CN112721241B - 一种多墙夹芯结构碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多墙夹芯结构碳纤维复合材料及其制备方法，属于碳纤维复合材料成型工艺技术领域，将上下蒙皮、梁与夹芯材料三部分预制件采用共固化、液体成型方式，通过树脂浸渍增强材料，实现了各预制件相互连通以发挥构件的整体协同作用机制，提升夹芯结构的质量稳定性，达到了各部分均布载荷分布、减轻结构件重量和提高整体性能的目的，解决了传统成型工艺会出现蒙皮与夹芯结构失效脱粘、应力集中等问题。

Description

一种多墙夹芯结构碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料成型工艺技术领域，具体涉及到一种多墙夹芯结构碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
随着航空航天工业的快速发展，碳纤维复合材料以其比强度高、比模量大、可设计性强、耐高温、抗疲劳等诸多优点被广泛应用于飞行器结构材料中，显示出巨大的应用潜能。同时航空航天领域对于碳纤维复合材料的结构减重、整体化和低成本制造技术也提出了更为严苛的要求。复合材料夹芯结构件(如机翼、方向舵等)在制造过程中多采用热压罐成型，但热压罐工艺的制造成本较高、制品合格率较低，尤其是复杂结构的胶接、共固化制品合格率更低。
近年来，随着复合材料低成本、整体成型技术的发展，越来越多的复杂结构件尝试采用液体成型工艺进行制备，以降低其制造成本和提高整体性能。液体成型工艺按照加工原理包括RTM工艺、VARTM工艺以及RFI工艺等。由于传统夹芯结构件在设计和制造中上下蒙皮、夹芯结构均采用胶膜连接，其蒙皮与夹芯结构的协同作用不明晰，三个单独的受力部件相互不连通，导致夹芯结构承受的载荷分布不均匀、受力效果不理想，严重影响夹芯结构的整体力学性能，难以满足航空航天对碳纤维复合材料的高性能、低成本、整体化的技术要求。鉴于此，提供一种多墙夹芯结构碳纤维复合材料及其制备方法也就显得十分有意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种多墙夹芯结构碳纤维复合材料及其制备方法，可有效解决现有制备碳纤维复合材料技术中出现蒙皮与夹芯结构失效脱粘、应力集中和整体力学性能差的问题。
为达上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供了一种多墙夹芯结构碳纤维复合材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)主体泡沫芯、泡沫片、碳纤维织物和碳纤维预浸料加工裁剪：
将主体泡沫芯以中线为基点加工设置有矩形槽，在矩形槽的下方设置有若干个贯穿的矩形缝隙，泡沫片、碳纤维织物和碳纤维预浸料按照制件设计要求进行裁剪；
步骤(2)碳纤维织物、泡沫片和碳纤维预浸料铺叠并组装：
工字梁铺叠：在矩形缝隙中工字梁铺叠若干层步骤(1)中裁剪好的碳纤维织物，碳纤维织物的铺层角度依次为[0/45/0]，工字梁上缘对接，形成一个平面，下缘与上缘相同；
波纹梁铺叠：在矩形槽中填入步骤(1)裁剪好的若干泡沫片，然后将步骤(1)裁剪好的碳纤维预浸料依次包裹泡沫片，进行若干层波纹梁铺叠得到波纹梁预置件，碳纤维预浸料的铺层角度依次为[0/45/0]；
蒙皮铺叠：在工字梁上缘面铺叠若干层碳纤维织物形成上蒙皮，工字梁下缘面铺叠若干层碳纤维织物形成下蒙皮，铺层角度依次为[0/45]；先完成工字梁下缘面的下蒙皮铺叠，工字梁上缘面的波纹梁铺叠，然后是波纹梁顶部的上蒙皮铺叠，最后组装得到泡沫夹芯的多墙结构件；
步骤(3)模具封装压实：
在铺叠完的预制体碳纤维织物增强材料表面依次铺放真空成型和浸胶的辅助材料，并用胶带固定其位置，然后用腻子胶条和真空袋薄膜完成封装，再将封装好的真空袋抽真空压实，关闭真空泵观察15分钟真空度，如果真空度下降幅度不超过-0.002MPa即可达到要求；
步骤(4)浸胶及加热固化：
配置浸渍预成型体的液体树脂，将注胶管与浸胶罐连通并完成预成型体浸渍胶液然后封闭注胶管，然后在烘箱中高温固化，固化结束后，降温至室温，得到多墙夹芯结构碳纤维复合材料。
进一步地，步骤(1)中主体泡沫芯和泡沫片均为PMI泡沫。
进一步地，步骤(1)中每个矩形缝隙的间距相等。
进一步地，步骤(2)中碳纤维预浸料波纹梁铺叠第一层和最后一层均需要进行预压实处理。
进一步地，步骤(3)中预制体增强材料表面依次放置的真空成型和浸胶辅助材料包括有可剥布、导流网、导流管、注胶座和注胶管。
进一步地，步骤(3)中真空袋抽真空时的真空度不低于-0.09MPa。
