CN113601878B - 一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料及其成型方法 - Google Patents

一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料及其成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料及其成型方法，将预浸半固化的芳纶纸蜂窝在阳模上定型固化，得到蜂窝芯子毛坯；将蜂窝芯子毛坯放置在阴模上，按照蜂窝芯子净尺寸轮廓向内三～五个蜂窝格的范围填充发泡胶，将发泡胶预固化后得到刚度预增强的蜂窝芯子毛坯，加工至理论尺寸；以热熔预浸料制备外蒙皮、加强块、内蒙皮预浸料叠层，并与蜂窝芯子及预埋零件组装、固化，得到蜂窝共固化夹层结构复合材料。本发明采用蜂窝芯子刚度预增强、激光投影辅助的蜂窝成型与外形加工技术以及夹层结构组装共固化技术，避免了蜂窝芯子在固化成型过程中的塌陷变形，使成型后复合材料有较好的内部质量、外形尺寸精度与预埋零件位置精度。

Description

一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料及其 成型方法
技术领域
本发明属于夹层结构复合材料成型技术领域，特别涉及一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料及其成型方法。
背景技术
随着新型号航空航天运输器对更大的尺寸、更大的载荷、更高的速度以及结构功能一体化的需求，简单结构、低高度的夹层结构复合材料已难以满足口盖、舱门等零件的设计要求。
随着飞行器尺寸与载荷的增加，为确保零件整体的力学性能，蜂窝夹芯高度也被设计得更高。蜂窝夹芯周向边缘带倒角的A型夹层结构在共固化过程中，由于热压罐压力的侧向分力，导致蜂窝夹芯容易侧向滑移、收缩变形甚至失稳塌陷。传统的零件设计中往往采用蜂窝夹芯四周倒角小于25°的方式来减少蜂窝的滑移与变形。然而随着蜂窝高度的增加，为确保零件的有效工作面积，设计的蜂窝夹芯的周向边缘倒角角度也会增加，从而进一步提高固化过程中的侧向分力。因此，传统的共固化成型工艺手段已无法避免大高度蜂窝固化变形、塌陷的问题。
随着飞行器速度增加，飞行器的气动外形被设计得更加复杂，舱门、口盖等零件的外型面也往往是异型面；而结构功能一体化的设计也往往使零件的内型面更加复杂，同时也会对夹层结构内部的预埋零件位置精度提出更高的要求。
综上所述，传统的蜂窝夹层结构共固化工艺技术已经难以满足新型号航空航天运输器的设计使用要求，而采用分步固化方法则难以保障复杂型面夹层结构零件的蜂窝-蒙皮胶接质量，同时也会极大的增加制造周期与成本。因此，实现蜂窝夹层结构共固化技术在大曲率、异型面、大高度的飞行器零件上的应用，对我国航空航天运输器的研制进程十分重要，其研究与沿用水平决定了飞行器中此类夹层结构构件的性能、质量与可靠性。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的成型方法，可有效指导大曲率、异型面、大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的成型，满足成型质量与预埋零件位置精度，从而提升该类夹层结构复合材料的性能、质量与可靠性。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的成型方法，包括如下步骤：
步骤(1)，根据蜂窝共固化夹层结构复合材料的外形尺寸制备成型模具，夹层结构中蜂窝芯子的高度≥30mm，周向边缘倒角为30～70°，所述成型模具包括用于蜂窝定型的阳模，以及用于蜂窝芯子刚度预增强和夹层结构复合材料共固化成型的阴模；所述阳模具有与蜂窝芯子内型面匹配的凸面结构，所述阴模具有与蜂窝芯子外型面匹配的凹面结构；
步骤(2)，将预浸半固化的Nomex芳纶纸蜂窝在阳模上真空包覆、定型固化，得到蜂窝芯子毛坯；
步骤(3)，将步骤(2)中制备的蜂窝芯子毛坯放置在阴模上，确认蜂窝芯子毛坯外型面与阴模型面匹配后将蜂窝芯子毛坯固定，按照蜂窝芯子净尺寸轮廓向内三～五个蜂窝格的范围填充发泡胶；
步骤(4)，将步骤(3)中填充发泡胶后的蜂窝芯子毛坯进行真空包覆、预固化，得到刚度预增强的蜂窝芯子毛坯；
