CN112976610A - 一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法 - Google Patents

一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，包括：对用作牺牲模具盐块进行钻孔；将碳纤维织物预制体放于牺牲模具上下两侧；用连续的碳纤维丝束穿过牺牲模具的孔将上下碳纤维织物预制体缝合在一起；真空辅助树脂灌注工艺对缝接碳纤维结构组件进行灌注；进行固化后将固化板放入温水中，盐块模具完全溶解得碳纤维柱格桁架夹层结构复合材料。该制造方法成本低，面板和栅格桁架型芯在一次缝合过程中没有粘结，从而防止了板芯和面板之间的弱界面，可以制成形状复杂的柱格桁架夹层结构。本发明为制造形状复杂的碳纤维柱格桁架夹层结构复合材料提供了可能，而且制作方法简单，成本较低，可以得到任何拓扑的晶格芯结构。

Description

一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法
【技术领域】
本发明属于复合材料夹层结构领域，具体涉及一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法。
【背景技术】
近年来，随着生产力的飞跃进步，对材料轻量化的要求越来越高，碳纤维柱格桁架夹层结构复合材料作为纤维复合材料和优化晶格拓扑的混合体，由于碳纤维材料的高特异性能，比金属柱格桁架夹层结构质量更轻。但其刚度和强度均明显高于同等相对密度下的碳泡沫和铝蜂窝，等到了更广泛的应用。
目前，碳纤维柱格桁架夹层结构复合材料的制作方法有缠绕法、卡扣法、热压缩成型法等方法。目前的制作方法存在加工操作成本高、加工过程中产生的热量会导致结构的机械性能下降、需要复杂的模具组件、难以制造具有复杂拓扑的柱格桁架夹等问题。而且虽然缠绕法制作碳纤维柱格桁架夹层结构成本低，但不能制造复杂的晶格结构，另外在使用缠绕法制造时会产生支柱波纹和非圆形截面等缺陷。因此，如何解决碳纤维柱格桁架夹层结构制造的问题是研究的重点。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，以解决现有技术中的制造方法在加工过程产生的热量会导致结构的机械性能下降，需要复杂的模具组件的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤1，选择牺牲模具，对牺牲模具进行钻孔加工，在牺牲模具上钻出贯穿上下表面的通孔；所述牺牲模具的高度为上夹板(5)和下夹板(6)之间的距离；所述牺牲模具上表面的面积大于等于上夹板(5)的面积，所述牺牲模具下表面的面积大于等于下夹板(6)的面积；
步骤2，将两个碳纤维织物预制体分别放置于牺牲模具的上部和下部；
步骤3，将碳纤维丝束从碳纤维织物预制体的表面插入至一个通孔，从通孔的另一侧穿出，穿过所述通孔另一侧的碳纤维织物预制体的表面；
步骤4，重复步骤4，直至碳纤维丝束穿过所有的通孔，制备出第一过程件；
步骤5，通过真空辅助树脂灌注方法对第一过程件进行灌注，制备出第二过程件；
步骤6，将第二过程件放置于溶液中，所述牺牲模具溶解后得到碳纤维柱格桁架夹层结构。
本发明的进一步改进在于：
优选的，步骤1中，所述牺牲模具为喜马拉雅盐板。
优选的，步骤1中，钻孔过程中，通过旋转牺牲模具在钻床上的放置方向，调整通孔在牺牲模具内的方向。
优选的，步骤2中，所述牺牲模具上表面的面积等于上夹板(5)的面积，所述牺牲模具下表面的面积等于下夹板(6)的面积。
优选的，步骤2中，所述碳纤维物预制体采用密度为200g/m2的2/2斜纹织物，纬纱和经纱均为3K纤维束。
优选的，步骤3中，所述碳纤维丝束采用12K碳纤维束状预制体。
优选的，步骤4中，真空辅助树脂灌注过程的聚合物采用IN-2环氧树脂和固化剂的混合物。
