CN114043753A - 一种适用于复合材料主承力杆的分级加压成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于复合材料主承力杆的分级加压成型方法，该承力杆主要为碳纤维管件，其主要的成型方法为按设定的角度程序在芯模上缠绕预成型件；经双真空袋压及预抽压实，使制品固化前挥发份含量≤3％、制品压缩量20％～30％；使用凸轮限位成型工装，模具整体制袋抽真空作为打压压力，分别控制合模和不同打压点时的限位档位保证在合适温度点使分级打压的压力传递到产品表面；固化后脱模。本发明通过调节限位凸轮实现产品在升温至打压温度前产品面不受力，在打压温度时保证产品加压，限位时抽真空可在保留胶液的同时减少制品挥发份含量，分级加压形成的压力梯度可使挥发分随胶液流动而进一步减少，去限位后可使制品层间密实，保证内部质量。
Description
技术领域
本发明属于复合材料成型技术领域，涉及一种适用于复合材料主承力杆的分级加压成型方法。
背景技术
随着航天技术的不断发展，对于宇航卫星的要求也越来越高。碳纤维复合材料作为一种创新型材料，具有可设计性、质量轻、强度高、模量高、化学性能稳定以及良好的机械性能等优势，已逐渐应用于宇航卫星整星结构件中，不仅可以减轻卫星结构重量，提高卫星性能，大大的降低卫星的发射成本，而且可以为有效载荷的设计提供空间。
卫星框架的结构刚度要求高，通过优化框架主承力杆的缠绕顺序、铺层角度和层数以及工艺设计可以提高其承载效率、承载能力和抗变形能力。CN 201711326303公开了一种复合材料层压板二次胶接结构件分次加压成型工艺，将内装有复合材料层压板胶接组合件的组合模置于热压机内，以接触压对组合模试压，使组合模与热压机的热压板相接触，逐步升温至胶膜软化呈流动状，然后缓慢加压至合模。传统主承力杆为保证制品内部成型质量，减少制品内部孔隙，一般采取热压罐打压的成型方法，该成型方法不仅固化成本高，而且难以控制打压温度前的胶液流失，同时在打压温度前产品提前受力，容易出现层间憋气，制品内部孔隙偏高。使用双真空袋压、预压及限位成型等方法可大幅度减少制品纤维层间挥发份及气孔，保证制品成型质量，另外使用烘箱或自加热成型的方式可降低成型成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于复合材料主承力杆的分级加压成型方法，以降低成型成本，减少制品孔隙，保证制品质量。
本发明公开了一种适用于复合材料主承力杆的分级加压成型方法，该承力杆主要为碳纤维管件，其主要的成型方法为按设定的角度程序在芯模上缠绕预成型件；经双真空敞晾及预压，控制制品固化前挥发份含量≤3％、制品压缩量20％～30％；使用凸轮限位成型工装，模具整体制袋抽真空作为打压压力，设计模具外表面真空接触面和产品接触面的比例来控制打压压力大小，分别控制合模和不同打压点时的限位档位保证在合适的温度点使分级打压的压力传递到产品表面，加热升温可使用模具自加热方式或在电热鼓风烘箱中进行；固化后脱模。本发明的复合材料主承力杆分级加压成型方法，可在能满足整体真空度要求的情况下，通过调节限位凸轮实现产品在升温至打压温度前产品面不受力，在打压温度时保证产品加压，在不同温度点调节档位实现分级加压，控制制品的纤维体积含量。限位时抽真空可在保留胶液的同时减少制品挥发份含量，分级加压形成的压力梯度可使挥发分随胶液流动而进一步减少，去限位后可使制品层间密实，减少孔隙率至优于1.5％，保证内部质量。
为了达到本发明的目的，本发明采取的技术方案为：
本发明提供了一种适用于复合材料主承力杆的分级加压成型方法，包括以下步骤：
S1、将纤维树脂在芯模上缠绕预成型件；
S2、将预成型件进行双真空袋压后预抽压实；
S3、将芯模及外拼块合模，合模后调节凸轮限位档位至产品面与拼块不接触，然后沿模具外围整体制作真空袋；
S4、固化升温，抽真空并调节限位档位，逐步减小模具拼块与预成型件之间的压缩间隙，实现预成型件的分级受力；
S5、固化后降至室温脱模即得。