步骤(5)，将步骤(4)中刚度预增强的蜂窝芯子毛坯加工至理论尺寸；
步骤(6)，获取热熔预浸料；
步骤(7)，将步骤(1)中的阴模表面涂刷一层树脂胶液；
步骤(8)，将步骤(6)获取的热熔预浸料裁剪成外蒙皮和加强块的铺层展开的尺寸，按共固化夹层结构设计的铺层顺序在步骤(7)中的阴模表面进行铺层叠加，得到外蒙皮和加强块预浸料叠层；
步骤(9)，将步骤(5)制得的刚度预增强的蜂窝芯子以及预埋零件进行表面处理，在蜂窝芯子下表面及预埋零件四周粘贴胶膜；
步骤(10)，将步骤(9)制得的蜂窝芯子、预埋零件和步骤(8)制得的加强块预浸料叠层在步骤(8)制得的外蒙皮预浸料叠层表面进行定位、组装，在以上整体组件上表面粘贴胶膜，再实施真空预压实；
步骤(11)，将步骤(6)获取的热熔预浸料裁剪成内蒙皮铺层展开的尺寸，按共固化夹层结构设计的铺层顺序在步骤(10)中制得的蜂窝芯子与外蒙皮组件表面进行铺层叠加，得到内蒙皮预浸料叠层；
步骤(12)，对步骤(11)得到的组装结构进行真空包覆、固化；
步骤(13)，对步骤(12)固化的产品进行拆除固化装置，得到蜂窝共固化夹层结构复合材料。
第二方面，一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料，通过第一方面所述的成型方法制备得到。
根据本发明提供的一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料及其成型方法，具有以下有益效果：
本发明的异型面大高度蜂窝共固化夹层结构成型模具，主体模采用阴模结构形式，具有与蜂窝芯子外型面匹配的凹面结构，满足大曲率异型面外形尺寸要求；四角设计靶标销孔，激光投影设备得以在该模具上配套使用；通过优化Nomex蜂窝热成形工艺参数，特别是升温速率的控制，减缓因曲率过大造成蜂窝局部节点破坏的问题；通过在蜂窝芯子净尺寸轮廓处填充发泡胶并预固化，提高了蜂窝芯子的刚度，避免了夹层结构共固化成型过程中蜂窝芯子失稳塌陷、变形过大的问题；发泡胶预固化过程中抽真空，避免了冗余的发泡胶堆积在蜂窝格子内从而增加整体重量；通过激光投影技术对蒙皮、预埋零件、加强块、蜂窝芯子进行精确定位，保证蒙皮与蜂窝芯子的贴合度，进而保障了界面胶接质量；通过针对Nomex蜂窝芯材、胶黏剂与纤维增强环氧树脂基复合材料的固化特性，优化了夹层结构复合材料成型工艺参数，从而减少了蜂窝芯子变形并保证了蒙皮及胶接界面的成型质量。
总之，本发明的大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的成型方法，采用蜂窝芯子刚度预增强技术、激光投影辅助的蜂窝成型与外形加工技术以及夹层结构组装共固化技术，避免了蜂窝芯子在固化成型过程中的塌陷变形，使成型后的大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料有较好的内部质量、外形尺寸精度与预埋零件位置精度。
附图说明
图1为本发明所述的大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的结构示意图；其中，1-外蒙皮、2-内蒙皮、3-夹层结构区域、4-加强块、5-预埋零件、11-周向边缘倒角；
图2为本发明所述的大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的成型工艺流程图；
图3为本发明所述的大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的成型模具示意图，左图为阴模，右图为阳模，左图中6-靶标销孔；
图4为本发明所述的大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的蜂窝芯子示意图，左图为蜂窝芯子所在位置，右图为蜂窝芯子，图中7-发泡胶填充区域；
图5为本发明所述的大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的横截面剖视图，图中8-蜂窝芯子、9-发泡胶填充区域、10-预埋零件。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供了一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的成型方法，包括如下步骤：
