CN113561522B - 基于热膨胀柔性芯模的三维编织纤维增强蜂窝制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热膨胀柔性芯模的三维编织纤维增强蜂窝制备装置及方法，包括钢制芯模(1)、热膨胀硅橡胶柔性芯模(2)、底座(3)、加热炉(4)、导流阀(5)，钢制芯模的截面形状和编织蜂窝孔格形状相同，热膨胀硅橡胶柔性芯模截面略小于编织蜂窝孔格，钢制芯模和热膨胀硅橡胶芯模配合使用。固化过程中热膨胀硅橡胶柔性芯模膨胀，截面膨胀尺寸受钢制芯模以及相邻的柔性芯模限制，由此对编织蜂窝壁产生热胀压力，使预制体获得垂直于蜂窝壁的成形压力，保证成形后蜂窝孔格具有良好的规整度并降低蜂窝壁孔隙率，同时热膨胀硅橡胶芯模在冷却后体积缩小，有利于降低脱模难度，避免强行脱模的过程对蜂窝结构产生损伤。
Description
技术领域
本发明涉及先进复合材料及其制备成形技术领域，特别涉及一种基于热膨胀柔性芯模的三维编织纤维增强蜂窝制备装置及方法。
背景技术
蜂窝夹层复合材料是一种由蜂窝芯子和面板粘接组成的中空结构材料，具有比强度高、抗冲击性能好、可设计性强等优点。蜂窝芯是蜂窝夹层复合材料设计与制备的关键，其中芳纶纸蜂窝芯、铝蜂窝芯在卫星的主、副承载结构以及星载精密光学仪器支撑结构中已得到广泛应用。随着各国对高性能空间结构的应用需求越来越广泛，空间环境的特殊性对材料的结构重量、力学性能、尺寸稳定性、耐空间环境性等方面的指标提出了更高的要求。而采用三维编织预制体制备连续纤维增强蜂窝芯能有效弥补芳纶纸蜂窝与铝蜂窝的不足，三维编织结构优异的可设计性使连续纤维增强蜂窝芯具备应对多种服役环境要求的潜力。
发明内容
本发明针对使用常规刚性芯模实现成形三维编织纤维增强蜂窝的缺陷与不便之处，提出用热膨胀硅橡胶制备柔性正六棱柱芯模，通过设计芯模并配合少量刚性芯模，实现在固化过程中对蜂窝壁施加合理的成形压力，同时具备易脱模的优点。
本发明的技术方案如下：
一种基于热膨胀柔性芯模的三维编织纤维增强蜂窝制备装置，包括钢制芯模(1)、热膨胀硅橡胶柔性芯模(2)、底座(3)、三维编织预制体(6)；底座上加工有用于固定钢制芯模的六边形固定槽(10)和用于固定热膨胀硅橡胶芯模的六边形盲孔(11)，热膨胀硅橡胶芯模通过一端的定位销(12)与盲孔配合实现固定；钢制芯模插入三维编织纤维预制体四周边缘的蜂窝孔以及三维编织纤维预制体内部的部分蜂窝孔，分布于三维编织纤维预制体四周边缘和内部的钢制芯模将四周边缘预制体分割为若干个区域；热膨胀硅橡胶芯模插入剩余蜂窝孔。
所述的制备装置，常温下装配的热膨胀硅橡胶芯模横截面略小于蜂窝孔横截面，形状均为正六边形，固化保温过程中热膨胀硅橡胶芯模体积膨胀。
所述的制备装置，还包括加热炉(4)、真空阀(5)、导流网(7)、真空袋(8)、限流阀(9)，将三维编织预制体装配于成型装置上后，铺放导流网(7)和真空袋(8)，放入加热炉(4)中并连接真空导流管路，树脂容器通过导管连接于限流阀(9)，由导流管接口(14)接入炉内的真空袋；真空泵通过导管连接于真空阀(5)，由真空泵接口(13)接入炉内的真空袋。
一种基于热膨胀硅橡胶柔性芯模的三维编织纤维增强蜂窝制备方法，包括以下步骤：
步骤1：拉伸三维编织纤维预制体(6)使蜂窝孔张开，通过钢制芯模将预制体支撑并固定到底座上；将钢制芯模插入三维编织纤维预制体四周边缘的蜂窝孔以及三维编织纤维预制体内部的部分蜂窝孔，分布于三维编织纤维预制体四周边缘和内部的钢制芯模将四周边缘预制体分割为若干个区域；
步骤2：将热膨胀硅橡胶芯模插入剩余蜂窝孔，保证热膨胀硅胶芯模和钢制芯模排列规整；