压缩间隙是指模具拼块与制得的实际产品之间的间隙。由于预成型件压缩量的存在，预成型件的壁厚大于实际产品的壁厚，在压缩过程中，通过档位调节使模具拼块逐步接触预成型件，逐步减小压缩间隙，使预成型件分级受力。本发明的分级加压方法适用于壁厚较小的实际产品，壁厚通常为1-3mm。在该壁厚范围内，限位时抽真空能较好的控制保留胶液的同时减少制品挥发份含量，去限位后可使制品层间密实。
作为本发明的一个实施方案，步骤S1中所述的纤维树脂为高强度碳纤维环氧树脂。
在一些实施例中，步骤S1中所述的碳纤维环氧树脂为高强度碳纤维环氧树脂。
在一些实施例中，步骤S1中所述的高强度碳纤维环氧树脂为东丽T700碳纤维和AG80环氧树脂组成的高强度碳纤维环氧树脂。
作为本发明的一个实施方案，步骤S1中所述的缠绕是采用铺层工艺缠绕。预成型件的性能达到纵向拉伸强度≥1800MPa，纵向拉伸模量≥130GPa，热膨胀系数绝对值小于1×10^(-6)/℃。
作为本发明的一个实施方案，所述步骤S2中所述双真空袋压是使用两层真空袋抽真空压实；两层真空袋的内层真空度为-0.09±0.005MPa，外层真空度为-0.085±0.005MPa。外层真空度优于内层真空度，内外真空度的差值为0.005-0.02MPa。双真空袋的真空度需要有一个较小的内、外真空度差值，在内层高真空抽取挥发分的同时，外包覆的真空袋不至于完全服帖至预成型件，作用于内真空袋时，使内真空袋更加均匀受力，有利于挥发分的挥发。真空度差值过大相当于只有一个真空在起作用，存在真空袋服帖，挥发效率低的问题，真空度差值过小，影响制品挥发分的挥发。
作为本发明的一个实施方案，所述步骤S2中所述的预抽压实的真空度为-0.1～-0.097MPa。预压实后预成型件固化前挥发份含量≤3％，预成型件壁厚的可压缩量为实际产品壁厚的20％～30％。预成型件经过双真空袋先内后外抽真空压实后再进行预压实，预压实是在室温下进行。预压步骤主要是减少制品的层间气体等挥发分的含量，控制制品的压缩量到固化打压前的范围，控制制品含胶量，提高产品质量。
作为本发明的一个实施方案，步骤S3中所述的调节限位档位使产品面与拼块不接触是使模具拼块与预成型件的压缩间隙大于0.45倍实际产品的壁厚。
作为本发明的一个实施方案，所述步骤S4中所述的分级受力是将真空袋产生的压力通过具有放大系数的磨具拼块作用到预成型件上实现。放大系数为磨具拼块分别与真空袋和预成型件接触面的比值，放大系数为5～10倍。其模具制备及后续成型操作流程均极为简单，除降低成本外，可提高操作便捷性，进而提高生产效率。
作为本发明的一个实施方案，步骤S4中所述的固化升温为室温逐步升温至90℃±4℃、100℃±4℃、115℃±5℃和180℃±10℃。制品的固化温度过高树脂易出现脆性裂纹影响制品质量，固化温度过低，制品可能未完全固化，无法发挥制品性能；该分段升温方法与树脂体系固化要求相匹配，在不同温度情况下，树脂粘度不同，在一定树脂粘度梯度情况下给予不同的固化压力，利于制品层间排气，提高制品内部质量。
作为本发明的一个实施方案，步骤S4中升温至115℃±5℃时，保温30～60min；继续升温至180℃±10℃时，保温150～250min。
作为本发明的一个实施方案，步骤S4中所述的调节限位档位具体为：室温时，调节档位使模具拼块与预成型件的压缩间隙为实际产品壁厚的0.45-0.6倍；升温至90℃±4℃时，调节档位使模具拼块与预成型件的压缩间隙为实际产品壁厚的0.25-0.35倍；升温至100℃±4℃时，调节档位使模具拼块与预成型件的压缩间隙为实际产品的壁厚的0.15-0.2倍；升温至115℃±5℃时，调节档位使模具拼块与预成型件的压缩间隙为零。通过档位调节逐渐使模具拼块与产品接触，实现分级加压，逐步缩小压缩间隙至零，将产品压缩至最终产品要求的壁厚。若无限位档位，意味着合模制袋后常温进炉抽真空即合模到位，提前合模到位，制品会在固化前大量流胶，产生缺胶。
在一些实施例中，步骤S4中的调节限位档位具体为：由室温时1.5档，即压缩间隙为实际产品壁厚的二分之一；升温至90℃±4℃调整为1档，即压缩间隙为实际产品壁厚的三分之一；升温至100℃±4℃调整为0.5档，即压缩间隙为实际产品壁厚的六分之一；升温至115℃±5℃调整为0档，即压缩间隙为零。