步骤(1)，根据蜂窝共固化夹层结构复合材料的外形尺寸制备成型模具，夹层结构中蜂窝芯子的高度≥30mm，周向边缘倒角为30～70°，所述成型模具包括用于蜂窝定型的阳模，以及用于蜂窝芯子刚度预增强和夹层结构复合材料共固化成型的阴模；所述阳模具有与蜂窝芯子内型面匹配的凸面结构，所述阴模具有与蜂窝芯子外型面匹配的凹面结构；
步骤(2)，将预浸半固化的Nomex芳纶纸蜂窝在阳模上真空包覆、定型固化，得到蜂窝芯子毛坯；
步骤(3)，将步骤(2)中制备的蜂窝芯子毛坯放置在阴模上，确认蜂窝芯子毛坯外型面与阴模型面匹配后将蜂窝芯子毛坯固定，按照蜂窝芯子净尺寸轮廓向内三～五个蜂窝格的范围填充发泡胶；
步骤(4)，将步骤(3)中填充发泡胶后的蜂窝芯子毛坯进行真空包覆、预固化，得到刚度预增强的蜂窝芯子毛坯；
步骤(5)，将步骤(4)中刚度预增强的蜂窝芯子毛坯加工至理论尺寸；
步骤(6)，将增强材料浸渍到树脂胶液中，制成热熔预浸料；热熔预浸料还可以商购获得；
步骤(7)，将步骤(1)中的阴模表面涂刷一层树脂胶液；
步骤(8)，将步骤(6)制备的热熔预浸料裁剪成外蒙皮和加强块的铺层展开的尺寸，按共固化夹层结构设计的铺层顺序在步骤(7)中的阴模表面进行铺层叠加，得到外蒙皮和加强块预浸料叠层；
步骤(9)，将步骤(5)制得的刚度预增强的蜂窝芯子以及预埋零件进行表面处理(如打磨增加粗糙度和刷胶)，在蜂窝芯子下表面及预埋零件四周粘贴胶膜；
步骤(10)，将步骤(9)制得的蜂窝芯子、预埋零件和步骤(8)制得的加强块预浸料叠层在步骤(8)制得的外蒙皮预浸料叠层表面进行定位、组装，在以上整体组件上表面粘贴胶膜，再实施真空预压实；
步骤(11)，将步骤(6)制备的热熔预浸料裁剪成内蒙皮铺层展开的尺寸，按共固化夹层结构设计的铺层顺序在步骤(10)中制得的蜂窝芯子与外蒙皮组件表面进行铺层叠加，得到内蒙皮预浸料叠层；
步骤(12)，对步骤(11)得到的组装结构进行真空包覆、固化；
步骤(13)，对步骤(12)固化的产品进行拆除固化装置，得到蜂窝共固化夹层结构复合材料。
进一步地，步骤(1)中，阳模、阴模材质为硬质金属材料如钢；阴模工作面外至少设置四个靶标销孔用于安放激光投影仪配套的反射靶标。
进一步地，步骤(2)中，所述Nomex芳纶纸蜂窝的定型固化在烘箱中进行，固化工艺为：真空表压不大于-0.097MPa；升温速率为(25±5)℃/h，保温温度为(160±5)℃，保温时间为2～3h；随炉降至室温，完成固化。
进一步地，步骤(3)中，填充发泡胶时，采用激光投影仪对蜂窝芯子净尺寸轮廓及位置进行定位、标记；采用的发泡胶为J-60高温固化粉状发泡胶。
进一步地，步骤(4)中，所述预固化在烘箱中进行，预固化工艺为：真空表压不大于-0.097MPa；升温速率不大于40℃/h，保温温度为(110±5)℃，保温时间为3～4h；随炉降至室温，完成预固化。
进一步地，步骤(5)中，对蜂窝芯子毛坯加工时，采用激光投影仪对蜂窝芯子的上表面、下表面的净尺寸轮廓进行定位、标记；所述轮廓及位置作为加工基准，借助于超声五轴加工中心对蜂窝芯子毛坯进行加工。
进一步地，步骤(6)中，所述树脂胶液为环氧树脂，所述增强材料为碳纤维布材料或玻璃纤维布材料。
进一步地，步骤(6)中，所述热熔预浸料中树脂胶液的质量占比为38±3％。
进一步地，步骤(7)中，所述树脂胶液为环氧树脂；
进一步地，步骤(8)中，外蒙皮铺层过程中铺层的角度控制借助于激光投影仪进行定位。
进一步地，步骤(9)中，采用的胶膜为SJ-2A高温固化结构胶膜。
进一步地，步骤(10)中，所述蜂窝芯子、预埋零件和加强块预浸料叠层的位置借助于激光投影仪进行定位。
进一步地，步骤(11)中，所述内蒙皮铺层过程中铺层的角度控制借助于激光投影仪进行定位。
进一步地，步骤(12)中，所述固化在热压罐中进行，固化工艺为：初始真空表压不大于-0.097MPa；压力为0.2～0.3MPa；升温速率为(25±5)℃/h，保温温度为(165±5)℃，保温时间为8～10h；降温速率不大于10℃/h，随炉降至室温，固化完成。
第二方面，一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料，通过第一方面所述的成型方法制备得到。
实施例
实施例1
