CN114211776A - 一种碳纤维支架复合成型的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维支架复合成型的制造方法。通过在拐角交汇处填充包括发泡材料的填充材料和分段式布置尼龙风管结合的方式来制备雷达碳纤维支架，确保每一段尼龙风管有足够向外扩张的力，同时也不容易破损；对于最容易出现破损塌陷的拐角交汇处，发泡材料会持续的向外提供作用力也可以保证制品质量。

Description

一种碳纤维支架复合成型的制造方法

技术领域

本发明涉及纤维复材成型领域，尤其涉及一种碳纤维支架复合成型的制造方法。

背景技术

传统碳纤维复材制品制造方法：一、手糊工艺即在一个标准大气压下手工贴合碳布，使用手糊树脂进行涂刷，然后固话成型。此种方法存在诸多不利因素，特别对操作人员以及环境危害极大，同时生产制造周期长；二、尼龙风管吹气成型工艺，即将预浸料按设计排叠有序贴合后，内部预埋尼龙风管，然后合模加热，同时对尼龙风管进行吹气保压使预浸料充满型腔固化成型。此种方法在充气成型过程容易产生漏气而导致不良率；三、芯材模压成型工艺，即用硬质泡沫材料作为芯材(硬质泡沫多采用PMI/PU/PVC/巴沙木等)，将硬质泡沫通过cnc裁切成制品形状，然后在硬质泡沫上包覆预浸料，最后成型固化。此种方法主要存在以下问题：1、工序较为复杂CNC成本高，2、物料成本高(胶黏剂、硬质泡沫)3、制品外观难以保证。四、大型真空热压罐制造工艺，即将复合材料毛坯、蜂窝夹芯结构或胶接结构用真空袋密封在模具上，于热压罐中，在真空(或非真空)状态下，经过升温,加压，保温(中温或高温)，降温和泄压过程，使其成为所需要的形状和质量的成型工艺方法。作为复合材料制件主要生产设备的热压罐，是一个具有整体加热系统的大型压力容器。其常见的结构是一端封闭，另一端开门的圆柱体，为复合材料制件的压实和固化提供必要的热量和压力，例如常用的航空热固性材料(高温固化环氧树脂)的固化温度为150-175℃，固化压力为500-600kPa，故此真空热压罐罐体本身就需要高额的制造成本，同时利用此工艺成型时热压罐需要消耗巨大的电力能源来保证罐体内能保持住高温高压的状态。也因此使得热压罐制造工艺的制造成本相当昂贵。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出一种碳纤维支架复合成型的制造方法。

为实现上述目的，本发明提供一种碳纤维支架复合成型的制造方法，包括如下步骤：

S1，根据制品设计厚度，在模具中依据排叠设计将预浸料一层层贴合于模具上，预浸料中的碳纤维预浸布与模具贴合；

S2，在制品的拐角交汇处填充上填充材料，使整个制品分成若干独立不相通区域，在填充材料内部，再根据实际安装要求将预埋块置入碳纱中打孔并锁死，同时分别布置尼龙风管；成型后预埋块就和整个制品融为一体；

S3，反包碳纱，然后在碳纱上面盖上碳纤维预浸布后合上模盖，将模具锁紧置入成型台，打开空压机以脉冲形式冲压同时120-150℃加热成型0.5-3h；优选0.5-1.5h。

S4，将模具冷却脱模，同时抽出纤维制品内的尼龙风管，即得到碳纤维支架。

进一步，所述S1步骤中的预浸料为碳纤维预浸布，角度纱和零度纱，其中角度纱和零度纱交错贴合以增加整体结构强度。

进一步，所述S2步骤中的预埋块材质是具有导热功能的材料，优选是矽胶块或金属块或耐130度以上的工程塑料块；更优选的，金属块的材质为纯金属或合金的材质；最优选的，纯金属为铝、铁、铜或钛；合金为铝合金、铁合金、铜合金、钛合金或不锈钢。所述耐高温的工程塑料块为耐130℃高温的塑料块，比如PEEK聚醚醚酮。