优选的，步骤4中，真空辅助树脂灌注过程中，聚合物穿过碳纤维织物预制体进入通孔中。
优选的，步骤6中，所述牺牲模具能够溶于溶液中。
优选的，步骤1中，钻孔加工过程中，使用的钻头直径根据通孔的直径确定，钻孔加工过程中，在牺牲模具下设置有木垫板。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，包括：对用作牺牲模具盐块进行钻孔；将碳纤维织物预制体放于牺牲模具上下两侧；用连续的碳纤维丝束穿过牺牲模具的孔将上下碳纤维织物预制体缝合在一起；真空辅助树脂灌注工艺对缝接碳纤维结构组件进行灌注；进行固化后将固化板放入温水中，盐块模具完全溶解得碳纤维柱格桁架夹层结构复合材料。该制造方法成本低，面板和栅格桁架型芯在一次缝合过程中没有粘结，从而防止了板芯和面板之间的弱界面，可以制成形状复杂的柱格桁架夹层结构。本发明为制造形状复杂的碳纤维柱格桁架夹层结构复合材料提供了可能，而且制作方法简单，成本较低，可以得到任何拓扑的晶格芯结构。
进一步的，本发明采用的牺牲模具盐块为喜马拉雅盐板，由于盐块可以很容易地去除，面板完全固化后只需在连续的水流下清洗而且对加工温度的要求不高，可以得到几何形状和精度良好的结构。
进一步的，钻孔过程中，通过旋转牺牲模具能够调整通孔在牺牲模具内的方向，使得能够制备出各种方向的支撑柱。
进一步的，牺牲模具上、下表面的面积等于对应夹板的面积，节省原材料，后续真空灌注过程中，易于灌注。
进一步的，本发明上下两侧碳纤维织物预制体采用200g/m22/2斜纹织物,纬纱和经纱均为3K纤维束是所有织物中最常用的碳织物。它适用于湿铺、真空套袋和树脂灌注制造，也更适用于作为夹层复合材料的表层材料。
进一步的，所述连续的碳纤维丝束采用12K碳纤维束状预制体，没有二次缝合。这样消除了夹层结构中常见的核心与表层面板之间的弱界面问题。
进一步的，所述在真空辅助树脂灌注时，聚合物基体采用IN-2环氧树脂和固化剂。它具有超低粘度，确保它可以通过一系列增强剂快速灌注。其优异的机械强度使其非常适合用于高性能增强材料
进一步的，本发明钻孔时用矩形木垫作为盐块缓冲，由于盐块容易破碎，所以在钻井过程中，最大限度地减小振动对盐块的冲击。从而更好地保证了结构的形状稳定性。
【附图说明】
图1为实施例一的结构示意图。
图2为实施例二的结构示意图。
图3为实施例三的结构示意图。
图4为纤维缝合的示意图。
图中：1-12K碳纤维束状预制体；2-上下两侧碳纤维织物；3-夹层结构核心；4-上夹板；5-支撑柱；6-下夹板。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，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；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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开了一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制作方法，针对是夹层结构，所述夹层结构包括上夹板4、支撑柱5和下夹板6，所述上夹板4和下夹板6之间设置有若干个支撑柱5，支撑柱5的上端和上夹板4连接，支撑柱5的下端和下夹板6连接。夹层结构为复合材料，所述复合材料的主体结构为聚合物，聚合物的内部有2/2斜纹织物和12碳纤维束状预制体。
该制作方法包括以下步骤：
步骤1，对用作牺牲模具的盐块进行钻孔加工，在牺牲模具上加工出通孔。
所述牺牲模具的高度为上夹板5和下夹板6之间的距离；所述牺牲模具上表面的面积大于等于上夹板5的面积，所述牺牲模具下表面的面积大于等于下夹板6的面积；更为优选的，牺牲模具上表面的面积等于上夹板5的面积，所述牺牲模具下表面的面积等于下夹板5的面积。