作为本发明的一个实施方案，步骤S4中升温速率为0.3-0.5℃/min，抽真空的真空度为-0.1～-0.097MPa；步骤S5中降温速率为0.3-0.5℃/min。升降温速率为固化过程中空气的升温速率，升温速率过快模具温度无法随同拉伸，且在模具不同区域可能出现较大的温度偏差，影响制品质量；升温速率过慢固化时间过长，影响生产效率。
本发明的固化设备为普通烘箱即可，相比较于常规方法无需热压罐等打压设备，可大幅度降低生产成本；所涉及到的产品为含放大模块的外模，成型出的制品一般因外模保证，满足外形尺寸要求。此外常规制备方法不涉及到外模，制品一般需经机加工或修整后才可满足要求。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用双真空、室温预抽压实及升温过程中的凸轮限位抽真空等真空处理等措施，有效的降低了制品的挥发份和孔隙率。在不同温度点调节档位实现分级加压，形成的压力梯度更有利于挥发分排除，且可控制制品的纤维体积含量。
2、烘箱或自加热成型的凸轮限位成型方式，抽真空加压即可实现固化，工艺过程简便节能，生产成本降低。复合材料主承力杆孔隙率低于1.5％，通过超声无损探伤仪检测，符合GJB2895中A级标准，成型质量稳定可靠。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明复合材料主承力杆成型工装凸轮限位设备；
图2为本发明复合材料主承力杆成型工装档位调节盘；
其中，1、限位凸轮；2、档位调节盘。
具体实施方式
为了使本发明所述的成型方法阐述更加清楚明白，以下结合实施例和附图对本发明进行进一步详细说明。在此说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明方法原理的前提下，还可以做出若干改进和优化，这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种适用于复合材料主承力杆的分级加压成型方法，包括如下步骤：
S1、按缠绕顺序：[±45/±3/±45/±3/±45]在芯模上缠绕预成型件(本实施案例中制得实际产品的厚度要求为3mm)，高强度碳纤维环氧树脂为东丽T700碳纤维和AG80环氧树脂组成的高强度碳纤维环氧树脂，缠绕胶液密度为0.097±0.005g/cm3；
S2、按双真空状态的两层真空袋，内层真空度为-0.09MPa，外层真空度为-0.085MPa进行双真空敞晾，室温预抽压实，真空度为-0.097MPa，时间6h，控制制品的挥发份和压缩量；
S3、按顺序将芯模及外拼块利用图1所示凸轮限位设备合模，调节如图2所示档位调节盘，合模后通过档位调节盘2调节档位凸轮限位档位至1.5，使限位凸轮1作用于模具拼块，产品面与拼块不接触，产品不受力，然后沿模具外围整体制作真空袋；
S4、按固化制度进行固化：模具温度由室温升温至90℃、100℃和115℃。具体为：室温时档位调节为1.5档，即压缩间隙为实际产品壁厚的二分之一；升温至90℃调整为1档，即压缩间隙为实际产品壁厚的三分之一；升温至100℃调整为0.5档，即压缩间隙为实际产品壁厚的六分之一；升温至115℃调整为0档，逐渐使模具拼块与产品接触，实现分级加压；在115℃，保温30min；继续升温至180℃保温180min，全程升降温速率要求0.3-0.5℃/min，真空度要求为-0.097MPa。
对比例1
本对比例涉及一种适用于复合材料主承力杆分级加压成型方法，所述方法的步骤与实施例1基本相同，不同之处在于固化步骤未采用不同温度节点分级加压，直接升温至180℃再保温180min。对制品进行超声无损探伤和孔隙率测试，其对比结果如下表所示。
| 对比案例 | 超声无损探伤 | 制品孔隙率(％) |
| 实施例1：分级加压 | 符合GJB2895中A级标准 | 0.8 |
| 对比例1：不分级加压 | 符合GJB2895中C级标准 | 2.6 |