步骤3：将装配好的芯棒及预制体随底座铺设导流网(7)、真空袋(8)，放入加热炉后接入导流管道，升温至一定温度，使硅橡胶芯模的横截面直径膨胀至与钢制芯模相同；
步骤4：将热固性树脂加热至与步骤3相同的温度，通过真空辅助树脂灌注使树脂充分浸润预制体导流完成后关闭导流阀；
步骤5：保持真空袋内负压，执行树脂固化升温工艺曲线；
步骤6：固化完成后随炉冷却取出，将体积收缩后的热膨胀硅橡胶芯模和固定在底座上的钢制芯模取出，得到三维编织纤维增强蜂窝芯坯料；
所述的制备方法，步骤1所使用的三维编织纤维预制体的蜂窝孔结构为正六边形，蜂窝孔直径为6mm～12mm，钢制芯模为长度大于蜂窝孔高度10mm～20mm的正六棱柱，横截面直径和蜂窝孔直径相同，底座上加工有固定钢制芯模的六边形槽(10)和固定热膨胀柔性芯模的六边形盲孔(11)；
所述的制备方法，步骤2中，热膨胀硅橡胶芯模是由体膨胀系数为6×10-4～9×10-4，邵氏A硬度为40～50的热膨胀硅橡胶制成的正六棱柱，室温下长度小于蜂窝孔高度0.5mm～1mm，横截面直径小于蜂窝孔直径0.5mm～1.5mm，硅橡胶芯模的一端嵌入直径为3～6mm的六边形定位销(12)，六边形定位销棱边与热膨胀芯模棱边对齐。
所述的制备方法，步骤3所使用加热炉具有供抽真空管接口(13)和导流管接口(14)，导流阀安装在加热炉外侧，升温至60℃～90℃并保温，使硅橡胶芯棒的横截面直径膨胀至与钢制芯模相同。
所述的制备方法，步骤4热固性树脂在灌注时黏度不大于200mPa·s，灌注结束后关闭连接树脂容器的限流阀门(9)，保持真空泵运行1～2min。
所述的制备方法，步骤5采用梯度加热方式升温，升温速率为10～20℃/min，在树脂固化温度下热膨胀硅橡胶芯模横截面尺寸膨胀量为室温下横截面尺寸的105％～110％，由芯模间挤压对蜂窝壁施加的成型压力为0.1～0.3MPa。
所述的制备方法，所使用的底座与钢制芯模表面均涂覆厚度在0.2mm～1mm的聚四氟乙烯涂层。
所述的制备方法，组成三维编织纤维预制体的连续纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、BPO纤维、聚酰亚胺纤维。
所述的制备方法，热膨胀硅橡胶端部的定位销材质为聚四氟乙烯。
所述的制备方法，所使用的热固性树脂包括环氧树脂、氰酸酯树脂。
本发明的有益效果在于：
本发明提出使用热膨胀硅橡胶制作正六棱柱柔性芯模，并配合少量刚性芯模以及底座、盖板，在蜂窝固化的过程中为蜂窝壁提供均匀且适中的成形压力，保证蜂窝壁具有低孔隙率以及良好的成形质量。
本发明解决了用刚性芯模成形三维编织连续纤维增强蜂窝时固化后脱模困难的问题，热膨胀硅橡胶柔性芯模在固化结束冷却后体积缩小，便于脱模的同时大大提升了成形效率，避免了强行脱模导致蜂窝壁损伤，对批量生产三维编织连续纤维增强蜂窝具有参考价值。
固化过程中热膨胀硅橡胶柔性芯模膨胀，截面膨胀尺寸受钢制芯模以及相邻的柔性芯模限制，由此对编织蜂窝壁产生热胀压力，使预制体获得垂直于蜂窝壁的成形压力，保证成形后蜂窝孔格具有良好的规整度并降低蜂窝壁孔隙率，同时热膨胀硅橡胶芯模在冷却后体积缩小，有利于降低脱模难度，避免强行脱模的过程对蜂窝结构产生损伤。
附图说明
图1为基于热膨胀硅橡胶芯模的编织纤维增强蜂窝制备装置示意图。
图2为底座上六边形固定槽和盲孔分布示意图，图2(a)(b)(c)分别是钢制芯模将预制体分隔成2个、3个、4个区域的底座设计。
图3为芯模装配方法示意图，图3(a)(b)分别示意常温下与固化温度下装配在底座上的钢制芯模与热膨胀硅橡胶芯模横截面。
