CN114030241B - 一种碳纤维复合材料蜂窝、制备方法及应用 - Google Patents

一种碳纤维复合材料蜂窝、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料蜂窝、制备方法及应用，本发明中围成蜂窝孔格的孔壁材料为碳纤维复合材料层合组合体，采用单向碳纤维预浸料按预设铺层顺序铺放、压实制成；本发明首先铺贴预浸料并冷压后获得孔壁层合组合体坯件，再利用模具重复铺贴层合组合体坯件至达到待制备蜂窝宽度，最后同时实现层合组合体维形固化和节点胶接固化，从而实现轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝的制备，满足了蜂窝的重量、综合力学性能指标(包括平面拉伸、平面压缩、平面剪切性能、长梁弯曲性能等)要求。

Description

一种碳纤维复合材料蜂窝、制备方法及应用
技术领域
本发明属于芯材制造技术领域，特别涉及一种碳纤维复合材料蜂窝、制备方法及应用。
背景技术
碳纤维复合材料蜂窝是一种轻质高性能可匹配设计的新型结构芯材，可满足复合材料夹层结构系统轻质、高强度、高刚度等要求，是高性能轻质复合材料结构先进性的重要体现。
美国研究机构在这类材料上已经具备成熟的制备技术，并实现工程应用；欧洲也有相关研究及应用的报告。美国HEXCEL公司、ULTRACOR公司已具备制造不同碳纤维、树脂体系、不同结构形式匹配设计的碳纤维复合材料蜂窝的技术能力，具有通用齐备的蜂窝规格的碳纤维复合材料蜂窝产品；也可完成满足客户需要的密度、材料体系的碳纤维复合材料蜂窝芯材制造。美国ULTRACOR公司研制出一款碳纤维复合材料蜂窝，密度达到56kg/m3，平面压缩强度为5.97MPa、平面压缩模量为516MPa，L向平面剪切强度为4.0MPa、L向平面剪切模量为356MPa，可满足高比强度、高比模量的复合材料夹层结构设计及使用要求。基于轻质碳纤维复合材料蜂窝设计并制造的全碳夹层复合材料在欧洲科研机构研制的ExoMars火星探测器天线、PLANK探测器反射镜、RICH1反射镜等结构系统上实现应用，但国外相关具体制备方法并未公开。
目前国内处于碳纤维复合材料蜂窝研制探索阶段，无公开报道、无成熟商品化产品。常用铝蜂窝、纸蜂窝、玻璃钢蜂窝芯材存在两方面的不足：一是蜂窝力学性能提高及减重效果有限，二是蜂窝芯与碳纤维面板组合制造出轻质复合材料夹层结构件因异质材料的热胀不匹配，在最苛刻工况下会引发构件内部微裂纹扩展而导致构件结构损伤，所以急需研制一种碳纤维蜂窝的制备方法，使其满足航天等领域轻质高强高模夹层构件的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供了一种碳纤维复合材料蜂窝、制备方法及应用，本发明中围成蜂窝孔格的孔壁材料为碳纤维复合材料层合组合体，采用单向碳纤维预浸料按预设铺层顺序铺放、压实制成；本发明首先铺贴预浸料并冷压后获得孔壁层合组合体坯件，再利用模具重复铺贴层合组合体坯件至达到待制备蜂窝宽度，最后同时实现层合组合体维形固化和节点胶接固化，从而实现轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝的制备，满足了蜂窝的重量、综合力学性能指标(包括平面拉伸、平面压缩、平面剪切性能、长梁弯曲性能等)要求。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种碳纤维复合材料蜂窝，蜂窝孔格为六边形孔格，孔壁为碳纤维复合材料层合组合体，所述层合组合体由≥2层碳纤维复合材料铺层叠合而成；所述单层碳纤维复合材料厚度为0.02～0.15mm，纤维体积含量为50％～65％。
进一步的，蜂窝的体密度≤100kg/m3，孔格内接圆直径≥Φ4.8mm，孔壁厚度≥0.04mm。
进一步的，碳纤维复合材料中的树脂基体为增韧环氧树脂或双马来酰亚胺树脂中的一种或一种以上组合，碳纤维为T300，T700，T800，T1000，M40，M46，M55，M65级中的一种或一种以上组合。
进一步的，所述层合组合体由层合组合体坯件固化得到，所述层合组合体坯件的制备方法如下：
(1)将碳纤维丝束分散展开，与树脂膜层复合得到单向碳纤维预浸料；碳纤维预浸料的面密度为20-165g/m2，树脂质量百分比为30％-38％；
(2)将单向碳纤维预浸料按照预设铺层顺序在层合组合体铺贴压实模上进行预浸料铺放，每铺放1-2层，对铺放的预浸料进行抽真空冷压；
(3)将铺放完成的预浸料在层合组合体铺贴压实模上压实，得到层合组合体坯件；所述层合组合体铺贴压实模的工作面形状与待制备蜂窝的上表面或下表面形状相匹配。
一种碳纤维复合材料蜂窝的制备方法，包括以下步骤：
(1)将碳纤维丝束分散展开，与树脂膜层复合得到单向碳纤维预浸料；碳纤维预浸料的面密度为20-165g/m2，树脂质量百分比为30％-38％；