如图1所示，大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料，内外蒙皮采用国产碳纤维增强环氧树脂基复合材料，产品长度1300mm，宽度500mm，蒙皮层合区域厚度5.6mm；夹层结构内部包括蜂窝芯子、碳/环氧加强块以及金属预埋零件等；蜂窝芯子高度35mm，芯子周向边缘倒角45°。要求层合区域分层缺陷面积不大于1％，单个分层缺陷Z值不大于13mm；夹层结构胶接界面脱粘面积不大于1％，单个脱粘缺陷Z值不大于13mm；蜂窝收缩率小于1％，无目视可见塌陷，预埋零件位置偏差小于2mm。
如图2所示，本实施例的一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的成型方法，包括如下步骤：
1)根据蜂窝共固化夹层结构复合材料外形尺寸制备成型模具，所述成型模具包括用于蜂窝定型的阳模，以及用于蜂窝芯子刚度预增强和夹层结构共固化成型的阴模，如图3所示；
2)将预浸半固化的Nomex芳纶纸蜂窝在阳模上真空包覆、定型固化，得到蜂窝芯子毛坯；所述固化工艺为：真空表压不大于-0.097MPa；升温速率(25±5)℃/h，保温温度(160±5)℃，保温时间2h；随炉降至室温，固化完成；
3)将步骤2)中制备的带有双曲率的蜂窝芯子毛坯放置在阴模上，确认芯子毛坯曲率与模具匹配后将芯子毛坯固定，借助于激光投影仪定位芯子净尺寸轮廓，按照芯子净尺寸轮廓向内三个蜂窝格的范围填充J-60发泡胶，如图4所示；
4)将步骤3)中填充发泡胶后的蜂窝芯子毛坯进行真空包覆、预固化，得到刚度预增强的蜂窝芯子毛坯；所述预固化工艺为：真空表压不大于-0.097MPa；升温速率不大于40℃/h，保温温度为(110±5)℃，保温时间为3h；随炉降至室温，预固化完成；
5)借助超声五轴加工中心，将步骤4)中刚度预增强后的蜂窝芯子毛坯加工至理论尺寸；
6)将增强材料碳纤维布浸渍到环氧树脂中，制成热熔预浸料；所述碳纤维布增强热熔预浸料中环氧树脂质量占比为38±3％；
7)将步骤1)中的阴模表面涂刷一层环氧树脂；
8)将步骤6)制备的热熔预浸料裁剪成外蒙皮和加强块的铺层展开的尺寸，按共固化夹层结构设计的铺层顺序在步骤7)中的阴模表面借助激光投影仪定位进行铺层叠加，得到外蒙皮和加强块预浸料叠层；
9)将步骤5)制得的刚度预增强的蜂窝芯子以及预埋零件进行表面处理，粘贴SJ-2A胶膜；
10)将步骤9)制得的蜂窝芯子、预埋零件和步骤8)制得的加强块预浸料叠层在步骤9)制得的外蒙皮预浸料叠层表面借助激光投影仪进行定位、组装和真空预压实；
11)将步骤6)制备的热熔预浸料裁剪成内蒙皮铺层展开的尺寸，按共固化夹层结构设计的铺层顺序在步骤10)中制得的蜂窝芯子与外蒙皮组件表面借助激光投影仪定位进行铺层叠加，得到内蒙皮预浸料叠层；
12)对步骤11)得到的组装结构进行包覆、固化；所述固化工艺为：初始真空表压不大于-0.097MPa；压力0.3MPa；升温速率(25±5)℃/h，保温温度(165±5)℃，保温时间8h；降温速率不大于10℃/h，随炉降至室温，固化完成。
13)对步骤12)固化的产品进行拆除固化装置，得到蜂窝共固化夹层结构复合材料，其内部结构剖面图如图5所示。
通过上述步骤使得本实施例制备的大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料无损检测未发现分层缺陷及脱粘缺陷，满足分层、脱粘缺陷面积不大于可探面积的1％、单个缺陷Z值不大于13mm的设计要求。蜂窝收缩率小于1％，无目视可见塌陷，预埋零件位置偏差小于±2mm。内型面轮廓精度满足设计使用要求(小于±0.5mm)。最终保证了本实施例制备的大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的成型内部质量与外形尺寸精度要求。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，根据蜂窝共固化夹层结构复合材料的外形尺寸制备成型模具，夹层结构中蜂窝芯子的高度≥30mm，周向边缘倒角为30～70°，所述成型模具包括用于蜂窝定型的阳模，以及用于蜂窝芯子刚度预增强和夹层结构复合材料共固化成型的阴模；所述阳模具有与蜂窝芯子内型面匹配的凸面结构，所述阴模具有与蜂窝芯子外型面匹配的凹面结构；