图4为热膨胀硅橡胶芯模及其端部定位销示意图。
图1中，1为钢制芯模，2为热膨胀硅橡胶芯模，3为底座，4为加热炉，5为真空阀，6为三维编织蜂窝预制体，7为导流网，8为真空袋，9为限流阀，13为真空泵接口，14为导流管接口。图2中，10为六边形固定槽，11为六边形盲孔。图3中，2为热膨胀硅橡胶芯模，12为定位销。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1，一种基于热膨胀柔性芯模的三维编织纤维增强蜂窝成型装置，包括钢制芯模(1)、热膨胀硅橡胶柔性芯模(2)、底座(3)，其中钢制芯模和热膨胀硅橡胶芯模配合，钢制芯模将预制体分隔成2～4个区域，起到固化前支撑三维编织预制体以及限制热膨胀硅橡胶芯模超量膨胀的作用。底座上加工有用于固定两种芯模的盲孔，钢制芯模直接插入盲孔中；热膨胀硅橡胶芯模通过一端的定位销与盲孔配合实现固定。
参考图1，一种基于热膨胀柔性芯模的三维编织纤维增强蜂窝成型装置，包括钢制芯模(1)、热膨胀硅橡胶柔性芯模(2)、底座(3)、三维编织预制体(6)。参考图2，底座上加工有用于固定钢制芯模的六边形固定槽(10)和用于固定热膨胀硅橡胶芯模的六边形盲孔(11)，热膨胀硅橡胶芯模通过一端的定位销(12)与盲孔配合实现固定；通过钢制芯模将预制体分隔成2～4个区域，起到固化前支撑三维编织预制体以及限制热膨胀硅橡胶芯模超量膨胀的作用。参考图3，常温下装配的热膨胀硅橡胶芯模横截面略小于蜂窝孔横截面，形状均为正六边形，固化保温过程中热膨胀硅橡胶芯模体积膨胀。
将预制体装配于成型装置上后，铺放导流网(7)和真空袋(8)，放入加热炉(4)中并连接真空导流管路，树脂容器通过导管连接于限流阀(9)，由导流管接口(14)接入炉内的真空袋；真空泵通过导管连接于真空阀(5)，由真空泵接口(13)接入炉内的真空袋。进行真空导流树脂步骤前，升温至50～80℃使热膨胀芯模横截面积膨胀至于钢制芯模相同；为了防止热膨胀芯模在导流时遇冷收缩，同时将树脂加热至同样的温度。树脂容器置于加热炉外面，由导流管连接树脂容器和真空袋，启动真空泵后，真空袋内形成负压状态，树脂被大气压导入真空袋。导流结束后保持真空泵运行1～2min排出多余的树脂，关闭真空泵后开始执行树脂固化工艺曲线。在升温固化的过程中热膨胀硅橡胶芯模在固化温度下体积膨胀至最大值，因受到钢制芯模和周围热膨胀硅橡胶芯模的约束，对蜂窝壁施加成型压力。固化结束冷却后，热膨胀硅橡胶芯模体积收缩，可以轻松取出；钢制芯模、底座以及热膨胀芯模端部的六边形定位销均涂覆聚四氟乙烯涂层，可以有效避免无法脱模的现象发生。
实施例1
第一步取三维编织碳纤维蜂窝预制体，该预制体张开后蜂窝孔直径为6mm，蜂窝孔高度为50mm。选用长度为60mm的钢制芯模将张开后的预制体固定于底座上，钢制芯模分布于三维编织碳纤维蜂窝预制体边缘以及内部，其中分布于预制体内部的钢制芯模将预制体分割为2个区域。底座与钢制芯模表面均匀涂覆0.2mm厚的涂层；
第二步取热膨胀硅橡胶芯模插入剩余的预制体蜂窝孔中，热膨胀硅橡胶芯模体膨胀系数为6×10-4、邵氏A硬度为40、长度为49.5mm、横截面直径5mm，六边形定位销直径3mm；
第三步将装配好的芯棒和预制体随底座铺设导流网和真空袋，放入加热炉中接入真空管道，升温至60℃使热膨胀硅橡胶芯模的横截面直径膨胀至与钢制芯模相同；
第四步将环氧树脂加热至60℃，此时环氧树脂黏度为180mPa·s，开启真空泵与导流阀，使树脂充分浸润预制体后关闭导流阀，保持真空泵运行1分钟抽出多余树脂；