(2)将单向碳纤维预浸料按照预设铺层顺序在层合组合体铺贴压实模上进行预浸料铺放，每铺放1-2层，对铺放的预浸料进行抽真空冷压；
(3)将铺放完成的预浸料在层合组合体铺贴压实模上压实，得到层合组合体坯件；所述层合组合体铺贴压实模的工作面形状与待制备蜂窝的上表面或下表面形状相匹配；
(4)将层合组合体坯件裁切至预定尺寸，并将多个裁切后的层合组合体坯件在蜂窝压制固化组合模具中完成铺贴后，得到蜂窝预制体；
(5)使所得蜂窝预制体在蜂窝压制固化组合模具中进行固化；
(6)固化完成后去除蜂窝压制固化组合模具，得到碳纤维复合材料蜂窝。
进一步的，所述步骤(2)中，单向碳纤维预浸料的0°方向与蜂窝纵向保持一致，表层铺层角度为非0°和90°的任意角度；
所述预设铺层顺序为[+45/-45]式组合的非对称铺层顺序，[+45/0/-45]式组合的非对称铺层顺序，[+60/-60/-60/+60]式组合的对称铺层顺序、[+45/-45/-45/+45]式组合的对称铺层顺序，[+60/0/-60]s式组合的准各向同性铺层顺序，[+45/-45/0/+90]式组合的准各向同性铺层顺序，[+45/0/0/-45]式组合的蜂窝纵向加强铺层顺序，[+60/0/0/-60]s式组合的蜂窝纵向加强铺层顺序中的一种。
进一步的，所述步骤(2)中，预设铺层顺序为[+60/-60/-60/+60]式组合的对称铺层顺序、[+45/-45/-45/+45]式组合的对称铺层顺序，[+60/0/-60]s式组合的准各向同性铺层顺序，[+45/-45/0/+90]式组合的准各向同性铺层顺序中的一种。
进一步的，所述步骤(4)和(5)中，蜂窝压制固化组合模具包括下模体，上模体，六边形芯杆和侧挡板；所述下模体和上模体的工作面为分别与待制备蜂窝的下表面和上表面相匹配的凹凸结构，所述六边形芯杆与待制备蜂窝孔格相匹配，六边形芯杆内接圆直径与蜂窝孔格内接圆直径相等；所述侧挡板在固化过程中与蜂窝预制体侧面配合，实现蜂窝预制体的维形。
进一步的，所述步骤(4)中，将层合组合体坯件裁切至预定尺寸，并将多个裁切后的层合组合体坯件在蜂窝压制固化组合模具中完成铺贴，得到蜂窝预制体的具体步骤为：
(41)分别根据待制备蜂窝的长度和高度确定层合组合体坯件的预定长度和宽度，将层合组合体坯件裁切至预定尺寸；根据待制备蜂窝的宽度确定层合组合体坯件所需数量为n；如图5所示，垂直纸面方向为待制备蜂窝的高度方向，左右方向为待制备蜂窝的长度方向，上下方向为待制备蜂窝的宽度方向；
(42)将第一层裁切后的层合组合体坯件在坯件压实模具的下模体的工作面上铺贴；
(43)将六边形芯杆置于第i层坯件所形成的凹腔内，以六边形芯杆的上表面及第i层的凸起面为第i+1层坯件的铺贴工作面，对第i+1层坯件进行铺贴；
(44)重复步骤(43)n-1次，得到蜂窝预制体。
进一步的，所述步骤(44)中，每铺贴2～4层层合组成体坯件，对坯件进行一次压紧，所述压紧的方法为抽真空冷压实或采用重量≥5kg的压力块压紧。
进一步的，所述步骤(5)中，使所得蜂窝预制体在蜂窝压制固化组合模具中进行固化的具体步骤为：
(51)在步骤(4)所得蜂窝预制体的上表面压制上模具，并固定侧挡板，保证蜂窝预制体的侧面为竖直方向；
(52)在热压罐或烘箱内对蜂窝预制体进行固化，所述固化过程同时实现蜂窝预制体中各层坯件的维形固化以及坯件接合节点的胶接固化；所述固化温度为165℃～185℃，固化时间3h～6h，固化压力0.5MPa～2.0Mpa。
进一步的，所述步骤(52)中，记待制备蜂窝宽度为W，当W≤300mm，固化压力为0.5MPa～0.8Mpa，当300mm＜W≤500mm，固化压力为0.8MPa～1.2Mpa，当500mm＜W≤800mm，固化压力为0.8MPa～1.6Mpa；当800mm＜W≤1000mm，固化压力为1.0MPa～2.0Mpa。
进一步的，所述层合组合体铺贴压实模的工作面长度≥0.5m，长度型面精度≤0.1mm，宽度型面精度≤0.05mm，凹凸高度精度≤0.05mm；
蜂窝压制固化组合模具中，下模体工作面的长度≥0.3m，长度型面精度≤0.1mm，宽度型面精度≤0.05mm，凹凸高度精度≤0.05mm；上模体工作面的长度≥0.3m，长度型面精度≤0.1mm，宽度型面精度≤0.05mm，凹凸高度精度≤0.05mm；层合组合体坯件的预定宽度≤六边形芯杆长度≤300mm，六边形芯杆长度直线度≤0.05mm，棱角R角≤R4。