牺牲模具的钻孔过程在数控机床或立式钻床上进行，钻孔的数量根据夹层结构中支撑柱5的数量确定，钻头方向为固定方向，因此通过控旋转牺牲模具的方向来调整牺牲模具内通孔的角度，或者是通孔在牺牲模具中的走向。钻孔过程中钻头的直径和数量均根据通孔的直径和数量相同，钻孔过程中，能够通过多个钻头对多个通孔同时进行钻孔作业，也能够依次进行钻孔。
所述牺牲模具的盐块为喜马拉雅盐板，钻孔时用矩形木垫作为盐块缓冲，对于立式桁架岩心(柱状)的碳纤维柱格桁架夹层结构；通孔轴线之间的距离即为制备出的夹层结构的支撑柱5之间的中心线距离，因此通孔之间的距离根据支撑柱5之间的距离设计。
步骤2，将碳纤维织物预制体放于牺牲模具上下两侧，牺牲模具和碳纤维物预制体对齐放置；所述碳纤维织物预制体采用密度为200g/m2的2/2斜纹织物，纬纱和经纱均为3K纤维束。
步骤3，参见图4，在穿第一个通孔时，将碳纤维丝束从碳纤维织物预制体的表面插入至第一个通孔，从第一个通孔的另一侧穿出，穿过所述第一个通孔另一侧的碳纤维织物预制体的表面；所述连续的碳纤维丝束采用12K碳纤维束状预制体。
步骤4，在缝合完第一个通孔后，直接从另一面缝合另一个通孔，每一次的缝合均要穿过一个通孔，以及该通孔上，下端的碳纤维织物预制体；直至所有的通孔缝合完成，用连续的碳纤维丝束穿过牺牲模具的每一个通孔将上下碳纤维织物预制体缝合在一起，形成第一过程件。
步骤5，真空辅助树脂灌注工艺对缝接碳纤维结构组件进行灌注后固化。
具体的，真空辅助树脂灌注过程之前，先在平板上涂上脱模剂来制备钢板，方便从真空辅助树脂中模具的表面释放固化后的部件，将第一过程件放置于真空辅助树脂灌注装置中进行灌注，固化过程中聚合物基体为IN-2环氧树脂和固化剂的混合物，形成第二过程件。
步骤5，将固化并脱模后的第二过程件放入温水中，盐块模具完全溶解得碳纤维柱格桁架夹层结构复合材料。
实施例
实施例一
其结构如图1所示，夹心层为垂直柱状桁架核心网格结构组成的核心拓扑。其制备方法如下：
将用作牺牲模具喜马拉雅盐块放置在矩形的木垫上，用数控铣床加工成300×200×37毫米长方体；在数控机床上选用直径分别为2、3、4毫米的钻头进行钻孔作业；孔柱之间的中心线距离为15毫米；将干燥的碳纤维织物预制体裁剪成大于盐块的尺寸，分别覆盖在盐块的上、下表面并用胶带固定；在纤维缝合前，将干燥的纤维丝束的一端浸入蒸馏水中，然后通过橡胶膜上的小孔拉出多余的水分，将连续的碳纤维丝束穿过盐块的孔从一侧碳纤维织物缝合到另一侧碳纤维织物，重复缝合过程，直到完成桁架配置；在60摄氏度的烤箱中烘烤一小时去除水分；平板上涂脱模剂，使用复合真空泵施加真空压力辅助树脂灌注到样品面板，待树脂完全灌注后，用管夹切断树脂供应，室温下固化24小时，待树脂完全固化；将固化后的板放入温水中，盐块模具完全溶解得碳纤维柱格桁架夹层结构复合材料。
实施例二
其结构如图2所示，夹心层为金字塔型网格桁架核心网格结构组成的核心拓扑。其制备方法如下：
将用作牺牲模具喜马拉雅盐块放置在矩形的木垫上，用数控铣床加工成300×200×37毫米长方体；通过设计一个夹具来指导斜向钻井作业，夹具被放置在盐块上，然后分别使用2，3，4毫米的钻头手动钻孔，在45度形成金字塔的结构；将干燥的碳纤维织物预制体裁剪成大于盐块的尺寸，分别覆盖在盐块的上、下表面并用胶带固定；在纤维缝合前，将干燥的纤维丝束的一端浸入蒸馏水中，然后通过橡胶膜上的小孔拉出多余的水分，将连续的碳纤维丝束穿过盐块的孔从一侧碳纤维织物缝合到另一侧碳纤维织物，重复缝合过程，直到完成桁架配置；在60摄氏度的烤箱中烘烤一小时去除水分；平板上涂脱模剂，使用复合真空泵施加真空压力辅助树脂灌注到样品面板，待树脂完全灌注后，用管夹切断树脂供应，室温下固化24小时，待树脂完全固化；将固化后的板放入温水中，盐块模具完全溶解得碳纤维柱格桁架夹层结构复合材料。
实施例三
其结构如图3所示，夹心层为金字塔型网格桁架核心网格包含一个附加的垂直柱结构组成的核心拓扑。其制备方法如下：