第五步执行树脂固化工艺曲线，升温速率10℃/min，固化温度140℃，此时热膨胀硅橡胶芯模横截面尺寸膨胀量为室温下横截面尺寸的105％，即5.25mm，由于钢制芯模和临近热膨胀硅橡胶芯模的约束，，热膨胀硅橡胶芯模的横截面尺寸保持和钢制芯模相同，此时对蜂窝壁施加的成型压力为0.1MPa；
第六步固化完成后随炉冷却，取下芯模，获得三维编织碳纤维增强蜂窝芯坯料。
实施例2
第一步取三维编织玻璃纤维蜂窝预制体，该预制体张开后蜂窝孔直径为8mm，蜂窝孔高度为60mm。选用长度为75mm的钢制芯模将张开后的预制体固定于底座上，钢制芯模分布于三维编织玻璃纤维蜂窝预制体边缘以及内部，其中分布于预制体内部的钢制芯模将预制体分割为4个区域。底座与钢制芯模表面均匀涂覆0.5mm厚的涂层；
第二步取热膨胀硅橡胶芯模插入剩余的预制体蜂窝孔中，热膨胀硅橡胶芯模体膨胀系数为8×10-4、邵氏A硬度为50、长度为59.75mm、横截面直径7mm，六边形定位销直径4mm；
第三步将装配好的芯棒和预制体随底座铺设导流网和真空袋，放入加热炉中接入真空管道，升温至80℃使热膨胀硅橡胶芯模的横截面直径膨胀至与钢制芯模相同；
第四步将环氧树脂加热至80℃，此时环氧树脂黏度为175mPa·s，开启真空泵与导流阀，使树脂充分浸润预制体后关闭导流阀，保持真空泵运行2分钟抽出多余树脂；
第五步执行树脂固化工艺曲线，升温速率15℃/min，固化温度160℃，此时热膨胀硅橡胶芯模横截面尺寸膨胀量为室温下横截面尺寸的108％，即7.56mm，由于钢制芯模和临近热膨胀硅橡胶芯模的约束，，热膨胀硅橡胶芯模的横截面尺寸保持和钢制芯模相同，此时对蜂窝壁施加的成型压力为0.2MPa；
第六步固化完成后随炉冷却，取下芯模，获得三维编织玻璃纤维增强蜂窝芯坯料。
实施例3
第一步取三维编织聚酰亚胺纤维蜂窝预制体，该预制体张开后蜂窝孔直径为12mm，蜂窝孔高度为70mm。选用长度为90mm的钢制芯模将张开后的预制体固定于底座上，钢制芯模分布于三维编织碳纤维蜂窝预制体边缘以及内部，其中分布于预制体内部的钢制芯模将预制体分割为6个区域。底座与钢制芯模表面均匀涂覆1mm厚的涂层；
第二步取热膨胀硅橡胶芯模插入剩余的预制体蜂窝孔中，热膨胀硅橡胶芯模体膨胀系数为9×10-4、邵氏A硬度为50、长度为69mm、横截面直径11.98mm，六边形定位销直径5mm；
第三步将装配好的芯棒和预制体随底座铺设导流网和真空袋，放入加热炉中接入真空管道，升温至70℃使热膨胀硅橡胶芯模的横截面直径膨胀至与钢制芯模相同；
第四步将氰酸酯树脂加热至70℃，此时酸酯树脂黏度为200mPa·s，开启真空泵与导流阀，使树脂充分浸润预制体后关闭导流阀，保持真空泵运行1.5分钟抽出多余树脂；
第五步执行树脂固化工艺曲线，升温速率20℃/min，固化温度170℃，此时热膨胀硅橡胶芯模横截面尺寸膨胀量为室温下横截面尺寸的110％，即13.2mm，由于钢制芯模和临近热膨胀硅橡胶芯模的约束，，热膨胀硅橡胶芯模的横截面尺寸保持和钢制芯模相同，此时对蜂窝壁施加的成型压力为0.15MPa；