一种碳纤维复合材料蜂窝的应用，将上述一种碳纤维复合材料蜂窝应用于制造轻质复合材料夹层构件。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝及其制备方法中，蜂窝的孔壁为单向碳纤维复合材料按设计铺层顺序叠合铺层的层合组合体，采用层合组合体坯件预定型+层合组合体维形固化以及组合体接合节点胶接固化的一体制备工艺，实现了轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝的制备，满足了蜂窝的低密度、高强度、高刚度等综合性能技术指标要求；具体的，碳纤维蜂窝蜂窝体密度≤56kg/m3时，蜂窝平面压缩强度≥5MPa，平面压缩刚度≥500MPa，平面剪切强度≥4MPa，蜂窝体密度≤72kg/m3时，平面压缩强度≥7MPa，平面压缩刚度≥800MPa，平面剪切强度≥6MPa；
(2)本发明轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝及其制备方法中，采用单向碳纤维预浸料制备碳纤维蜂窝，无纤维弯折带来的材料性能损失，可最大程度地发挥出连续碳纤维的轴向力学性能优势；多向层合铺层碳纤维蜂窝设计性更强，综合性能更高，可获得超高强度、超高模量，满足苛刻轻质高性能夹层结构的设计与使用需要；
(3)本发明轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝及其制备方法中，碳纤维蜂窝的层合组合体的铺层顺序，可设计为非对称准铺层、对称铺层、准各向同性铺层，以及蜂窝纵向加强铺层等铺层顺序，满足不同夹层构件用碳纤维复合材料蜂窝综合性能要求；在无特定性能要求情况下，优选对称和准各向同性铺层顺序，制备获得的蜂窝固化后残余应力小，抗变形能力强；
(4)本发明轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝及其制备方法中，层合组合体的铺层顺序中，单向预浸料的0°方向与蜂窝纵向保持一致，表层铺层角度为非0°和90°，特别是+45°或-45°；铺层角度不同，其对应蜂窝压缩、剪切等力学性能不同，可以结合复合材料夹层构件设计要求，优化获得最佳蜂窝综合力学性能，灵活性高，适用范围广；
(5)本发明轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝及其制备方法中，通过分步制备工装的设计，结合型面精度要求，实现了蜂窝层合组合体坯件预定型以及共固化工艺的设定，有效保证了碳纤维复合材料蜂窝的一体化成型；
(6)本发明轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝及其制备方法，解决了高比强度、高比刚度碳纤维复合材料蜂窝的瓶颈难题，可实现高性能航空航天飞行器高比强度、高比刚度、高热稳定性的轻质复合材料夹层结构件的制造，也可转化应用到诸如航空发动机、高铁、汽车等其他领域结构系统高性能蜂窝夹层结构件上，能够满足我国日益高涨的轻质高性能全碳夹层复合材料构件的研制需要，创新性、经济效益及前瞻性突出。
附图说明
图1为本发明中轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝结构示意图，其中，蜂窝表层的铺层方向与蜂窝纵向角度为45°；
图2为本发明中碳纤维复合材料蜂窝的层合组合体结构示意图，其中，蜂窝表层的铺层方向与蜂窝纵向角度为45°；
图3为本发明碳纤维复合材料蜂窝的孔壁层合组合体铺层顺序设计示意图；
图4为本发明碳纤维复合材料蜂窝的层合组合体铺贴压实模结构示意图；
图5为本发明蜂窝压制固化组合模具结构示意图。
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。
采用碳纤维复合材料蜂窝制备碳纤维蒙皮+碳纤维蜂窝芯的全碳同质夹层复合材料，具有更显著的减重效果、更高的比强度与比刚度，满足新型飞行器结构系统的性能升级和研制需要。
采用单向碳纤维预浸料制备碳纤维蜂窝更是一种创新的设计及工艺方法，可通过铺层顺序设计最大程度发挥出连续碳纤维的性能优势。多向层合铺层碳纤维蜂窝设计性更强，综合性能更高，可以满足新型航空航天飞行器结构系统对轻质高性能蜂窝材料的设计与使用要求。
本发明一种轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝，该碳纤维复合材料蜂窝的孔格为由孔壁围成的六边形孔格，孔壁材料为碳纤维复合材料多层叠合的层合组合体；蜂窝结构参数，依据蜂窝体密度和综合力学性能要求而设计给出；所述碳纤维复合材料蜂窝的结构参数包括孔格边长、壁厚、组合体铺层顺序，蜂窝综合力学性能包括平面拉伸、平面压缩、平面剪切、长梁弯曲及侧压性能。
进一步的，所述碳纤维复合材料层合组合体是将设计数量的多层单向碳纤维预浸料铺放叠合实现。
进一步的，所述碳纤维复合材料蜂窝的结构参数为结合蜂窝结构模型以及蜂窝结构等效强度和刚度计算公式，获得结构参数对蜂窝性能影响关系，对比蜂窝性能结果，优化设计得出。
进一步的，所述碳纤维复合材料蜂窝的体密度≤100kg/m3，所述蜂窝孔格的内接圆直径≥Φ4.8mm，孔壁厚度≥0.04mm。