进一步，所述S2步骤中填充材料为轻质高强，且耐150℃高温的材料。

进一步，所述S2步骤中填充材料为如下任何一种：

1)先将PU块或PMI、PVC按照交汇处的形状裁切，再包覆一层1-4mm的发泡芯材后所得的即为填充材料；

2)加热发泡芯材以预型出交汇处的形状后；然后再包覆一层1-4mm的发泡芯材所得的即为填充材料；

其中的发泡芯材能够在120-150℃下发泡；优选的，发泡芯材为HR-313-8；HR-330产品。

进一步，所述S3步骤中空压机以脉冲形式采用分段式冲压；第一段：2公斤力2min；第二段：4公斤力充气28s放气2s，充放气重复4次；第三段：8公斤力2min；第四段：11公斤力50min。

进一步，所述碳纤维支架是辐射梁，或撑腿或横向支板或棒状或方形管材。

第一步，根据制品设计厚度(如图1)，在模具中依据排叠设计将预浸料一层层贴合于模具上，预浸料为碳纤维预浸布，角度纱和零度纱，其中碳纤维预浸布与模具贴合。预浸料的贴合顺序为：碳纤维预浸布，角度纱和零度纱，其中角度纱和零度纱交错贴合增加整体结构强度。根据厚度来做排叠设计表，比如图1中A区预浸料的厚度为3mm，B区预浸料的厚度为7mm，C区预浸料的厚度为9mm。根本原则是贴完角度纱后贴零度纱，若无法刚好符合厚度要求时，则贴两层零度纱再贴角度纱也可以)。市面上的碳纤维预浸布厚度一般为0.19mm，角度纱的厚度有0.2mm、0.3mm、0.4mm，零度纱的厚度有0.1/0.2/0.3/0.4mm。

第二步，如图2所示，在制品的拐角交汇处(比如图2的标号1-8的地方)填充上填充材料，使整个制品分成若干独立不相通区域，在填充材料内部，然后根据实际安装要求将预埋块(预埋块的大小和形状以能够置入模具为标准即可)置入碳纱中打孔并锁死，同时分别布置尼龙风管。其中的预埋块一般是金属块或耐高温的工程塑料块，金属材质多为铝、铁、铜、不锈钢等金属块，用于后期各个部件组装锁螺丝达到固定的作用；用碳纱把置入的预埋块包裹住后将其打孔锁死，成型后预埋块就和整个制品融为一体，不易出现松动和位移。

填充材料满足轻质高强特性，同时能够耐150℃高温，在此温度下不会萎缩塌陷。填充材料有二种：1)先将PU块或PMI、PVC按照交汇处的形状裁切，再包覆一层1-4mm的发泡芯材后所得的即为填充材料；2)加热发泡芯材以预型出交汇处的形状后；然后再包覆一层1-4mm的发泡芯材所得的即为填充材料。

其中PU块(聚氨酯)和PVC(聚氯乙烯)，PMI(聚甲基丙烯酰亚胺泡沫)均不具备加热膨胀作用。其中的发泡芯材为120-150℃高温下可以发泡，从而使填充更饱满，比如豪尔的发泡芯材，比如豪尔的发泡芯材：HR-313-8；HR-330。

第三步，反包碳纱，然后在碳纱上面盖上碳纤维预浸布后合上模盖，将模具锁紧置入成型台，打开空压机以脉冲形式冲压同时120-150℃加热成型0.5-1.5h。比如温度可以是120℃，121℃，125℃，130℃，135℃，140℃，145℃，150℃并不限于这些温度，可以是120-150℃的任何温度；加热成型0.5h,0.6h，0.7h，0.8h，0.9h，1.0h，1.1h，1.2h，1.3h，1.4h，1.5h，并不限于这些时间，可以是0.5-1.5h的任何时间。

图2中标号为1,2,4,6,7的地方设置充气孔。为了防止出现吹气爆裂的情况，空压机给尼龙风管充气时采用分段式充气；第一段：2公斤力2min；第二段：4公斤力充气28s放气2s，充放气重复4次；第三段：8公斤力2min；第四段：11公斤力50min。