步骤(2)，将预浸半固化的Nomex芳纶纸蜂窝在阳模上真空包覆、定型固化，得到蜂窝芯子毛坯；
步骤(3)，将步骤(2)中制备的蜂窝芯子毛坯放置在阴模上，确认蜂窝芯子毛坯外型面与阴模型面匹配后将蜂窝芯子毛坯固定，按照蜂窝芯子净尺寸轮廓向内三～五个蜂窝格的范围填充发泡胶；
步骤(4)，将步骤(3)中填充发泡胶后的蜂窝芯子毛坯进行真空包覆、预固化，得到刚度预增强的蜂窝芯子毛坯；预固化工艺为：真空表压不大于-0.097MPa；升温速率不大于40℃/h，保温温度为(110±5)℃，保温时间为3～4h；随炉降至室温，完成预固化；
步骤(5)，将步骤(4)中刚度预增强的蜂窝芯子毛坯加工至理论尺寸；
步骤(6)，获取热熔预浸料；
步骤(7)，将步骤(1)中的阴模表面涂刷一层树脂胶液；
步骤(8)，将步骤(6)获取的热熔预浸料裁剪成外蒙皮和加强块的铺层展开的尺寸，按共固化夹层结构设计的铺层顺序在步骤(7)中的阴模表面进行铺层叠加，得到外蒙皮和加强块预浸料叠层；
步骤(9)，将步骤(5)制得的刚度预增强的蜂窝芯子以及预埋零件进行表面处理，在蜂窝芯子下表面及预埋零件四周粘贴胶膜；
步骤(10)，将步骤(9)制得的蜂窝芯子、预埋零件和步骤(8)制得的加强块预浸料叠层在步骤(8)制得的外蒙皮预浸料叠层表面进行定位、组装，在以上整体组件上表面粘贴胶膜，再实施真空预压实；
步骤(11)，将步骤(6)获取的热熔预浸料裁剪成内蒙皮铺层展开的尺寸，按共固化夹层结构设计的铺层顺序在步骤(10)中制得的蜂窝芯子与外蒙皮组件表面进行铺层叠加，得到内蒙皮预浸料叠层；
步骤(12)，对步骤(11)得到的组装结构进行真空包覆、固化；
步骤(13)，对步骤(12)固化的产品进行拆除固化装置，得到蜂窝共固化夹层结构复合材料。
2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，步骤(1)中，所述阴模的工作面外至少设置四个靶标销孔用于安放激光投影仪配套的反射靶标。
3.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，步骤(2)中，所述Nomex芳纶纸蜂窝的定型固化在烘箱中进行，固化工艺为：真空表压不大于-0.097MPa；升温速率为(25±5)℃/h，保温温度为(160±5)℃，保温时间为2～3h；随炉降至室温，完成固化。
4.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，步骤(3)中，填充发泡胶时，采用激光投影仪对蜂窝芯子净尺寸轮廓及位置进行定位、标记；采用的发泡胶为J-60高温固化粉状发泡胶。
5.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，步骤(4)中，所述预固化在烘箱中进行。
6.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，步骤(5)中，对蜂窝芯子毛坯加工时，采用激光投影仪对蜂窝芯子的上表面、下表面的净尺寸轮廓进行定位、标记；所述轮廓及位置作为加工基准，实施蜂窝芯子毛坯的加工。
7.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，步骤(8)中，所述外蒙皮的铺层过程中铺层的角度控制借助于激光投影仪进行定位。
8.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，步骤(10)中，所述蜂窝芯子、预埋零件和加强块预浸料叠层的位置借助于激光投影仪进行定位；
步骤(11)中，所述内蒙皮铺层过程中铺层的角度控制借助于激光投影仪进行定位。
9.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，步骤(12)中，所述固化在热压罐中进行，固化工艺为：初始真空表压不大于-0.097MPa；压力为0.2～0.3MPa；升温速率为(25±5)℃/h，保温温度为(165±5)℃，保温时间为8～10h；降温速率不大于10℃/h，随炉降至室温，固化完成。
10.一种大曲率异型面大高度蜂窝共固化夹层结构复合材料，其特征在于，通过权利要求1至9之一所述的成型方法制备得到。
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