进一步的，所述层合组合体制备用的碳纤维复合材料的纤维体积含量控制在50％-65％之间，单层单向复合材料厚度在0.02-0.15mm之间。
进一步的，所述层合组合体由层合组合坯件固化得到，层合组合坯件由碳纤维预浸料铺层压制得到，碳纤维预浸料中，树脂基体为增韧热固性树脂，优选为增韧环氧树脂或双马来酰亚胺树脂中的任意一种或多种，碳纤维选自T300、T700、T800、T1000高强级碳纤维以及M40、M46、M55、M65级高模级碳纤维中任意一种或多种。
进一步的，所述层合组合体的铺层顺序，结合单向预浸料单层厚度和孔壁厚度许可范围，可设计为[+45/-45]、[+45/0/-45]式组合的非对称铺层顺序，[+60/-60/-60/+60]、[+45/-45/-45/+45]式组合的对称铺层顺序，[+60/0/-60]s、[+45/-45/0/+90]s式组合的准各向同性铺层顺序，[+45/0/0/-45]、[+60/0/0/-60]s式组合的蜂窝纵向加强铺层顺序，以满足不同蜂窝性能要求；在无特定性能要求情况下，优选对称和准各向同性铺层顺序。
进一步的，所述层合组合体坯件通过以下方式制备得到：
步骤(1)，将碳纤维丝束分散展开，与树脂膜层复合制备出超薄碳纤维预浸料，预浸料面密度控制在20-165g/m2之间，树脂质量含量控制在30％-38％之间；
步骤(2)，将步骤(1)得到的单向碳纤维预浸料，按照优化设计的铺层顺序在层合组合体铺贴压实模上完成预浸料铺放，每铺放1-2层，对铺放的预浸料进行抽真空冷压；
步骤(3)，将步骤(2)得到的层合组合体压实，压实时间不少于10min，将坯件从铺层模上取出，获得孔壁层合组合体坯件。
进一步的，所述层合组合体的铺层顺序中，单向预浸料的0°方向与蜂窝纵向保持一致，表层铺层角度为非0°和90°，优选+45°或-45°。
一种轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将碳纤维丝束分散展开，与树脂膜层复合制备出单向碳纤维预浸料，预浸料面密度控制在20-165g/m2之间，树脂质量含量控制在30％-38％之间；
步骤(2)，将步骤(1)得到的单向碳纤维预浸料，按照优化设计的铺层顺序在蜂窝层合组合体铺贴压实模上完成预浸料铺放，每铺放1-2层，对铺放的预浸料进行抽真空冷压；
步骤(3)，对步骤(2)得到的铺层的预浸料冷压，压实时间不少于10min，将坯件从铺层模上取出，获得大致保持凹凸形状的孔壁层合组合体坯件；
步骤(4)，按照待制备蜂窝长度要求，将步骤(3)得到的孔壁层合组合体坯件裁切至所需的长度，按照蜂窝高度要求，将层合组合体坯件裁切至所需的宽度；
步骤(5)，按照步骤(1)-(4)压制层合组合体坯件，按照蜂窝宽度要求，裁切出足够数量的孔壁层合组成体坯件；
步骤(6)，将一层孔壁层合组成体坯件在蜂窝压制下模体工作面上铺贴，再将六边形芯杆依次放入坯件铺贴所形成的凹腔内，之后再铺贴一层孔壁层合组成体坯件；所述六边形芯杆内接圆直径与蜂窝孔格内接圆直径一致；
步骤(7)，重复六边形芯杆放置以及孔壁层合组合体坯件随型铺贴过程，直至达到需要的蜂窝宽度，完成蜂窝铺贴，得到蜂窝预制体；优选地，每铺贴2～4层孔壁层合组合体坯件，抽真空冷压实或者采用重量≥5kg的压力块压紧六边形芯杆和坯件；
步骤(8)，对步骤(7)得到的蜂窝预制体压贴蜂窝压制上模体，并固定侧挡板，保持整体竖直状态，无芯杆局部及大面积倾斜现象；
步骤(9)，将步骤(8)得到的蜂窝组合体施加特定固化压力，按照树脂基体的固化工艺固化，固化过程同时实现蜂窝预制体中各层坯件的维形固化以及坯件接合节点的胶接固化；
步骤(10)，去除固化后蜂窝上的上模体、下模体、侧挡板和芯杆，获得碳纤维复合材料蜂窝。
进一步的，层合组合体铺贴压实模工作面的长度≥0.5m，长度型面精度≤0.1mm，宽度型面精度≤0.05mm，凹凸高度精度≤0.05mm。
进一步的，步骤(6)中，所述蜂窝压制下模体工作面的长度≥0.3m，长度型面精度≤0.1mm，宽度型面精度≤0.05mm，凹凸高度精度≤0.05mm；
进一步的，步骤(8)中，所述凹凸结构的上模工作面的长度≥0.3m，长度型面精度≤0.1mm，宽度型面精度≤0.05mm，凹凸高度精度≤0.05mm。
进一步的，步骤(6)中，所述六边形芯杆长度≤300mm，直线度≤0.05mm，棱角R角≤R4；六边形芯杆的长度不小于孔壁层合组成体制备用碳纤维预浸料块(即层合组合体坯件)的宽度。
进一步的，步骤(7)中，所述孔壁层合组合体坯件随型铺贴过程，坯件两端料块弯折下贴已铺放坯件模具两侧，保持模具两侧芯杆固定不移位。
进一步的，步骤(9)中，固化过程是在热压罐或烘箱内进行的，固化温度为165℃～185℃，固化时间3h～6h，固化压力0.5MPa～2.0Mpa；优选地，固化压力按照蜂窝宽度W适应调整，当W≤300mm，固化压力为0.5MPa～0.8Mpa；300mm＜W≤500mm，固化压力为0.8MPa～1.2Mpa；500mm＜W≤800mm，固化压力为0.8MPa～1.6Mpa；800mm＜W≤1000mm，固化压力为1.0MPa～2.0Mpa。