对比可以发现，采用不同温度节点分级加压可极大的减少制品孔隙含量，增加层间密实性，制品内部质量可符合GJB2895中A级标准，优于不分级加压方式所成型的制品。
对比例2
本对比例2涉及一种适用于复合材料主承力杆分级加压成型方法，所述方法的步骤与实施例1基本相同，不同之处在于步骤S2中采用单层真空袋抽压。
本对比例涉及一种适用于复合材料主承力杆分级加压成型方法，所述方法的步骤与实施例1基本相同，不同之处在于步骤S2中采用单层真空袋抽压，无双真空袋压。对制品进行超声无损探伤和孔隙率测试，其对比结果如下表所示。
| 对比案例 | 超声无损探伤 | 制品孔隙率(％) |
| 实施例1：双真空袋压 | 符合GJB2895中A级标准 | 0.8 |
| 对比例2：单层真空袋抽压 | 符合GJB2895中A级标准 | 1.25 |
对比可以发现，采用双真空袋压可减少制品孔隙含量0.45％，增加层间密实性，制品内部质量均可符合GJB2895中A级标准，整体层间质量优于单层真空袋抽压成型的制品。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和优化，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种适用于复合材料主承力杆的分级加压成型方法，其特征在于，所述分级加压成型方法包括以下步骤：
S1、将纤维树脂在芯模上缠绕预成型件；
S2、将预成型件进行双真空袋压后预抽压实；
S3、将芯模放置于模具内合模，调节限位档位使预成型件与模具拼块不接触，然后沿模具外围整体制作真空袋；
S4、固化升温，抽真空并调节限位档位，逐步减小模具拼块与预成型件之间的压缩间隙，实现预成型件的分级受力；
S5、固化后降至室温后脱模即得。
2.根据权利要求1所述的分级加压成型方法，其特征在于，步骤S1中所述的纤维树脂为碳纤维环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的分级加压成型方法，其特征在于，步骤S1中所述的缠绕是采用铺层工艺缠绕。
4.根据权利要求1所述的分级加压成型方法，其特征在于，步骤S2中所述双真空袋压是使用两层真空袋抽真空压实；两层真空袋的内层真空度为-0.09±0.005MPa，外层真空度为-0.085±0.005MPa。
5.根据权利要求1所述的分级加压成型方法，其特征在于，步骤S2中所述的预抽压实的真空度为-0.1～-0.097MPa。
6.根据权利要求1所述的分级加压成型方法，其特征在于，步骤S4中所述的分级受力是将真空袋产生的压力通过具有放大系数的磨具拼块作用到预成型件上实现。
7.根据权利要求1所述的分级加压成型方法，其特征在于，步骤S4中所述的固化升温为室温逐步升温至90℃±4℃、100℃±4℃、115℃±5℃和180℃±10℃。
8.根据权利要求7所述的分级加压成型方法，其特征在于，步骤S4中所述的调节限位档位具体为：室温时，调节档位使模具拼块与预成型件的压缩间隙为实际产品壁厚的0.45-0.6倍；升温至90℃±4℃时，调节档位使模具拼块与预成型件的压缩间隙为实际产品壁厚的0.25-0.35倍；升温至100℃±4℃时，调节档位使模具拼块与预成型件的压缩间隙为实际产品的壁厚的0.15-0.2倍；升温至115℃±5℃时，调节档位使模具拼块与预成型件的压缩间隙为零。
9.根据权利要求7所述的分级加压成型方法，其特征在于，步骤S4中升温至115℃±5℃时，保温30～60min；继续升温至180℃±10℃时，保温150～250min。
10.根据权利要求1所述的分级加压成型方法，其特征在于，步骤S4中升温速率为0.3-0.5℃/min，抽真空的真空度为-0.1～-0.097MPa；步骤S5中降温速率为0.3-0.5℃/min。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114043753B (zh) | 2024-11-01 |
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