第四步，将模具冷却脱模(比如可以设置冷却台温度为20℃，冷却至室温)，同时抽出纤维制品内的尼龙风管(每一段风管不长且风管包裹前会泡离型剂，成型结束后方便抽出)，即得到雷达辐射梁和撑腿或棒状或方形管材。

本发明通过在拐角交汇处填充包括发泡材料的填充材料和采用分段式布置尼龙风管，可以确保每一段尼龙风管有足够向外扩张的力，同时也不容易破损；对于最容易出现破损塌陷的拐角交汇处，发泡材料会持续的向外提供作用力也可以保证制品质量。

本发明优点：

1.与其他成型方式对比，本发明的方法提高了碳纤维制品成型的良品率(良品率达到98.5％)，节约了开发制造成本。

2.此种成型方式与吹气成型相比，尼龙风管的布置较为简单，在拐角交汇处置入填充材料，采用分段式给风管充气，进一步降低了尼龙风管吹气时爆裂导致成型失败的风险。最容易出现爆裂漏气的拐角交汇处采用发泡材料填充分隔，发泡材料填充这些区域后使尼龙风管在充气时不会过分扩充间接降低了尼龙风管漏气和爆裂的风险。

3.本发明方法成型的大型碳纤制品表面光滑平整，不易产生鼓包，缺胶等情况。

4.本发明利用低密度发泡芯材的热自膨胀性能与碳纤维结合制造碳纤维制品，相对于真空热压罐成型缩短了制造周期降低了成本。

附图说明

图1是支架厚度分布图。

图2是填充区域及充气孔位图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1：雷达辐射梁和撑腿的制备

第一步，根据制品设计厚度(如图1)，在模具中依据排叠设计将预浸料一层层贴合于模具上，预浸料为碳纤维预浸布，角度纱和零度纱，其中碳纤维预浸布与模具贴合。预浸料的贴合顺序为：碳纤维预浸布，角度纱和零度纱，其中角度纱和零度纱交错贴合增加整体结构强度。根据厚度来做排叠设计表，比如图1中A区预浸料的厚度为3mm，B区预浸料的厚度为7mm，C区预浸料的厚度为9mm。根本原则是贴完角度纱后贴零度纱，若无法刚好符合厚度要求时，则贴两层零度纱再贴角度纱也可以)。市面上的碳纤维预浸布厚度一般为0.19mm，角度纱的厚度有0.2mm、0.3mm、0.4mm，零度纱的厚度有0.1/0.2/0.3/0.4mm。

第二步，如图2所示，在制品的拐角交汇处(比如图2的标号1-8的地方)填充上填充材料，使整个制品分成若干独立不相通区域，在填充材料内部，根据实际安装要求将预埋块(预埋块的大小和形状以能够置入模具为标准即可)置入碳纱中打孔并锁死，同时分别布置尼龙风管。其中的预埋块是金属块，材质为铝块，用于后期各个部件组装锁螺丝达到固定的作用；用碳纱把置入的预埋块包裹住后将其打孔锁死，成型后预埋块就和整个制品融为一体，不易出现松动和位移。

填充材料满足轻质高强特性，同时能够耐150℃高温，在此温度下不会萎缩塌陷。填充材料为：先将PU块按照交汇处的形状裁切，再包覆一层1-4mm的发泡芯材后所得的即为填充材料；

其中PU块不具备加热膨胀作用。其中的发泡芯材为120-150℃高温下可以发泡，从而使填充更饱满，比如豪尔的发泡芯材，比如豪尔的发泡芯材：HR-313-8；替换成HR-330也可以同样达到效果。

第三步，反包碳纱，然后在碳纱上面盖上碳纤维预浸布后合上模盖，将模具锁紧置入成型台，打开空压机以脉冲形式冲压同时150℃加热成型1h。

图2中标号为1,2,4,6,7的地方设置充气孔。为了防止出现吹气爆裂的情况，空压机给尼龙风管充气时采用分段式充气；第一段：2公斤力2min；第二段：4公斤力充气28s放气2s，充放气重复4次；第三段：8公斤力2min；第四段：11公斤力50min。