第六步固化完成后随炉冷却，取下芯模，获得三维编织聚酰亚胺纤维增强蜂窝芯坯料。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于热膨胀柔性芯模的三维编织纤维增强蜂窝制备装置，包括钢制芯模(1)、热膨胀硅橡胶柔性芯模(2)、底座(3)、三维编织预制体(6)；底座上加工有用于固定钢制芯模的六边形固定槽(10)和用于固定热膨胀硅橡胶芯模的六边形盲孔(11)，热膨胀硅橡胶芯模通过一端的定位销(12)与盲孔配合实现固定；钢制芯模插入三维编织纤维预制体四周边缘的蜂窝孔以及三维编织纤维预制体内部的部分蜂窝孔，分布于三维编织纤维预制体四周边缘和内部的钢制芯模将四周边缘预制体分割为若干个区域；热膨胀硅橡胶芯模插入剩余蜂窝孔；常温下装配的热膨胀硅橡胶芯模横截面略小于蜂窝孔横截面，形状均为正六边形，固化保温过程中热膨胀硅橡胶芯模体积膨胀；还包括加热炉(4)、真空阀(5)、导流网(7)、真空袋(8)、限流阀(9)，将三维编织预制体装配于成型装置上后，铺放导流网(7)和真空袋(8)，放入加热炉(4)中并连接真空导流管路，树脂容器通过导管连接于限流阀(9)，由导流管接口(14)接入炉内的真空袋；真空泵通过导管连接于真空阀(5)，由真空泵接口(13)接入炉内的真空袋。
2.一种基于热膨胀硅橡胶柔性芯模的三维编织纤维增强蜂窝制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：拉伸三维编织纤维预制体(6)使蜂窝孔张开，通过钢制芯模将预制体支撑并固定到底座上；将钢制芯模插入三维编织纤维预制体四周边缘的蜂窝孔以及三维编织纤维预制体内部的部分蜂窝孔，分布于三维编织纤维预制体四周边缘和内部的钢制芯模将四周边缘预制体分割为若干个区域；
步骤2：将热膨胀硅橡胶芯模插入剩余蜂窝孔，保证热膨胀硅胶芯模和钢制芯模排列规整；热膨胀硅橡胶芯模是由体膨胀系数为6×10-4～9×10-4，邵氏A硬度为40～50的热膨胀硅橡胶制成的正六棱柱，室温下长度小于蜂窝孔高度0.5mm～1mm，横截面直径小于蜂窝孔直径0.5mm～1.5mm，硅橡胶芯模的一端嵌入直径为3～6mm的六边形定位销(12)，六边形定位销棱边与热膨胀芯模棱边对齐；
步骤3：将装配好的芯棒及预制体随底座铺设导流网(7)、真空袋(8)，放入加热炉后接入导流管道，升温至一定温度，使硅橡胶芯模的横截面直径膨胀至与钢制芯模相同；所使用加热炉具有供抽真空管接口(13)和导流管接口(14)，导流阀安装在加热炉外侧，升温至60℃～90℃并保温，使硅橡胶芯棒的横截面直径膨胀至与钢制芯模相同；
步骤4：将热固性树脂加热至与步骤3相同的温度，通过真空辅助树脂灌注使树脂充分浸润预制体导流完成后关闭导流阀；热固性树脂在灌注时黏度不大于200mPa·s，灌注结束后关闭连接树脂容器的限流阀门(9)，保持真空泵运行1～2min；
步骤5：保持真空袋内负压，执行树脂固化升温工艺曲线；采用梯度加热方式升温，升温速率为10～20℃/min，在树脂固化温度下热膨胀硅橡胶芯模横截面尺寸膨胀量为室温下横截面尺寸的105％～110％，由芯模间挤压对蜂窝壁施加的成型压力为0.1～0.3MPa；
步骤6：固化完成后随炉冷却取出，将体积收缩后的热膨胀硅橡胶芯模和固定在底座上的钢制芯模取出，得到三维编织纤维增强蜂窝芯坯料；
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1所使用的三维编织纤维预制体的蜂窝孔结构为正六边形，蜂窝孔直径为6mm～12mm，钢制芯模为长度大于蜂窝孔高度10mm～20mm的正六棱柱，横截面直径和蜂窝孔直径相同，底座上加工有固定钢制芯模的六边形槽(10)和固定热膨胀柔性芯模的六边形盲孔(11)。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所使用的底座与钢制芯模表面均涂覆厚度在0.2mm～1mm的聚四氟乙烯涂层。
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