本发明所得轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝可应用于在高性能航空航天飞行器的轻质复合材料夹层结构制造领域。
实施例1
一种轻质高强高刚碳纤维复合材料蜂窝，该碳纤维复合材料蜂窝的孔格为孔壁材料围成的六边形孔格，孔壁为碳纤维复合材料多层叠合的层合组合体，如图1所示，蜂窝表层的铺层方向与蜂窝纵向角度为45°。碳纤维复合材料中的碳纤维为T700级碳纤维，树脂基体为高温固化的增韧环氧树脂；蜂窝体密度为72kg/m3，结构参数(包括孔格边长、壁厚、组合体铺层顺序)依据蜂窝体密度和综合力学性能(包括平面拉伸、平面压缩、平面剪切、长梁弯曲及侧压性能)要求而设计给出，结构参数具体为：孔格边长为5.8mm、壁厚为0.15mm，组合体铺层顺序为[+45/-45/0/-45/+45]。层合组合体是将5层单向碳纤维预浸料铺放叠合实现，如图2所示，蜂窝表层的铺层方向与蜂窝纵向角度为45°；层合组合体铺层顺序设计示意图，如图3所示。层合组合体制备用的单向碳纤维复合材料的纤维体积含量为53％-57％，单层单向复合材料厚度为0.03mm。
该轻质高强高刚碳纤维复合材料蜂窝制备方法，包括以下步骤：
1)，将碳纤维丝束分散展开，与树脂膜层复合制备出单向碳纤维预浸料，预浸料面密度控制在20-30g/m2之间，树脂质量含量控制在30％-34％之间；
2)，将步骤1)得到的单向碳纤维预浸料，按照优化设计的铺层顺序在层合组合体铺贴压实模上完成预浸料铺放，每铺放2层，对铺放的预浸料进行抽真空冷压；
3)，对步骤2)得到的叠合预浸料冷压，压实时间不少于10min，将坯件从铺层模上取出，获得大致保持凹凸形状的孔壁层合组合体坯件；
4)，按照待制备蜂窝长度要求，将步骤3)得到的层合组成体坯件裁切至所需的长度，按照蜂窝高度要求，将层合组成体坯件裁切至所需的宽度；
5)，按照步骤1)-4)压制层合组合体坯件，按照蜂窝宽度要求，裁切出足够数量的孔壁层合组合体坯件；
6)，如图4和图5所示，蜂窝制备工装为两部分，一部分是蜂窝层合组合体铺贴压实模，图4中，1表示压实模工作面，2表示压实模模体；另一部分是蜂窝压制固化组合模具，图5中，3为六边形芯杆，4为侧挡板，5为凹凸结构的下模体，6为凹凸结构的上模体；层合组合体铺贴压实模工作面的长度为0.8m，长度型面精度为0.08mm，宽度型面精度为0.05mm，凹凸高度精度为0.05mm；蜂窝压制上模体和下模体的工作面的长度0.5m，长度型面精度为0.05mm，宽度型面精度为0.05mm，凹凸高度精度为0.05mm；六边形芯杆长度为200mm，直线度为0.05mm，棱角R角为R2；
将一层层合组合体坯件在下模体工作面上铺贴，再将六边形芯杆依次放入坯件铺贴所形成的凹腔内，之后再铺贴一层层合组合体坯件；所述六边形芯杆内接圆直径与蜂窝孔格内接圆直径一致；
7)，重复六边形芯杆放置以及层合组合体坯件随型铺贴过程，直至达到需要的蜂窝宽度W＝500mm，完成蜂窝铺贴，得到蜂窝预制体；在层合组合体坯件随型铺贴过程，坯件两端料块弯折下贴已铺放坯件模具两侧，保持模具两侧芯杆固定不移位；每铺贴2层层合组合体坯件，抽真空冷压实六边形芯杆和坯件；
8)，对步骤7)得到的蜂窝预制体压贴上模体，并固定侧挡板，保持整体竖直状态，无芯杆局部及大面积倾斜现象；
9)，将步骤8)得到的蜂窝组合体放入热压罐内固化，固化温度为180℃，固化时间为4h，固化压力为1.0MPa，同时实现蜂窝预制体中各层坯件的维形固化以及坯件接合节点的胶接固化；
10)，去除固化后蜂窝上的上模体、上模体、侧挡板和芯杆，获得适用于高性能飞行器复合材料夹层构件的轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝。蜂窝平面压缩强度达到6.0MPa以上，平面压缩模量达到500MPa以上，平面剪切强度达到5.0MPa以上。
实施例2
一种轻质高强高刚碳纤维复合材料蜂窝，该碳纤维复合材料蜂窝的孔格为孔壁材料围成的六边形孔格，孔壁为碳纤维复合材料多层叠合的层合组合体，如图1所示。碳纤维复合材料的碳纤维为M40级碳纤维，树脂基体为高温固化的增韧环氧树脂；蜂窝体密度为64kg/m3，结构参数(包括孔格边长、壁厚、组合体铺层顺序)，依据蜂窝体密度和综合力学性能(包括平面拉伸、平面压缩、平面剪切、长梁弯曲及侧压性能)要求而设计给出，结构参数具体为：孔格边长为5.8mm、壁厚为0.12mm，组合体铺层顺序为[60/0/-60]。层合组合体是将3层单向碳纤维预浸料块铺放叠合实现，如图2所示。层合组合体制备用的单向碳纤维复合材料的纤维体积含量为55％-58％，单层单向复合材料厚度为0.04mm。