第四步，将模具冷却脱模(比如可以设置冷却台温度为20℃，冷却至室温)，同时抽出纤维制品内的尼龙风管(每一段风管不长且风管包裹前会泡离型剂，成型结束后方便抽出)，即得到雷达辐射梁和撑腿。所制备得到的雷达辐射梁和撑腿表面光滑平整，没有鼓包，缺胶等情况。

本实施例做了80个制品，79个合格为优良品。良品率近99％。

其中的预埋块的材质替换成铁或铜或钛，或各种金属相应的合金或不锈钢，可以得到一样的结果。

PU块替换成PMI或PVC可以得到一样的结果。

实施例2：雷达辐射梁和撑腿的制备

第一步，根据制品设计厚度(如图1)，在模具中依据排叠设计将预浸料一层层贴合于模具上，预浸料为碳纤维预浸布，角度纱和零度纱，其中碳纤维预浸布与模具贴合。预浸料的贴合顺序为：碳纤维预浸布，角度纱和零度纱，其中角度纱和零度纱交错贴合增加整体结构强度。根据厚度来做排叠设计表，比如图1中A区预浸料的厚度为3mm，B区预浸料的厚度为7mm，C区预浸料的厚度为9mm。根本原则是贴完角度纱后贴零度纱，若无法刚好符合厚度要求时，则贴两层零度纱再贴角度纱也可以)。市面上的碳纤维预浸布厚度一般为0.19mm，角度纱的厚度有0.2mm、0.3mm、0.4mm，零度纱的厚度有0.1/0.2/0.3/0.4mm。

第二步，如图2所示，在制品的拐角交汇处(比如图2的标号1-8的地方)填充上填充材料，使整个制品分成若干独立不相通区域，在填充材料内部，根据实际安装要求将预埋块(预埋块的大小和形状以能够置入模具为标准即可)置入碳纱中打孔并锁死，同时分别布置尼龙风管。其中的预埋块一般是耐高温的工程塑料块(PEEK聚醚醚酮)，用于后期各个部件组装锁螺丝达到固定的作用；用碳纱把置入的预埋块包裹住后将其打孔锁死，成型后预埋块就和整个制品融为一体，不易出现松动和位移。

填充材料满足轻质高强特性，同时能够耐150℃高温，在此温度下不会萎缩塌陷。填充材料为，将加热发泡芯材以预型出交汇处的形状后；然后再包覆一层1-4mm的发泡芯材所得的即为填充材料。

其中的发泡芯材为120-150℃高温下可以发泡，从而使填充更饱满，比如豪尔的发泡芯材：HR-313-8；替换成HR-330也可以同样达到效果。

第三步，反包碳纱，然后在碳纱上面盖上碳纤维预浸布后合上模盖，将模具锁紧置入成型台，打开空压机以脉冲形式冲压同时120℃加热成型3h。

图2中标号为1,2,4,6,7的地方设置充气孔。为了防止出现吹气爆裂的情况，空压机给尼龙风管充气时采用分段式充气；第一段：2公斤力2min；第二段：4公斤力充气28s放气2s，充放气重复4次；第三段：8公斤力2min；第四段：11公斤力50min。

第四步，将模具冷却脱模(比如可以设置冷却台温度为20℃，冷却至室温)，同时抽出纤维制品内的尼龙风管(每一段风管不长且风管包裹前会泡离型剂，成型结束后方便抽出)，即得到雷达辐射梁和撑腿。所制备得到的雷达辐射梁和撑腿表面光滑平整，没有鼓包，缺胶等情况。

制备了66个制品，65个合格为优良品。良品率为98.5％。

实施例3：方形管材的制备

第一步，根据制品设计厚度，在模具中依据排叠设计将预浸料一层层贴合于模具上，预浸料为碳纤维预浸布，角度纱和零度纱，其中碳纤维预浸布与模具贴合。预浸料的贴合顺序为：碳纤维预浸布，角度纱和零度纱，其中角度纱和零度纱交错贴合增加整体结构强度。根据厚度来做排叠设计表。根本原则是贴完角度纱后贴零度纱，若无法刚好符合厚度要求时，则贴两层零度纱再贴角度纱也可以)。市面上的碳纤维预浸布厚度一般为0.19mm，角度纱的厚度有0.2mm、0.3mm、0.4mm，零度纱的厚度有0.1/0.2/0.3/0.4mm。

