，第三升温速率为0.1-0.3℃/min。在本实施例中，以1.0℃/min的第一升温速率升温到150℃，以0.5℃/min的第二升温速率升温到160℃，再以0.1℃/min的第三升温速率为升温到固化温度180℃，在180℃下恒温2.5-3.0h。
在步骤(3)中，恒温时间结束后，在热压罐中采用冷却水对成型模具和复合材料进行降温。优化地，第一降温速率为0.1-0.3℃/min，第二降温速率为0.3-0.6℃/min，第三降温速率为0.5-1.2℃/min。在本实施例中，以0.1℃/min的第一降温速率降温至165℃，以0.5℃/min的第二降温速率降温至140℃，以1.0℃/min的第三降温速率降温至45℃以下，将成型模具移出热压罐；在步骤(4)中，出罐后，将成型模具在室温下静置16h，将复合材料与成型模具脱模，得到曲面金属蜂窝复合材料。
对采用本实施例制备的曲面金属蜂窝复合材料用标准检验夹具进行回弹变形量测试，标准检验夹具的尺寸为曲面金属蜂窝复合材料的设计尺寸。对多个曲面金属蜂窝复合材料测试后，复合材料的回弹变形量为0-0.5mm，回弹变形量≤1mm，均在产品尺寸可接受的范围内，达到控制复合材料固化变形的目的。本实施例通过控制复合材料成型过程的固化工艺，采用分段式升温和分段式降温，接近固化温度时升温速率或降温速率尽可能小，远离固化温度时可适当加快升温速率或降温速率，对复合材料固化过程中的残余应力进行消除，精确控制复合材料成型后的尺寸。
实施例2
本实施例展示了曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法，包括以下步骤：
(1)将曲面金属蜂窝复合材料的原材料放置在成型模具上，在模具上封装真空袋并抽真空，抽真空至-0.35～-0.33bar；
(2)将成型模具送入热压罐中，对成型模具加压至3.0±0.2bar，以2.0℃/min的第一升温速率升温至150℃，以0.8℃/min的第二升温速率升温至160℃，以0.4℃/min的第三升温速率升温至180℃，恒温2.5-3.0h；
(3)恒温结束后，以0.4℃/min的第一降温速率降温至165℃，以0.8℃/min的第二降温速率降温至140℃，以2.0℃/min的第三降温速率降温至45℃以下，出罐；
(4)将成型模具在室温下静置16h，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
对采用本实施例制备的曲面金属蜂窝复合材料用标准检验夹具进行回弹变形量测试，标准检验夹具的尺寸为曲面金属蜂窝复合材料的设计尺寸。对多个曲面金属蜂窝复合材料测试后，复合材料的回弹变形量为0-1mm，回弹变形量≤1mm，均在产品尺寸可接受的范围内。
实施例3
本实施例是在实施例2的基础上，选取了实施例2制备的回弹变形量为0.5-1mm范围的曲面金属蜂窝复合材料继续进行矫形，如图2所示，矫形包括以下步骤：
S1、在曲面金属蜂窝复合材料1曲面内放入矫形工装2，矫形工装2的底面与在曲面金属蜂窝复合材料1的曲面相匹配，用于对在曲面金属蜂窝复合材料1的曲面进行支撑，在矫形工装2上放置有重物3；
S2、对步骤S1中的在曲面金属蜂窝复合材料1以0.5-3℃/min的升温速率升温至150-174℃，保温1-3h，以0.5-2℃/min的降温速率升温至60℃以下；
S3、在室温下静置1-6h，取下所述矫形工装，得到曲面金属蜂窝复合材料1。
具体地，如图2所示，本实施例的矫形工装2为Ω字形，能将在曲面金属蜂窝复合材料1的曲面扩张至2-3倍回弹变形量，在矫形工装2上放置有重物3，可防止在矫形过程中矫形工装发生移动。在步骤S2中，将步骤S1中的在曲面金属蜂窝复合材料1放入热处理设备，以1.5℃/min的升温速率升温至155±5℃，保温1h，以1℃/min的降温速率降温至40℃以下；在步骤S3中，将在曲面金属蜂窝复合材料1在室温下静置1-6h，取下所述矫形工装2，得到曲面金属蜂窝复合材料1。
对制备后再进行矫形的曲面金属蜂窝复合材料用标准检验夹具进行回弹变形量测试，对多个曲面金属蜂窝复合材料测试后，复合材料的回弹变形量为0-0.6mm，通过矫形处理，可以更进一步消除残余应力和调整已发生了固化变形的曲面金属蜂窝复合材料的尺寸至接近设计尺寸，更精确控制复合材料成型后的尺寸。
对比例1
本对比例展示了曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法，包括以下步骤：
(1)将曲面金属蜂窝复合材料的原材料放置在成型模具上，在模具上封装真空袋并抽真空；
(2)将成型模具送入热压罐中，对成型模具加压至3.0±0.2bar，以2.0℃/min的升温速率升温至180±5℃，恒温2.5-3.0h；
(3)恒温结束后，以2℃/min的降温速率降温至45℃以下，出罐；
(4)将成型模具在室温下静置12h以上，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
对采用本实施例制备的曲面金属蜂窝复合材料用标准检验夹具进行回弹变形量测试，对多个曲面金属蜂窝复合材料测试后，复合材料的回弹变形量为3-5mm，回弹变形量>1mm，产品不合格。本对比例中固化时采用一次升温和一次降温，固化过程中复合材料中存在残余应力，导致复合材料的回弹变形量较大。
对比例2
本对比例展示了曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法，包括以下步骤：
(1)将曲面金属蜂窝复合材料的原材料放置在成型模具上，在模具上封装真空袋并抽真空；
(2)将成型模具送入热压罐中，对成型模具加压至3.0bar±0.2bar，以2.0℃/min的升温速率升温至160℃，以1.0℃/min的升温速率升温至180℃，恒温2.5-3.0h；
(3)恒温结束后，以2℃/min的降温速率降温至150℃，以1℃/min的降温速率降温至45℃以下，出罐；