该轻质高强高刚碳纤维复合材料蜂窝制备方法，包括以下步骤：
1)，将碳纤维丝束分散展开，与树脂膜层复合制备出单向碳纤维预浸料，预浸料面密度控制在25-30g/m2之间，树脂质量含量为30％-34％之间；
2)，将步骤1)得到的单向碳纤维预浸料，按照优化设计的铺层顺序在蜂窝层合组合体铺贴压实模上完成预浸料铺放，每铺放2层，对铺放的预浸料进行抽真空冷压；
3)，对步骤2)得到的叠合预浸料冷压，压实时间不少于10min，将坯件从铺层模上取出，获得大致保持凹凸形状的孔壁层合组合体坯件；
4)，按照待制备蜂窝长度要求，将步骤3)得到的层合组合体坯件裁切至所需的长度，按照蜂窝高度要求，将层合组合体坯件裁切至所需的宽度；
5)，按照步骤1)-4)压制层合组合体坯件，按照蜂窝宽度要求，裁切出足够数量的孔壁层合组合体坯件；
6)，如图4和图5所示，蜂蜂窝制备工装为两部分，一部分是蜂窝层合组合体铺贴压实模，图4中，1表示压实模工作面，2表示压实模模体；另一部分是蜂窝压制固化组合模具，图5中，3为六边形芯杆，4为侧挡板，5为凹凸结构的下模体，6为凹凸结构的上模体；层合组合体铺贴压实模工作面的长度为0.8m，长度型面精度为0.08mm，宽度型面精度为0.05mm，凹凸高度精度为0.05mm；蜂窝压制上模体和下模体的工作面的长度0.5m，长度型面精度为0.05mm，宽度型面精度为0.05mm，凹凸高度精度为0.05mm；六边形芯杆长度为200mm，直线度为0.05mm，棱角R角为R2；
将一层层合组成体坯件在下模体工作面上铺贴，再将六边形芯杆依次放入坯件铺贴所形成的凹腔内，之后再铺贴一层孔壁层合组合体坯件；所述六边形芯杆内接圆直径与蜂窝孔格内接圆直径一致；
7)，重复六边形芯杆放置以及层合组合体坯件随型铺贴过程，直至达到需要的蜂窝宽度W＝350mm，完成蜂窝铺贴，得到蜂窝预制体；在层合组合体坯件随型铺贴过程，坯件两端料块弯折下贴已铺放坯件模具两侧，保持模具两侧芯杆固定不移位；每铺贴2层层合组成体坯件，抽真空冷压实六边形芯杆和坯件；
8)，对步骤7)得到的蜂窝预制体压贴上模体，并固定侧挡板，保持整体竖直状态，无芯杆局部及大面积倾斜现象；
9)，将步骤8)得到的蜂窝组合体放入热压罐内固化，固化温度为180℃，固化时间为4h，固化压力为0.8MPa，同时实现蜂窝预制体中各层坯件的维形固化以及坯件接合节点的胶接固化；
10)，去除固化后蜂窝上的上模、下模、侧挡板和芯杆工装，获得适用于高性能飞行器复合材料夹层构件的轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝。蜂窝平面压缩强度达到7.0MPa以上，平面压缩模量达到600MPa以上。
实施例3
一种轻质高强高刚碳纤维复合材料蜂窝，该碳纤维复合材料蜂窝的孔格为孔壁材料围成的六边形孔格，孔壁为碳纤维复合材料多层叠合的层合组合体，如图1所示。碳纤维复合材料中的碳纤维为M40级碳纤维，树脂基体为高温固化的增韧环氧树脂；蜂窝体密度为56kg/m3，结构参数(包括孔格边长、壁厚、组合体铺层顺序)，依据蜂窝体密度和综合力学性能(包括平面拉伸、平面压缩、平面剪切、长梁弯曲及侧压性能)要求而设计给出，结构参数具体为：孔格边长为5.8mm、壁厚为0.12mm，组合体铺层顺序为[45/0/-45/90]。层合组合体是将4层单向碳纤维预浸料铺放叠合实现，如图2所示。层合组合体制备用的单向碳纤维复合材料的纤维体积含量为55％-58％之间，单层单向复合材料厚度为0.03mm。
该轻质高强高刚碳纤维复合材料蜂窝制备方法，包括以下步骤：
1)，将碳纤维丝束分散展开，与树脂膜层复合制备出单向碳纤维预浸料，预浸料面密度控制在25-30g/m2之间，树脂质量含量控制在30％-34％之间；
2)，将步骤1)得到的单向碳纤维预浸料，按照优化设计的铺层顺序在蜂窝层合组合体铺贴压实模上完成预浸料铺放，每铺放2层，对铺放的预浸料进行抽真空冷压；
3)，对步骤2)得到的叠合预浸料块冷压，压实时间不少于10min，将坯件从铺层模上取出，获得大致保持凹凸形状的孔壁层合组合体坯件；
4)，按照制备蜂窝长度要求，将步骤3)得到的孔壁层合组成体坯件裁切至所需的长度，按照蜂窝高度要求，将层合组成体坯件裁切至所需的宽度；
5)，按照步骤1)-4)压制层合组合体坯件，按照蜂窝宽度要求，裁切出足够数量的孔壁层合组合体坯件；
6)，如图4和图5所示，蜂窝制备工装为两部分，一部分是蜂窝层合组合体铺贴压实模，图4中，1表示压实模工作面，2表示压实模模体；另一部分是蜂窝压制固化组合模具，图5中，3为六边形芯杆，4为侧挡板，5为凹凸结构的下模体，6为凹凸结构的上模体；层合组合体铺贴压实模工作面的长度为0.8m，长度型面精度为0.08mm，宽度型面精度为0.05mm，凹凸高度精度为0.05mm；蜂窝压制上模体和下模体的工作面的长度0.5m，长度型面精度为0.05mm，宽度型面精度为0.05mm，凹凸高度精度为0.05mm；六边形芯杆长度为180mm，直线度为0.05mm，棱角R角为R2；