进一步地，步骤(4)中液体树脂为双马来酰亚胺树脂。
进一步地，步骤(4)中高温固化工艺参数为：室温下升温到110℃±5℃完成注胶，然后继续升温至150℃±5℃恒温1～2小时，继续升温至185℃±5℃恒温3～5小时，然后降温至60℃，完成固化，升温速率和降温速率均不超过3℃/min。
进一步地，共固化多墙夹芯结构碳纤维复合材料的液体成型方法还包括采用超声对多墙夹芯结构碳纤维复合材料进行无损检测。
本发明还提供了采用上述多墙夹芯结构碳纤维复合材料制备方法制得的多墙夹芯结构碳纤维复合材料。
本发明的有益效果是：本发明通过共固化液体成型制备方法制备得到了多墙夹芯结构碳纤维复合材料，在保证高成型质量下，具有较高的成型效率和较低的制造成本；通过工字梁铺叠、波纹梁铺叠和蒙皮铺叠多种铺叠方式结合，解决了统成型工艺会出现蒙皮与夹芯结构失效脱粘、应力集中等问题；将上下蒙皮、梁与夹芯材料三部分预制件采用共固化、液体成型方式，通过树脂浸渍增强材料，实现了各预制件相互连通以发挥构件的整体协同作用机制，提升夹芯结构的质量稳定性，达到了各部分均布载荷分布、减轻结构件重量和提高整体性能的目的；采用共固化、液体成型方式，通过树脂浸渍增强材料，提高结构的整体性，保证内部多墙位置的精准性，减少零件数量、减少装配所需的金属标准件，避免由于装配连接导致的一些缺陷。
附图说明
图1为本发明的部分结构示意图一；
图2为本发明的部分结构示意图二；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明的工字梁结构侧视图；
其中，1、主体泡沫；2、矩形槽；3、矩形缝隙；4、泡沫片；5、波纹梁碳纤维预浸料；6、工字梁结构；7、上蒙皮；8、下蒙皮；9、工字梁碳纤维材料；10、泡沫材料。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即除非特别叙述，每个特征之一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。
实施例1
本实施例1提供了一种多墙夹芯结构碳纤维复合材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)主体泡沫芯、泡沫片、碳纤维织物和碳纤维预浸料加工裁剪：
将主体泡沫芯以中线为基点利用铣刀在其上方加工距离中心线左右各8cm、距离上缘1.5cm、下缘3cm、深1.5cm的矩形槽，在矩形槽的下方设置有3个贯穿的长度为3cm且宽度为0.12cm的矩形缝隙，第一个缝隙距离矩形槽左侧4cm，第二个缝隙距离第一个4cm，第三个缝隙距离第二个为4cm，泡沫片利用带锯加工为长16cm、宽1.5cm和高0.25mm的薄片，泡沫片数为6，碳纤维织物裁剪长4cm、宽3cm、厚度为0.12cm的碳纤维织物，碳纤维预浸料长度根据填入的泡沫片数确定为20cm，按照制件设计要求进行裁剪；其中，主体泡沫芯和泡沫片均为PMI泡沫；
步骤(2)碳纤维织物、泡沫片和碳纤维预浸料铺叠并组装：
工字梁铺叠：在矩形缝隙中工字梁铺叠3层步骤(1)中裁剪好的碳纤维织物，碳纤维织物的铺层角度依次为[0/45/0]，铺叠填入6张，左边三张为一组，右边三张为一组左右分开工字梁上缘对接，形成一个平面，下缘与上缘相同；
波纹梁铺叠：在矩形槽中填入步骤(1)裁剪好的泡沫片，然后将步骤(1)裁剪好的碳纤维预浸料依次包裹泡沫片，进行3层波纹梁铺叠得到波纹梁预置件，碳纤维预浸料的铺层角度为[0/45/0]，铺叠完第一层和最后一层均需要进行预压实处理；
蒙皮铺叠：在工字梁上缘面铺叠13层上蒙皮，铺层角度为[45/0]，工字梁下缘面铺叠8层下蒙皮，铺层角度为[0/45]；依次完成工字梁下缘面的下蒙皮铺叠，工字梁上缘面的波纹梁铺叠，最后是波纹梁顶部的上蒙皮铺叠，组装得到泡沫夹芯的多墙结构件；
步骤(3)将步骤(2)所得的多墙结构件置入模具封装压实：
将步骤(2)所得的多墙结构件置入模具，在预制体碳纤维织物增强材料表面依次铺放可剥布、导流网、导流管、注胶座和注胶管，并用胶带固定其位置，然后用腻子胶条和真空袋薄膜封装，完成封装，再将封装好的真空袋抽真空压实，当真空度达到-0.09MPa以上时停止抽真空，关闭真空泵观察15分钟真空度，如果真空度下降幅度不超过-0.002MPa即可达到要求；
步骤(4)浸胶及加热固化：
按照纤维质量含量45±2％计算双马来酰亚胺树脂质量，先将树脂解冻后在真空烘箱中加热至110℃±5℃，并用真空搅拌器将树脂搅拌均匀，配置得到浸胶预成型体的双马来酰亚胺树脂，将注胶管与浸胶罐连通并完成预成型体浸渍胶液然后封闭注胶管，然后在烘箱中高温固化，固化结束后，降温至室温，得到多墙夹芯结构碳纤维复合材料；其中，高温固化参数为：室温下升温到110℃完成注胶，然后继续升温至150℃恒温1小时，继续升温至185℃恒温3小时，然后降温至60℃，完成固化，其中升、降温速率为2℃/min。