第二步，在制品的拐角交汇处填充上填充材料，使整个制品分成若干独立不相通区域，在填充材料内部，根据实际安装要求将预埋块(预埋块的大小和形状以能够置入模具为标准即可)置入碳纱中打孔并锁死，同时分别布置尼龙风管。其中的预埋块一般是耐高温的工程塑料块(PEEK聚醚醚酮)，用于后期各个部件组装锁螺丝达到固定的作用；用碳纱把置入的预埋块包裹住后将其打孔锁死，成型后预埋块就和整个制品融为一体，不易出现松动和位移。

填充材料满足轻质高强特性，同时能够耐150℃高温，在此温度下不会萎缩塌陷。填充材料为，将加热发泡芯材以预型出交汇处的形状后；然后再包覆一层1-4mm的发泡芯材所得的即为填充材料。

其中的发泡芯材为120-150℃高温下可以发泡，从而使填充更饱满，比如豪尔的发泡芯材：HR-313-8；替换成HR-330也可以同样达到效果。

第三步，反包碳纱，然后在碳纱上面盖上碳纤维预浸布后合上模盖，将模具锁紧置入成型台，打开空压机以脉冲形式冲压同时150℃加热成型1.5h。

设置充气孔。为了防止出现吹气爆裂的情况，空压机给尼龙风管充气时采用分段式充气；第一段：2公斤力2min；第二段：4公斤力充气28s放气2s，充放气重复4次；第三段：8公斤力2min；第四段：11公斤力50min。

第四步，将模具冷却脱模(比如可以设置冷却台温度为20℃，冷却至室温)，同时抽出纤维制品内的尼龙风管(每一段风管不长且风管包裹前会泡离型剂，成型结束后方便抽出)，即得到方形管材。所制备得到的方形管材表面光滑平整，没有鼓包，缺胶等情况。

制备了66个制品，65个合格为优良品。良品率为98.5％。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种碳纤维支架复合成型的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，根据制品设计厚度，在模具中依据排叠设计将预浸料一层层贴合于模具上，预浸料中的碳纤维预浸布与模具贴合；

S2，在制品的拐角交汇处填充上填充材料，使整个制品分成若干独立不相通区域，在填充材料内部，再根据实际安装要求将预埋块置入碳纱中打孔并锁死，同时分别布置尼龙风管；成型后预埋块就和整个制品融为一体；

S3，反包碳纱，然后在碳纱上面盖上碳纤维预浸布后合上模盖，将模具锁紧置入成型台，打开空压机以脉冲形式冲压同时120-150℃加热成型0.5-3h；优选的，加热成型0.5-1.5h；

S4，将模具冷却脱模，同时抽出纤维制品内的尼龙风管，即得到碳纤维支架。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1步骤中的预浸料为碳纤维预浸布，角度纱和零度纱，其中角度纱和零度纱交错贴合以增加整体结构强度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2步骤中的预埋块的材质是具有导热功能的材料，优选是矽胶块或金属块或耐130度以上的工程塑料块；更优选的，金属块的材质为纯金属或合金的材质；最优选的，纯金属为铝、铁、铜或钛；合金为铝合金、铁合金、铜合金、钛合金或不锈钢。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2步骤中填充材料为轻质高强，且耐150℃高温的材料。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2步骤中填充材料为如下任何一种：

1)先将PU块或PMI、PVC按照交汇处的形状裁切，再包覆一层1-4mm的发泡芯材后所得的即为填充材料；

2)加热发泡芯材以预型出交汇处的形状后；然后再包覆一层1-4mm的发泡芯材所得的即为填充材料；

其中的发泡芯材能够在120-150℃下发泡；优选的，发泡芯材为HR-313-8；HR-330发泡材料。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3步骤中空压机以脉冲形式采用分段式冲压；第一段：2公斤力2min；第二段：4公斤力充气28s放气2s，充放气重复4次；第三段：8公斤力2min；第四段：11公斤力50min。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纤维支架是辐射梁，或撑腿或横向支板或棒状或方形管材。

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