将一层孔壁层合组成体坯件在下模体工作面上铺贴，再将六边形芯杆依次放入坯件铺贴所形成的凹腔内，之后再铺贴一层孔壁层合组成体坯件；所述六边形芯杆内接圆直径与蜂窝孔格内接圆直径一致；
7)，重复六边形芯杆放置以及孔壁层合组合体坯件随型铺贴过程，直至达到需要的蜂窝宽度W＝400mm，完成蜂窝铺贴，得到蜂窝预制体；在层合组合体坯件随型铺贴过程，坯件两端料块弯折下贴已铺放坯件模具两侧，保持模具两侧芯杆固定不移位；每铺贴2层孔壁层合组合体坯件，抽真空冷压实六边形芯杆和坯件；
8)，对步骤7)得到的蜂窝预制体压贴上模体，并固定侧挡板，保持整体竖直状态，无芯杆局部及大面积倾斜现象；
9)，将步骤8)得到的蜂窝组合体放入热压罐内固化，固化温度为180℃，固化时间为4h，固化压力为0.8MPa，同时实现蜂窝预制体中各层坯件的维形固化以及坯件接合节点的胶接固化；
10)，去除固化后蜂窝的上模体、上模体、侧挡板和芯杆，获得适用于高性能飞行器复合材料夹层构件的轻质高强度高刚度碳纤维复合材料蜂窝。蜂窝平面压缩强度达到6.5MPa以上，平面压缩模量达到600MPa以上，平面剪切强度达到4.5MPa以上。
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 (14)

1.一种碳纤维复合材料蜂窝，其特征在于，蜂窝孔格为六边形孔格，孔壁为碳纤维复合材料层合组合体，所述层合组合体由≥2层碳纤维复合材料铺层叠合而成；单层碳纤维复合材料厚度为0.02～0.15mm，纤维体积含量为50％～65％；
碳纤维复合材料铺层叠合时，单向碳纤维预浸料的0°方向与蜂窝纵向保持一致，表层铺层角度为非0°和90°的任意角度；单向碳纤维预浸料的制备方法为：将碳纤维丝束分散展开，与树脂膜层复合得到；
铺层顺序为[+45/-45]式组合的非对称铺层顺序、[+45/0/-45]式组合的非对称铺层顺序、[+60/-60/-60/+60]式组合的对称铺层顺序、[+45/-45/-45/+45]式组合的对称铺层顺序、[+60/0/-60]s式组合的准各向同性铺层顺序、[+45/-45/0/+90]式组合的准各向同性铺层顺序、[+45/0/0/-45]式组合的蜂窝纵向加强铺层顺序或[+60/0/0/-60]s式组合的蜂窝纵向加强铺层顺序中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料蜂窝，其特征在于，蜂窝的体密度≤100kg/m3，孔格内接圆直径≥Φ4.8mm，孔壁厚度≥0.04mm。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料蜂窝，其特征在于，碳纤维复合材料中的树脂基体为增韧环氧树脂或双马来酰亚胺树脂中的一种或一种以上组合，碳纤维为T300，T700，T800，T1000，M40，M46，M55，M65级中的一种或一种以上组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种碳纤维复合材料蜂窝，其特征在于，所述层合组合体由层合组合体坯件固化得到，所述层合组合体坯件的制备方法如下：
(1)将碳纤维丝束分散展开，与树脂膜层复合得到单向碳纤维预浸料；碳纤维预浸料的面密度为20-165g/m2，树脂质量百分比为30％-38％；
(2)将单向碳纤维预浸料按照预设铺层顺序在层合组合体铺贴压实模上进行预浸料铺放，每铺放1-2层，对铺放的预浸料进行抽真空冷压；
(3)将铺放完成的预浸料在层合组合体铺贴压实模上压实，得到层合组合体坯件；所述层合组合体铺贴压实模的工作面形状与待制备蜂窝的上表面或下表面形状相匹配。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种碳纤维复合材料蜂窝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将碳纤维丝束分散展开，与树脂膜层复合得到单向碳纤维预浸料；碳纤维预浸料的面密度为20-165g/m2，树脂质量百分比为30％-38％；
(2)将单向碳纤维预浸料按照预设铺层顺序在层合组合体铺贴压实模上进行预浸料铺放，每铺放1-2层，对铺放的预浸料进行抽真空冷压；
(3)将铺放完成的预浸料在层合组合体铺贴压实模上压实，得到层合组合体坯件；所述层合组合体铺贴压实模的工作面形状与待制备蜂窝的上表面或下表面形状相匹配；
(4)将层合组合体坯件裁切至预定尺寸，并将多个裁切后的层合组合体坯件在蜂窝压制固化组合模具中完成铺贴后，得到蜂窝预制体；
(5)使所得蜂窝预制体在蜂窝压制固化组合模具中进行固化；
(6)固化完成后去除蜂窝压制固化组合模具，得到碳纤维复合材料蜂窝。