将用作牺牲模具喜马拉雅盐块放置在矩形的木垫上，用数控铣床加工成300×200×37毫米长方体；通过设计一个夹具来指导斜向钻井作业，夹具被放置在盐块上使用2，3，4毫米的钻头手动钻孔，在45度形成金字塔的结构,后选用直径为2,3,4毫米的钻头钻出中心垂直孔；将干燥的碳纤维织物预制体裁剪成大于盐块的尺寸，分别覆盖在盐块的上、下表面并用胶带固定；在纤维缝合前，将干燥的纤维丝束的一端浸入蒸馏水中，然后通过橡胶膜上的小孔拉出多余的水分，将连续的碳纤维丝束穿过盐块的孔从一侧碳纤维织物缝合到另一侧碳纤维织物，重复缝合过程，直到完成桁架配置；在60摄氏度的烤箱中烘烤一小时去除水分；平板上涂脱模剂，使用复合真空泵施加真空压力辅助树脂灌注到样品面板，待树脂完全灌注后，用管夹切断树脂供应，室温下固化24小时，待树脂完全固化；将固化后的板放入温水中，盐块模具完全溶解得碳纤维柱格桁架夹层结构复合材料。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选择牺牲模具，对牺牲模具进行钻孔加工，在牺牲模具上钻出贯穿上下表面的通孔；所述牺牲模具的高度为上夹板(5)和下夹板(6)之间的距离；所述牺牲模具上表面的面积大于等于上夹板(5)的面积，所述牺牲模具下表面的面积大于等于下夹板(6)的面积；
步骤2，将两个碳纤维织物预制体分别放置于牺牲模具的上部和下部；
步骤3，将碳纤维丝束从碳纤维织物预制体的表面插入至一个通孔，从通孔的另一侧穿出，穿过所述通孔另一侧的碳纤维织物预制体的表面；
步骤4，重复步骤4，直至碳纤维丝束穿过所有的通孔，制备出第一过程件；
步骤5，通过真空辅助树脂灌注方法对第一过程件进行灌注，制备出第二过程件；
步骤6，将第二过程件放置于溶液中，所述牺牲模具溶解后得到碳纤维柱格桁架夹层结构。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，其特征在于，步骤1中，所述牺牲模具为喜马拉雅盐板。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，其特征在于，步骤1中，钻孔过程中，通过旋转牺牲模具在钻床上的放置方向，调整通孔在牺牲模具内的方向。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，其特征在于，步骤2中，所述牺牲模具上表面的面积等于上夹板(5)的面积，所述牺牲模具下表面的面积等于下夹板(6)的面积。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，其特征在于，步骤2中，所述碳纤维物预制体采用密度为200g/m2的2/2斜纹织物，纬纱和经纱均为3K纤维束。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，其特征在于，步骤3中，所述碳纤维丝束采用12K碳纤维束状预制体。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，其特征在于，步骤4中，真空辅助树脂灌注过程的聚合物采用IN-2环氧树脂和固化剂的混合物。
8.根据权利要求7所述的一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，其特征在于，步骤4中，真空辅助树脂灌注过程中，聚合物穿过碳纤维织物预制体进入通孔中。
9.根据权利要求1所述的一种碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，其特征在于，步骤6中，所述牺牲模具能够溶于溶液中。
10.根据权利要求1-9任一项所述的碳纤维柱格桁架夹层结构的制造方法，其特征在于，步骤1中，钻孔加工过程中，使用的钻头直径根据通孔的直径确定，钻孔加工过程中，在牺牲模具下设置有木垫板。
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