(4)将成型模具在室温下静置12h以上，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
对采用本实施例制备的曲面金属蜂窝复合材料用标准检验夹具进行回弹变形量测试，对多个曲面金属蜂窝复合材料测试后，复合材料的回弹变形量为1-3mm，回弹变形量>1mm，产品不合格。本对比例固化时升温分为两段和降温分为两段，每段的升温速率和降温速率也较快，固化过程中复合材料中仍然存在一部分残余应力，导致复合材料的回弹变形量不在工艺可接受的范围内。
对比例3
本实施例展示了曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法，包括以下步骤：
(1)将曲面金属蜂窝复合材料的原材料放置在成型模具上，在模具上封装真空袋并抽真空，抽真空至-0.33bar～0.35bar；
(2)将模具送入热压罐中，对模具加压至3.0±0.2bar，以1.0℃/min的第一升温速率升温至150℃，以0.5℃/min的第二升温速率升温至160℃，以0.1℃/min的第三升温速率升温至175-190℃，恒温2.5-3h；
(3)恒温结束后，以0.1℃/min的第一降温速率降温至165℃，以0.5℃/min的第二降温速率降温至140℃，以1.0℃/min的第三降温速率降温至45℃以下，出罐；
(4)将模具冷却至室温，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
对采用本实施例制备的曲面金属蜂窝复合材料用标准检验夹具进行回弹变形量测试，对多个曲面金属蜂窝复合材料测试后，复合材料的回弹变形量为1-2mm，回弹变形量>1mm，产品不合格。本对比例中固化完成出罐后没有进行静置过程，复合材料中还存在着残余应力，导致复合材料的回弹变形量不在工艺可接受的范围内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制曲面金属蜂窝复合材料固化变形的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将曲面金属蜂窝复合材料的原材料放置在成型模具上，在所述成型模具上封装真空袋并抽真空；
(2)将所述成型模具送入热压罐中，对模具加压，以0.5-2.0℃/min的第一升温速率升温至140-159℃，以0.3-1.5℃/min的第二升温速率升温至160-174℃，以0.05-0.5℃/min的第三升温速率升温至175-200℃，恒温1.5-3.5h；
(3)恒温结束后，以0.05-0.5℃/min的第一降温速率降温至160-174℃，以0.5-1.5℃/min的第二降温速率降温至140-159℃，以0.5-2.0℃/min的第三降温速率降温至60℃以下，出罐；
(4)将所述成型模具在室温下静置12h以上，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，在步骤(2)中，对模具加压，压力大于2.0bar。
3.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述第一升温速率为0.5-1.2℃/min，所述第二升温速率为0.3-0.6℃/min，所述第三升温速率为0.1-0.3℃/min。
4.根据权利要求3所述的成型方法，其特征在于，所述第一降温速率为0.1-0.3℃/min，所述第二降温速率为0.3-0.6℃/min，所述第三降温速率为0.5-1.2℃/min。
5.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，在步骤(3)中，降温时，采用冷却水进行降温。
6.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述成型方法包括以下步骤：
(1)将曲面金属蜂窝复合材料的原材料放置在成型模具上，在模具上封装真空袋并抽真空，抽真空至-0.35～-0.33bar；
(2)将模具送入热压罐中，对模具加压至3.0±0.2bar，以1.0℃/min的第一升温速率升温至150℃，以0.5℃/min的第二升温速率升温至160℃，以0.1℃/min的第三升温速率升温至175-190℃，恒温2.5-3h；
(3)恒温结束后，以0.1℃/min的第一降温速率降温至165℃，以0.5℃/min的第二降温速率降温至140℃，以1℃/min的第三降温速率降温至45℃以下，出罐；
(4)将模具在室温下静置12h以上，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
7.根据权利要求1-6任一所述的成型方法，其特征在于，所述成型方法还包括对曲面金属蜂窝复合材料进行矫形，所述矫形是对步骤(4)中脱模后的曲面金属蜂窝复合材料进行的，所述矫形包括以下步骤：
S1、在曲面金属蜂窝复合材料的曲面内放入矫形工装，所述矫形工装的底面与曲面金属蜂窝复合材料的曲面相匹配，用于对曲面金属蜂窝复合材料的曲面进行支撑；
S2、将步骤S1中的曲面金属蜂窝复合材料以0.5-3℃/min的升温速率升温至150-174℃，保温1-3h，以0.5-2℃/min的降温速率降温至60℃以下；
S3、取下所述矫形工装，得到曲面金属蜂窝复合材料。
8.根据权利要求7所述的成型方法，其特征在于，所述矫形工装为Ω字形，所述矫形工装能将曲面金属蜂窝复合材料的曲面扩张至2-3倍回弹变形量。
9.根据权利要求8所述的成型方法，其特征在于，在步骤S1中，在所述矫形工装上放置重物，所述重物用于所述矫形工装的固定。
10.根据权利要求9所述的成型方法，其特征在于，在步骤S3中，取下所述矫形工装前，将曲面金属蜂窝复合材料在室温下静置1-6h。
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