6.根据权利要求5所述的一种碳纤维复合材料蜂窝的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，单向碳纤维预浸料的0°方向与蜂窝纵向保持一致，表层铺层角度为非0°和90°的任意角度；
所述预设铺层顺序为[+45/-45]式组合的非对称铺层顺序，[+45/0/-45]式组合的非对称铺层顺序，[+60/-60/-60/+60]式组合的对称铺层顺序、[+45/-45/-45/+45]式组合的对称铺层顺序，[+60/0/-60]s式组合的准各向同性铺层顺序，[+45/-45/0/+90]式组合的准各向同性铺层顺序，[+45/0/0/-45]式组合的蜂窝纵向加强铺层顺序，[+60/0/0/-60]s式组合的蜂窝纵向加强铺层顺序中的一种。
7.根据权利要求6所述的一种碳纤维复合材料蜂窝的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，预设铺层顺序为[+60/-60/-60/+60]式组合的对称铺层顺序、[+45/-45/-45/+45]式组合的对称铺层顺序，[+60/0/-60]s式组合的准各向同性铺层顺序，[+45/-45/0/+90]式组合的准各向同性铺层顺序中的一种。
8.根据权利要求5所述的一种碳纤维复合材料蜂窝的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)和(5)中，蜂窝压制固化组合模具包括下模体，上模体，六边形芯杆和侧挡板；所述下模体和上模体的工作面为分别与待制备蜂窝的下表面和上表面相匹配的凹凸结构，所述六边形芯杆与待制备蜂窝孔格相匹配，六边形芯杆内接圆直径与蜂窝孔格内接圆直径相等；所述侧挡板在固化过程中与蜂窝预制体侧面配合，实现蜂窝预制体的维形。
9.根据权利要求8所述的一种碳纤维复合材料蜂窝的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将层合组合体坯件裁切至预定尺寸，并将多个裁切后的层合组合体坯件在蜂窝压制固化组合模具中完成铺贴，得到蜂窝预制体的具体步骤为：
(41)分别根据待制备蜂窝的长度和高度确定层合组合体坯件的预定长度和宽度，将层合组合体坯件裁切至预定尺寸；根据待制备蜂窝的宽度确定层合组合体坯件所需数量为n；
(42)将第一层裁切后的层合组合体坯件在坯件压实模具的下模体的工作面上铺贴；
(43)将六边形芯杆置于第i层坯件所形成的凹腔内，以六边形芯杆的上表面及第i层的凸起面为第i+1层坯件的铺贴工作面，对第i+1层坯件进行铺贴；
(44)重复步骤(43)n-1次，得到蜂窝预制体。
10.根据权利要求9所述的一种碳纤维复合材料蜂窝的制备方法，其特征在于，所述步骤(44)中，每铺贴2～4层层合组成体坯件，对坯件进行一次压紧，所述压紧的方法为抽真空冷压实或采用重量≥5kg的压力块压紧。
11.根据权利要求8所述的一种碳纤维复合材料蜂窝的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，使所得蜂窝预制体在蜂窝压制固化组合模具中进行固化的具体步骤为：
(51)在步骤(4)所得蜂窝预制体的上表面压制上模具，并固定侧挡板，保证蜂窝预制体的侧面为竖直方向；
(52)在热压罐或烘箱内对蜂窝预制体进行固化，所述固化过程同时实现蜂窝预制体中各层坯件的维形固化以及坯件接合节点的胶接固化；所述固化温度为165℃～185℃，固化时间3h～6h，固化压力0.5MPa～2.0MPa。
12.根据权利要求11所述的一种碳纤维复合材料蜂窝的制备方法，其特征在于，所述步骤(52)中，记待制备蜂窝宽度为W，当W≤300mm，固化压力为0.5MPa～0.8MPa，当300mm＜W≤500mm，固化压力为0.8MPa～1.2MPa，当500mm＜W≤800mm，固化压力为0.8MPa～1.6MPa；当800mm＜W≤1000mm，固化压力为1.0MPa～2.0MPa。
13.根据权利要求8所述的一种碳纤维复合材料蜂窝的制备方法，其特征在于，所述层合组合体铺贴压实模的工作面长度≥0.5m，长度型面精度≤0.1mm，宽度型面精度≤0.05mm，凹凸高度精度≤0.05mm；
蜂窝压制固化组合模具中，下模体工作面的长度≥0.3m，长度型面精度≤0.1mm，宽度型面精度≤0.05mm，凹凸高度精度≤0.05mm；上模体工作面的长度≥0.3m，长度型面精度≤0.1mm，宽度型面精度≤0.05mm，凹凸高度精度≤0.05mm；层合组合体坯件的预定宽度≤六边形芯杆长度≤300mm，六边形芯杆长度直线度≤0.05mm，棱角R角≤R4。
14.一种碳纤维复合材料蜂窝的应用，其特征在于，将权利要求1-4任一项所述的一种碳纤维复合材料蜂窝应用于制造轻质复合材料夹层构件。
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