本实施例1得到的多墙夹芯结构碳纤维复合材料，其结构如图1-4所示。通过超声C扫描进行无损检测，层板内纤维密实，层间富树脂区不明显，蒙皮与工字梁、波纹梁间粘接紧密，且并未发现制件中有脱粘、分层、贫胶等缺陷。
对比例1
本对比例1与实施例1的区别仅在于：步骤(2)中仅使用整体泡沫芯和上下蒙皮铺叠，其他步骤和参数相同。
本对比例1得到的多墙夹芯结构碳纤维复合材料通过超声进行无损检测，发现制件中的板--芯的粘接效果较差，层间富树脂区明显。
对比例2
本对比例2与实施例1的区别仅在于：步骤(2)中仅使用槽内层合铺叠和上下蒙皮铺叠，其他步骤和参数相同。
本对比例2得到的多墙夹芯结构碳纤维复合材料通过超声进行无损检测，发现制件中的层板层内纤维密实度低，泡沫槽填充层合铺层区与上蒙皮搭接处富树脂区明显。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本领域的技术人员不经创造性劳动即对所描述的具体实施例做的修改或补充或采用类似的方式替代仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种多墙夹芯结构碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1）：主体泡沫芯、泡沫片、碳纤维织物和碳纤维预浸料加工裁剪；
步骤（2）碳纤维织物、泡沫片和碳纤维预浸料铺叠并组装：
工字梁铺叠：在矩形缝隙中工字梁铺叠3层步骤（1）中裁剪好的碳纤维织物，碳纤维织物的铺层角度依次为[0/45/0]，铺叠填入6张，左边三张为一组，右边三张为一组左右分开工字梁上缘对接，形成一个平面，下缘与上缘相同；
所述矩形缝隙为：将主体泡沫芯以中线为基点加工设置有矩形槽，在矩形槽的下方设置有若干个贯穿的矩形缝隙；
波纹梁铺叠：在矩形槽中填入步骤（1）裁剪的若干泡沫片，然后将步骤（1）裁剪的碳纤维预浸料依次包裹泡沫片，进行若干层波纹梁铺叠得到波纹梁预制件；
蒙皮铺叠：在波纹梁顶部铺叠若干层碳纤维织物形成上蒙皮，工字梁下缘面铺叠若干层碳纤维织物形成下蒙皮；依次完成工字梁下缘面的下蒙皮铺叠，工字梁上缘面的波纹梁铺叠，最后是波纹梁顶部的上蒙皮铺叠，组装得到泡沫夹芯的多墙结构件；
步骤（3）：将步骤（2）所得的多墙结构件置入模具封装压实，然后进行浸胶及加热固化，制得多墙夹芯结构碳纤维复合材料。
2.如权利要求1所述的多墙夹芯结构碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的加工裁剪具体过程为：将主体泡沫芯以中线为基点加工设置有矩形槽，在矩形槽的下方设置有若干个贯穿的矩形缝隙，且每个矩形缝隙的间距相等；泡沫片、碳纤维织物和碳纤维预浸料则按照制件设计要求进行裁剪。
3.如权利要求1所述的多墙夹芯结构碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中碳纤维预浸料波纹梁铺叠第一层和最后一层均需要进行预压实处理。
4.如权利要求1所述的多墙夹芯结构碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中多墙结构件置入模具封装压实的具体过程为：先将多墙结构预制件置入模具，然后在多墙结构件表面依次铺放可剥布、导流网、导流管、注胶座和注胶管，并固定其位置，然后用腻子胶条和真空袋薄膜完成封装，再将封装好的真空袋抽真空压实，得到预成型体。
5.如权利要求1所述的多墙夹芯结构碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中浸胶及加热固化的具体过程为：配置浸胶预成型体的液体树脂，将注胶管与浸胶罐连通并完成预成型体浸渍胶液然后封闭注胶管，然后进行高温固化，固化结束后，降温至室温，得到多墙夹芯结构碳纤维复合材料。
6.如权利要求5所述的多墙夹芯结构碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述加热固化工艺参数为：室温下升温到110℃±5℃完成注胶，然后继续升温至150℃±5℃恒温1~2小时，继续升温至185℃±5℃恒温3~5小时，然后降温至60℃，完成固化；其中，升温速率和降温速率均不超过3℃/min。
7.采用权利要求1~6任一项所述的多墙夹芯结构碳纤维复合材料的制备方法制得的多墙夹芯结构碳纤维复合材料。
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